劉擘

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船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

劉擘

( 海軍駐武漢712所軍事代表室，武漢 430064)

電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)是船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行性能直接影響到船舶的生命力，為確保電力推進(jìn)系統(tǒng)安全有效運(yùn)行，保障船舶的生命力，必須深入開展電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究。本文以船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，在歸納、總結(jié)系統(tǒng)組成和功能的基礎(chǔ)上，對監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng) 體系結(jié)構(gòu)

0 引言

電力推進(jìn)技術(shù)可統(tǒng)籌全艦動力，滿足未來艦船對電力供應(yīng)及推進(jìn)動力的需求，并在操縱性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面較傳統(tǒng)直接推進(jìn)動力系統(tǒng)有著不同程度的提高，是新世紀(jì)艦船動力發(fā)展的趨勢。隨著船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，使用電力推進(jìn)技術(shù)船舶的發(fā)電容量和推進(jìn)功率等級也大大提高，加上船舶應(yīng)用環(huán)境本身的特殊性，對電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的開放性、互可操作性與互用性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性提出了更高的要求。為了滿足需求，電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)大量采用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，并且電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸向集成化、模塊化和智能化發(fā)展，使得艦船監(jiān)控系統(tǒng)日趨完善，而監(jiān)控系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，技術(shù)含量也越來越高[1]。

因此，為了滿足日益提高的對電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求，首先應(yīng)進(jìn)行電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究，只有在體系結(jié)構(gòu)確定后，才能進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。

1 電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

船舶電力推進(jìn)是船舶推進(jìn)方式中的一種，指由發(fā)電機(jī)組發(fā)電而由電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳推動船舶行進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)按功能可劃分為供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)分系統(tǒng)，如圖1所示，供電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)組和配電板，推進(jìn)系統(tǒng)包括推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電動機(jī)、軸系及螺旋槳，監(jiān)控系統(tǒng)包括機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、推進(jìn)控制系統(tǒng)和功率管理(PMS)系統(tǒng)[2]。

船舶電力推進(jìn)方式與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，主要有經(jīng)濟(jì)性好、操縱性好、安全性好、節(jié)省空間、噪音低、適合環(huán)保、電能儲備大、有利于實(shí)現(xiàn)綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)(IFEPS或IPS)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1.2 電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能

電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)是裝配于船舶上用于完成對綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行控制、保護(hù)、管理的設(shè)備，一般由功率管理系統(tǒng)、推進(jìn)控制系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)等組成。

功率管理系統(tǒng)是裝配于船舶上根據(jù)功率的需求對機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各機(jī)組的工作，對發(fā)電配電進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)及其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源的自動化系統(tǒng)；推進(jìn)控制系統(tǒng)是完成對綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行控制、保護(hù)、管理的自動化系統(tǒng)；機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)是完成對機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警管理的自動化系統(tǒng)。

根據(jù)電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的功率管理系統(tǒng)、推進(jìn)控制系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的功能分析，進(jìn)一步將各個(gè)組成系統(tǒng)進(jìn)行劃分，如圖2所示。

1.2.1功率管理系統(tǒng)組成

1)功率管理單元，實(shí)現(xiàn)功率管理系統(tǒng)管理和控制調(diào)度等功能；

2)機(jī)組接口單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和控制的接口管理；

3)同步控制及保護(hù)單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)組同步并車、功率分配及機(jī)組保護(hù)功能；

4)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)功率管理系統(tǒng)的可視化操作、監(jiān)視功能。

1.2.2推進(jìn)控制系統(tǒng)組成

推進(jìn)控制系統(tǒng)一般應(yīng)設(shè)置如下控制站：

1)就地控制站，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備如推進(jìn)變頻器、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)電動機(jī)及輔機(jī)的監(jiān)測、保護(hù)、就地控制等；

2)集控室控制站，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備如推進(jìn)變頻器、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)電動機(jī)及輔機(jī)的監(jiān)測、集控室遙控等；

3)駕駛室控制站，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備如推進(jìn)變頻器、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)電動機(jī)及輔機(jī)的監(jiān)測、駕駛室遙控等；

4)車鐘系統(tǒng)，設(shè)置有主航車鐘和應(yīng)急車鐘，在駕駛室和集控室遙控時(shí)，使用主航車鐘進(jìn)行傳令和操車；當(dāng)控制網(wǎng)絡(luò)故障或控制器故障時(shí)，可在就地或一處遙控控制站轉(zhuǎn)換為應(yīng)急操作，通過應(yīng)急車鐘進(jìn)行傳令回令指揮。

1.2.3機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)組成

機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)主要包括如下設(shè)備：

1)集中監(jiān)測站，作為機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的控制檢測中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測、顯示、報(bào)表、存儲、聲光報(bào)警等功能；

2)推進(jìn)采集站，作為機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的延伸采集站，對推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行采集，傳送到集中控制站進(jìn)行顯示和報(bào)警，本控制站可根據(jù)實(shí)際需求與推進(jìn)控制系統(tǒng)綜合考慮；

3)輔機(jī)采集站，作為機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的延伸采集站，在機(jī)艙就近布置，對機(jī)艙輔機(jī)狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行采集，傳送到集中監(jiān)測站進(jìn)行顯示和報(bào)警；

4)延伸報(bào)警板，作為機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的延伸顯示，按照需要在士兵艙、機(jī)電長室、船長室、會議室等位置進(jìn)行安裝，對系統(tǒng)報(bào)警和參數(shù)進(jìn)行延伸顯示。

2 電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)各組成部分在電力推進(jìn)系統(tǒng)中的分布如圖3所示。

2.1.1 功率管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功率管理系統(tǒng)一般按照不同功能單元在主配電板內(nèi)進(jìn)行安裝，功率管理單元和人機(jī)界面單元一般安裝于母聯(lián)屏或同步屏內(nèi)，機(jī)組接口單元和同步控制及保護(hù)單元安裝于每個(gè)發(fā)電機(jī)組控制屏內(nèi)。功率管理系統(tǒng)也可采用單獨(dú)成柜方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2推進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推進(jìn)控制系統(tǒng)中，集控室控制站一般采用嵌入式方式安裝于集控臺上，主要包括推進(jìn)控制面板、主航車鐘集控室接收器、應(yīng)急車鐘集控室接收器、模擬表頭等；駕駛室控制站一般采用嵌入式方式安裝于駕控臺上，主要包括推進(jìn)控制面板、主航車鐘駕駛室發(fā)訊器、應(yīng)急車鐘駕駛室發(fā)訊器、模擬表頭等；就地控制箱一般采用壁掛式安裝于變頻器旁，內(nèi)部包括控制器、繼電器等[4]。

2.1.3機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)中，集中監(jiān)測站采用臺式防護(hù)結(jié)構(gòu)，前部設(shè)置有扶手，是主要的人機(jī)操作、監(jiān)視接口。按照功能進(jìn)行分區(qū)，分別設(shè)置有模擬顯示屏、模擬表頭、監(jiān)視屏幕，操作面板等。臺內(nèi)設(shè)置工控機(jī)、不間斷電源等；輔機(jī)采集站采用箱式結(jié)構(gòu)壁掛式安裝于機(jī)艙內(nèi)，內(nèi)部布置有數(shù)據(jù)處理和采集模塊和通訊模塊等；延伸報(bào)警板一般采用壁掛式安裝，設(shè)置有顯示屏對報(bào)警信息進(jìn)行顯示。

2.1.4控制臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)控制臺設(shè)計(jì)應(yīng)滿足正面維修的要求，并應(yīng)能靠壁和并柜安裝；

2)操作界面應(yīng)便于人員操作、觀察和記錄，高度不宜大于2m；

3)控制臺宜為掀蓋式，且設(shè)有絕緣扶手，并在側(cè)方或前方設(shè)置百葉窗，便于散熱；

4)控制臺構(gòu)架單元的一般由結(jié)構(gòu)型鋼或型鋼構(gòu)件組成，并在每個(gè)部件的彎角處的縱橫平面上焊上角撐板；

5)門、蓋、抽屜等活動應(yīng)與配合平面吻合。平開門應(yīng)能在不小于90°范圍內(nèi)開閉；且設(shè)置有固定開閉位置的機(jī)構(gòu)，抽屜應(yīng)設(shè)置防止脫落的機(jī)構(gòu)。

2.1.5控制臺布置設(shè)計(jì)

1)控制臺內(nèi)顯示器、儀表、按鈕及其他操作顯示設(shè)備的布置，均應(yīng)便于操作和監(jiān)視；

2)控制臺上的儀表應(yīng)具有檢定合格標(biāo)志，檢測和指示儀表的準(zhǔn)確度等級不應(yīng)低于1.5 級；

3)控制臺的板面器件應(yīng)按照控制對象分區(qū)分組配置，并按照控制對象在船上的實(shí)際位置對應(yīng)布置；

4)二次儀表、系統(tǒng)模擬圖、顯示器等應(yīng)盡量布置在控制臺的垂直面板上，而操作手柄、開關(guān)等布置在水平面板上；

5)越控、緊急停止等應(yīng)設(shè)置防止誤操作的安全保護(hù)措施。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

1)監(jiān)控系統(tǒng)提供對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)執(zhí)行控制，能進(jìn)行遙控集中控制，向用戶提供集中操作接口，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷和保護(hù)控制，提供數(shù)據(jù)查詢和打印，并能提供與本船其它信息系統(tǒng)的接口；2)當(dāng)部分發(fā)電機(jī)組、電動機(jī)損壞或故障時(shí)也應(yīng)能進(jìn)行推進(jìn)作業(yè)；3)系統(tǒng)有故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)聲光報(bào)警，并給出報(bào)警信息顯示。

3 結(jié)束語

本文以船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，對電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究、硬件設(shè)計(jì)，對電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 尚安利，張達(dá)寬等. 電力推進(jìn)船舶功率管理系統(tǒng)綜述[J]. 船電技術(shù)，2011，31(10):1-5.

[2] 包艷，施偉鋒. 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的仿真[J]. 中國航海，2011，4:34-38.

[3] 張狄林. 美國綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 船電技術(shù)，2010，30(12):47-49.

[4] 蔡成濤，夏桂華. 艦船智能化損管系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[J]. 數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2012，(8):72-74.

Research on Architecture of Marine Electric Propulsion Monitoring And Controlling System

Liu Bo

（Naval Representatives Office in Wuhan Institue of Marine Electric Propulsion ,Wuhan 430064 ,China）

2014-08-16

TM921

A

1003-4862（2014）11-0033-03

劉擘(1980-), 男，工程師。研究方向：通訊工程。