客滚船无人机舱的优化设计

王科成，吕 图

(大连旅顺滨海船舶修造有限公司，辽宁大连 116052)

客滚船无人机舱的优化设计

王科成，吕 图

(大连旅顺滨海船舶修造有限公司，辽宁大连 116052)

文章概述了澳大利亚BRUCE客滚船建造过程中针对无人机舱要求所采取的优化改造的措施，重点论述了该船所存在的技术问题的解决方案及设计思路。该船的成功改造为今后同类型船改造积累了宝贵的经验。

无人机舱；报警监控系统；控制监视系统；船舶电站

1 船舶概况

“BRUCE”客滚船是由韩国某设计院为澳大利亚船东设计的一艘钢制海洋客滚船，全船机电配置均为国际知名品牌，全船自动化程度为国内领先水平。船舶总吨位1 100 t，配有3台全回转推进系统，4台150 kW发电机，2台180 kW变频调速电动机驱动侧推系统，船舶电站为AUTO-0, 全船配有一套集控系统，该集控系统不仅能够对全船实时监测、报警，还能够集中控制机舱泵组、通风等辅助设备，全船配置符合无人机舱要求。但该船在建造中期由于原造船厂的变故而终止了船舶的建造，后来由我公司重启了该船的后期建造任务。由于该船长时间的停工导致大量的船舶设计资料丢失，部分设备元件损坏，尤其是韩国设计院无法再提供技术服务，这给正常的施工建造以及设备调试带来了巨大的障碍。经过对图纸的重新分析研究，现场多次检查核对，反复调试、试验，最终掌握了该船各系统的设计原理和存在的问题，并针对每一项设计缺陷进行了重新优化设计，确定了改造方案，并在随后的调试、试验过程中逐一实现了各项功能，满足了无人机舱的要求。

2 船舶存在的问题

由于本船的设计缺陷以及它的历史变故，导致全船电站、集控系统无法建立，反复调试都无法达到预期的设计功效，存在的问题具体如下。

2.1 自动电站无法实现

该船配电盘设计为AUTO-0级电站，共有12屏，分别为同步屏、汇流排分断屏、监控报警系统屏、4台发电机屏、2个AC415 V负载屏、1个AC220 V负载屏、2个组合启动器屏。同步屏设计有手动、半自动、全自动、驾控4挡控制转换功能，同时配有电站管理系统装置。通过PLC的程序软件对整个电站进行全自动控制，既能够保证全手动调整电站，又具备无人操作、全程序化控制、自动分配负荷的功能。能够在任何的工况下合理地启动、断开发电机，既能保证船舶电力供应，又能够提高发电机的工作效率。但由于与发电机的控制信号不匹配导致配电盘的手动控制功能无法实现，在配电盘上无法启动/停止发电机，致使配电盘与发电机形成了2个独立的系统，电站管理系统功效无法体现出来，整套发电机的安保监控数据无法传输出来，整个电站处于瘫痪阶段，远远脱离了设计初衷。

2.2 发电机与控制、报警监控系统及主配电板无法通信

发电机为交流四极发电机，旋转域单元，带有无刷永磁发电机励磁系统(PMG)。该系统由可控硅整流器(SCR)组件控制供给发电机域的主流电流，电压调节器通过可选耦合向可控硅整流器发出信号，电压调节器根据发动机的速度和发电机组输出电压发出的信号自动关闭或打开固定的发光二极管(LED)，图像传输器通过LED接收信号并指示SCR组件关闭或打开，从而实现全自动调压功能。然而电压信号的建立却无法传输到报警监控系统和主配电板上，使发电机功能无法运用到自动电站系统中。经过与发电机厂商沟通得知，该款机型为独立运转发电机，不能对其进行远程控制，也没有预留远传信号的端口。然而这与无人机舱要求完全不符，必须对发电机的控制与监控系统进行优化改造。

2.3 侧推系统无法接入电站管理系统，整个控制系统失效

本船配备有2台大功率变频调速电动侧推系统，每台侧推功率远远大于单台发电机的发电能力，想要启用侧推系统必须并机发电。理论上2台发电机的容量满足1台侧推的功耗，3台发电机的并车运行才能够满足2台侧推的同时运转。所以对侧推的电力管理相当重要，电站建立不起来就无法使用侧推，电站分配不均匀就会造成浪费，更重要的是将会对船舶的操作产生不可预见的安全隐患。由于最初设计没有考虑到大功率询问功能，导致侧推系统与电站无法进行询问分配功效，这就意味着侧推形成了独立系统，不受电站控制，这势必会对侧推的正常使用造成影响，甚至会对整船的电网产生冲击，影响其它用电设备的正常运转。要想使用侧推只能够手动操作并网，这不仅违背了设计初衷而且是船东所不能接受的事实。想要满足设计和船东的要求必须实现电网自动管理侧推的投入、运行功效，并能够自动分析电站的承载能力，合理分配负荷，既要能够正常操作侧推运行，又要保证电网对其它系统的电力分配，整套系统的改造复杂而艰难。

2.4 集控系统无法建立

全船集中控制、监视系统(AMS/CMS)为澳大利亚厂商设计、制造的一款基于PLC控制的综合报警、监控、控制系统。该系统有2套PLC模块，互为备用，可接收来自各机电设备和液柜及液舱的报警信号，不同的报警点输出分别送到各个信号采集单元，进入信号中央处理单元，最终输出至主显示器及驾驶室延伸显示器LCD，同时可以集中控制各个泵组的运行/停止,也可以连续监视各个舱柜的液位状态。整个系统由UPS作为备用电源，保证船舶在任何航况下都能够保证报警控制系统的正常运行。由于设计的遗漏导致此系统无法与配电盘联合控制发电机，失去了驾驶室远操的功能，同时发电机的监控数据及报警点也无法接入报警监控系统。整套系统处于半工作状态。

3 优化改造，满足无人机舱的要求

针对现场所发现的几点问题，多次审核设计图纸，查阅设备资料及相关船舶规范，对所存在的技术问题以及不符合规范要求的系统进行了研究、优化和改造，使之满足无人机舱的规范要求，具体优化如下。

3.1 自动电站的改造，实现 AUTO-0

1)针对配电盘设计与发电机控制系统不匹配，输出的信号无法控制发电机的问题，经过反复查阅配电盘厂家资料，认定配电盘只提供了一组点动开关量信号来控制发电机的启动/停止，然而发电机需要一组常闭/常开信号来完成对其控制。这就需要改造配电盘的控制原理。改造方案经过厂商同意后，建议在每台发电机屏上增设交流继电器，通过对继电器的控制来实现信号转变的优化改造方案，经与厂商沟通同意后，实施了改造，实现了对发电机的控制。此改造方案既满足了发电机的要求，也为公司节省了改造成本。

2)解决了启动/停止问题后，又对配电板无法调速的问题进行了分析研究。通过查阅图纸发现配电盘内安装了T7900 调速模块，输出DC24 V/0～5 V 的调速信号，然而发电机控制板内已经配置了电压调速器，配电盘输出的调速信号不但起不了调速功效，反而还会烧毁发电机内的调速模块。经过对发电机调速模块的研究，果断地决定隔离配电盘内的电压调速器，增设了电子电位器，解决了由于设计缺陷而导致无法调速的问题，也避免了因设计问题带来的事故风险。为了提高对发电机的调速精度，电子电位器安装在发电机机体内，通过控制配电盘上的点动开关量来控制电子电位器，由开关量信号控制电阻信号，进而控制发电机的调速模块，实现异地控制发电机的功能。

3)电站管理系统(PMS)是配电盘的核心组件，它是配电盘的中央处理器，是连接发电机、主配电板、报警监控系统的重要纽带，是实现电站自动化的唯一途径。电站管理系统的瘫痪将导致发电机无法自动启动、并车、负载分配以及驾驶室遥控功能的失效。经过与厂商的共同分析研究，决定用计算机重新优化、更改PLC控制程序的设计方案，经反复论证、试验，终于解决了电站自动化失效的重大问题，实现了电站独立、自动运行的功效，保证了驾驶室遥控功能的正常操作。PLC控制程序的改造解决了电站自动化的最大问题，也是整船性能的最关键问题,为实现无人机舱安全的运行迈出了关键的一步。

3.2 发电机控制系统的优化，推进无人机舱实现正常运行的进程

1)通过对发电机、配电盘图纸的分析研究，针对在配电盘上无法对发电机进行实时控制、监测的问题，先后提出了几套改造方案，经过与两家服务商的共同沟通分析，最终决定增设远程速度控制电位器组件，对发电机的速度进行人为调整，调整范围大约在±5%。控制信号的输入使发电机能够被控制，但仍然无法监测。为了保证发电机的安全运行，先后把发电机输出的电压信号转换成开关量信号，在发电机上增设了4个直流继电器，实现了与配电盘接受信号的匹配，完成了监测功能，保证了通信的安全性，满足了规范的要求。

2)改造发电机与配电盘的通讯，进而实现了AUTO-0，但距离无人机舱目标还差一步，那就是要实现全船集中控制的功效。这就要求发电机必须和报警、控制监控系统建立互通。然而服务商却告知无法实现互通功能，这就意味着无人机舱无法实现。经过翻阅大量的设备资料，反复的论证、试验，最终决定采用发电机P20端口输出RS-485通讯标准给控制报警系统,此端口是Modbus通讯端口，也是唯一一个可以与报警、控制系统实现互通的端口，最大传输距离能够达到1 220 m，最大传输速率为10 Mbps，完全满足通讯要求。然而在反复调试过程中发现通讯有中断的现象，而且此现象十分频繁，经过反复的分析研究，最终确定是由于电缆的屏蔽性能被破坏，导致通讯干扰，造成通讯故障。因而决定重新铺设电缆，采用平衡双绞线作为传输媒体，终端安装了匹配电阻(120 Ω)，这样使通讯更可靠、更畅通，保证了发电机与报警控制系统通讯无阻，更进一步地实现了无人机舱的目标。

3.3 侧推系统的优化改造

1)侧推系统和主配电板在产品设计上均没有大功率询问功能，想要重新增设此项功能在时间上和设备配置上都是不允许的，只能够从程序控制上考虑改造方案。船东要求侧推系统必须能够在监控系统上控制操作，因此必须把思路从电站管理系统上转移到监控系统中找到解决的办法。通过监控系统控制电站管理系统的电力分配，保护整个电网的电力供应，同时控制侧推系统变频器，达到启动/停止侧推的功效。首先对PLC程序进行了优化，重新写入程序，保证只有在2台及2台以上发电机并网的情况下才能够启动1台侧推，3台及3台以上的发电机并网才能够同时启动2台侧推，否则启动失败。此项改造方案对保护全船电网起到了重要的作用，即使船员误操作也不会对全船电网造成影响，满足了船东、船检的要求。

2)安保功能的实现将改造工程推进了一大步，要实现整套系统的运行还要对侧推的控制系统进行改造，设计院的设计与厂家系统配置完全背离，整个控制系统需要重新设计，经过对侧推厂家资料的反复查看，决定采用监控系统控制侧推，报警系统监测侧推，这样能够保证集中控制。先后对PLC控制程序进行了重新编程，增设了直流和交流继电器，通过操作控制屏，PLC会进行综合分析，输出控制信号，控制信号通过继电器的转换把有源信号转变为无源信号，无源信号控制继电器来控制DC24 V电源的输出，通过电源输出控制变频器和侧推控制器，实现了对系统的控制。侧推的运行、报警信号通过继电器转变为开关量反馈给报警监控系统，该系统延伸到驾驶室，这样在驾驶室可以集中控制、监视侧推系统的运行。通过改造和反复地调试，实现了闭环控制网络，既对电站起到了保护作用，又达到了集中控制的功效，完全满足了无人机舱的规范要求。

3.4 报警、控制检测综合系统的改造与调试，实现“无人机舱管理”

机舱集中监视、控制与报警系统是机舱自动化的一个重要内容，无人机舱能否实现关键在于报警、控制检测综合系统能否满足规范要求。它的重要性是能够准确可靠地监测机舱内各种动力设备的运行状态及其参数，运行设备一旦发生故障，自动发出声、光报警信号，并可以在触摸屏上查询具体的故障来源、故障状态，指导故障排除，并能够自动保存故障内容。它可以改善轮机管理人员的工作条件，减轻劳动强度，及时发现设备的运行故障，而且也是实现无人机舱的基本条件。该系统的不同之处在于不仅能够对机舱进行监视、报警，还能够对机舱泵组设备进行异地控制，实现驾驶室遥控功效。然而由于设计上的缺陷，使该系统强大的功能无法发挥出来，船东对此表示不满意。经过与服务商共同研究、分析，先后把配电盘、发电机、侧推、水密门指示系统、水雾喷淋系统、死船恢复启动等系统并入了集控网络，并进一步优化了管理程序和大量的技术问题，使之能够统一监视、控制机舱动态，为安全、高效地航行保驾护航。

4 成果与意义

在对1 100 吨级客滚船图纸的优化设计和现场调试、改造的过程中，学习、积累了大量的关于船舶无人机舱有关电气方面的技术知识和改造过程中的实际经验，为今后承接改造类似工程项目奠定了牢固的基础。全船以最短的时间、最小的改造成本解决全船最大的问题，不仅为公司按期交船争取了时间，而且为公司节省了近百万元。同时也为公司赢得了市场和产品，为公司长远的发展做出了积极的贡献。

This paper summarize the renovation project which the name of BRUCE ro-ro passenger ship about the request of the unmanned engine room.The main point is about the optimization design and the solution of the technical question.The successful conversion becomes valuable experience for our company especially.

engine-room-zero(ED)；alarm monitoring system(AMS);control monitoring system(CMS);main switch board(MSB)

王科成(1985-)，男，辽宁大连人，工程师，大学本科，主要从事船舶电气设计工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.012

2016-04-25