一种船舶中控系统设计

徐敏航， 何 强， 李 宽

(1. 海军驻上海七一一所军事代表室， 上海 201108； 2. 上海船舶运输科学研究所， 上海 200135)

0 引 言

近年来，我国物流运输业在经济全球化的带动下蓬勃发展，水路运输因具有运能大、通用性强和运输成本低等优点，在其中发挥着重要作用。但是，我国的船舶控制系统技术相对落后，很多机电设备仍依靠人工操作，各控制系统的控制精度较低、控制效果较差，船舶机电设备无法实现智能优化使用，造成水路运输具有环境污染严重、人力成本较高、安全性不足和维护困难等缺点。随着自动控制和计算机技术的快速发展，有必要设计一套全新的船舶中央控制系统(简称“船舶中控系统”)，实现全船机电设备柔性控制和系统联动，达到绿色、智能、高效的控制目的，提高船舶在运行过程中的安全性和可靠性。

1 船舶中控系统总体设计

本文所述船舶中控系统采用计算机网络技术，将全船的机电设备纳入到统一的“船舶物联网”中进行信息交互，对各机电系统进行分布式控制，实现显示、诊断、远程操控、系统联动和智能运行等综合功能，达到绿色、智能、高效的控制目的，提高船舶在运行过程中的安全性和可靠性。该船舶中控系统由工作站、区域网关、自动化处理分站和远程输入输出模块等组成，采用冗余设计，具有对复杂信息进行快速、安全处理的能力。

该船舶中控系统分为上、下2层网络。上层网为以太网，是数据管理与数据传输网络，主要的网络节点由各部位工作站和区域网关组成，其中：区域网关将收到的数据转发给上层以太网[1]；工作站对区域网关转发的数据进行汇总、管理、显示和记录，工作站应用软件可实现“在界面手动控制设备”的操作。下层网为控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)现场总线网，是现场数据传输与控制网，按照不同设备所在区域的不同分为不同的区域子网；每个子网由独立的CAN网组成，互不影响；每个区域按照功能的不同组成不同的控制区块，通过输入输出模块进行数据采集和设备控制，实现不同的控制功能，同时将采集的温度、压力、气体浓度和能耗等参数及设备控制状态通过CAN网传输。每个区块配备1块现场操作显示单元，单元界面上显示该区域设备的运行状态和报警信息，同时可在显示单元上手动控制该区域的设备。

该船舶中控系统可实现直接硬件输入输出点数5 000个，串行通信软监测输入输出点数5 000个，全船所有监测报警点数超过10 000个，基本上能覆盖全船所有的机电系统，是实现智能操控的硬件基础。船舶中控系统框架见图1。

图1 船舶中控系统框架

2 船舶中控系统主要功能设计

该船舶中控系统基于采集到的各种数据，智能联动控制、调整机舱内各设备的运行状态，对设备的健康状况进行分析、评估和保护，为及时执行维护保养计划提供动态信息。根据控制对象的不同，系统功能可分为机舱风压调节、电站软卸载、机舱泵控制、艉管监测、船舶动态性能监测和机舱智能维护保养等6类。

2.1 机舱风压调节

对于机舱通风，常规船舶一般采用定速风机，人为确定舱室内风机的运行台数。然而，经过天然风压和热压进行的机舱通风很容易受到环境的影响，不能快速响应外部因素变化引起的机舱通风环境的变化[2]。船舶中控系统可根据机舱内的温度、压力、CO2浓度和可燃气体浓度等参数智能调节变频风机及风闸的功能，使机舱内的温度、压力和清洁度稳定，保证设备平稳运行和人员安全进出。

该船舶中控系统对风机的控制是根据舱室内可燃气体的浓度、舱室棚的过压、舱室温度、发电机室温度、分油机室温度、舱室棚温度的超限报警和室外温度与这些温度中某个的差值实现的。可燃气体浓度控制的优先级最高，其次是温度控制和压力控制。当可燃气体的浓度达到限值之后预报警，控制器增大输出模拟值，调节风机的转速；当可燃气体的浓度超过最大限值时，船舶中控系统控制所有风机风闸启动，转速调节至最大，并伴随有声光报警；当可燃气体的浓度正常之后，船舶中控系统判断温差的限制值或舱室温度的最大值是否达到上限值，控制模块输出模拟值，调节风机的转速或风闸，判断舱室是否过压。在紧急情况下，操作人员可在工作站或现场显示单元应用软件界面上手动控制风机的启停及其转速。

对于货舱等特殊舱室，系统还可根据CO2的浓度、空气的湿度等参数实现舱室风机自动控制。

2.2 电站软卸载

船舶电站控制系统的主要任务是保证供电的安全性、可靠性和改善劳动条件，同时提高船舶电站运行的经济性。船舶常规电站控制系统除了具有对电气参数和动作信号进行自动监测、显示、报警和记录等基本功能以外，还有简单逻辑判断功能，控制发动机组启停、并车和功率分配，在超负荷时自动分级卸载[3]。但是，当发电机负荷下降之后，需手动对卸载脱扣掉的负荷进行复位和上电。

本文所述船舶中控系统除了具有常规电站控制系统的基本功能以外，还具有软卸载功能：自动停止或恢复负载的供电，无需船员在全船范围内复位脱扣开关，能减轻船员的工作强度，执行动作迅速、稳定。例如，对于有冷箱和货舱的货船，船舶中控系统接收到电站管理系统发出的“软卸载激活”和“要卸载的功率”2个信号之后，将“要卸载的功率”值与冷箱分电箱实际消耗的功率和货舱风机消耗的功率相对比，计算后断开货舱风机或一定数量的冷箱分电箱。货舱风机的优先级最高，首先被断开。被断开的货舱风机或被卸载的冷箱分电箱数量随“要卸载的功率”动态变化。当“要卸载的功率”值减小时，船舶中控系统将重新连接被断开的货舱风机或被卸载的冷箱分电箱，重新连接将按照反向优先顺序进行。

2.3 机舱泵控制

船舶系统内的辅助泵数量和种类繁多，海水泵、淡水泵、滑油泵、燃油输送泵、冷却水泵、船底水泵和舵机泵等重要泵浦一般采用手动控制或机电接触器控制的方式，可靠性差、耗能大、船员配比大，需专人负责值班。

本文所述船舶中控系统能对船舶系统内的辅助泵浦实现智能控制。冷却水泵可根据机舱负荷的大小自动控制运行的台数；燃油输送泵可根据日用燃油柜的液位自动启停；舱底水泵可根据舱底水井的液位自动启停进行舱底水驳运。船舶中控系统可根据接收到的温度、压力和流量等信号，按照实际需求启停泵浦或调节电机的转速，使机舱设备节能、优化运行，减少不必要的损耗，提高船舶航行的安全性，并缩减人员配比，减少机舱人员的工作量。

2.4 艉管监测

常规船舶的艉管测点只有“温度高”监测报警。本文所述船舶中控系统可对艉管温度、温度变化速率和艉管温度与海水温度的差值进行有限值报警，同时对这些报警和主机降速进行联锁。对这些报警进行监测有助于提前发现问题；同时，主机自动降速可使艉管得到最大限度的保护。

该船舶中控系统连续监测艉管温度，艉管上安装的监测传感器用于监测高温、温升速度和艉管与海水的温差，根据监测值实现报警和主机降速功能。艉管温度和报警指示显示在艉管监控界面上，具有标准的趋势功能。

图2 海水偏差限度计算示意

艉管温度报警有高温报警和高高温报警2种，其中：高温报警触发船舶中控系统中的1个标准的监测报警；高高温报警触发安保自动降速报警。温升速度基于每分钟的温度提升，若温升速度高于报警设定值，将发出报警信号，并进行自动降速。船舶中控系统可实时对艉管温度和海水温度进行对比，若温差高于计算的报警限度，将发出报警信号，并进行自动降速。报警限度随海水温度的变化而动态变化(见图2)。

2.5 船舶动态性能监测

常规船舶不提供船舶主要设备的能耗，无法准确给出船舶设备的使用情况。该船舶中控系统可对船舶性能进行动态监测，涉及到主机油耗及风机、冷箱、冷却系统和照明等用电负荷的准确用电量，便于船舶所有人对这些数据进行分析。

该船舶中控系统可计算、核准所有冷箱分电箱的总功率消耗(见图3)，可通过串行接口接收各货舱的冷箱数量和用水冷却的冷箱数量。基于速度信号估算、核准冷箱冷却水泵的总功率消耗和机舱风机的总功率消耗；估算、核准主冷却水系统所有泵的总功率消耗。计算照明系统的总功率消耗，并将其显示在应用软件趋势图上。基于上述系统的消耗值计算船舶基本电力负荷。计算主机现有工况负荷，并将其显示在应用软件负载曲线上。

图3 冷箱功率图

2.6 机舱智能维护保养

船舶系统较为复杂，设备数量庞大，机电人员的设备维护任务繁重，往往只有在设备出现故障并影响系统运行时才进行检测和维修。该船舶中控系统具有高效的监测预报警管理功能，通过传感器对机械设备的工作状态进行监测，并基于监测数据对机械设备的运行状态进行分析和评估；可在船上为关键设备安装电机振动监测传感器，预判电机磨损情况并发出提醒更换指令，避免因设备损坏而影响船舶的正常运行。

此外，该船舶中控系统还包含专业的设备备件管理系统，负责管理船上所有设备的备件，具有管控备件类别和数量、编制设备维护周期等功能，能定期提醒船员对设备备件进行更换。通过智能维护保养，能实时监测设备的状态，对故障进行预判，使船上的设备维持良好的运行状态，使维护保养工作能高效、有序地开展。

3 结 语

目前高技术、高难度、高附加值船舶主要是由国外造船厂建造的，我国的船舶中控系统设备仍主要依赖进口，使用时间不长，相关研究不多。本文提出一种船舶中控系统，在智能机舱设备控制方面对机舱风压调节、电站软卸载、机舱泵控制、艉管监测、船舶动态性能监测和机舱智能维护保养等内容进行功能分析和实现方式分析，对该系统如何将全船各机电设备纳入统一的“船舶物联网”中实现机电设备系统联动、智能运行等功能作进一步阐述，可为我国船舶中控系统的设计和生产提供一定的参考。