王福利，郭力峰

（1. 上海交通大學(xué)，上海 200030；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108）

電氣與自動(dòng)化

電機(jī)集中管理系統(tǒng)在船舶上的設(shè)計(jì)應(yīng)用

王福利1,2，郭力峰2

（1. 上海交通大學(xué)，上海 200030；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108）

結(jié)合一種基于CAN總線技術(shù)的全船電機(jī)監(jiān)控設(shè)備，設(shè)計(jì)一套船舶電機(jī)集中管理系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的設(shè)備組成、功能實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)等，為傳統(tǒng)的船舶平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種與以往不同的方法。

船舶；電機(jī)；CAN；集中管理

0 引 言

隨著現(xiàn)代船舶在電氣化、自動(dòng)化領(lǐng)域快速發(fā)展，電機(jī)設(shè)備在各系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，船舶電機(jī)的控制除了成套設(shè)備自帶控制系統(tǒng)以外，大多采用單獨(dú)配置啟動(dòng)裝置的方式進(jìn)行監(jiān)測、控制及保護(hù)。在日常使用維護(hù)和管理中，由于電機(jī)設(shè)備及其啟動(dòng)裝置布置分散，若不具備統(tǒng)一管理功能，則需船員在實(shí)際操作使用中付出較大的勞動(dòng)。

目前，民用船舶設(shè)計(jì)廣泛采用全船平臺(tái)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將船舶平臺(tái)歸為一個(gè)系統(tǒng)整體，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測和集中管理，對(duì)船舶平臺(tái)運(yùn)行功能平穩(wěn)、人員實(shí)時(shí)性介入控制要求不高的船舶（如遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船等）較為適用。對(duì)于一些特殊船舶（如海洋執(zhí)法船），其在運(yùn)行過程中會(huì)面對(duì)各種復(fù)雜工況，采用與一般船舶類似的平臺(tái)管理系統(tǒng)不足以針對(duì)各種需求作出實(shí)時(shí)反應(yīng)，需值班人員在相應(yīng)位置處迅速介入管理。在這種情況下，可通過對(duì)涉及船舶安全的防火、滅火、抑爆及通風(fēng)機(jī)、供油泵等系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息互聯(lián)與控制，以保障船舶安全為目的，以監(jiān)測及控制全船電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為手段，構(gòu)建全船電機(jī)集中管理系統(tǒng)，以船舶平臺(tái)管理系統(tǒng)分系統(tǒng)的形式進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)控，這既能保證全船日常的統(tǒng)一管理，又可在復(fù)雜工況下控制人員有針對(duì)性地實(shí)時(shí)介入。

1 電機(jī)集中管理系統(tǒng)

船舶電機(jī)集中管理系統(tǒng)是一種基于工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線微處理的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)按照分散控制、集中管理的設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中啟動(dòng)器直接控制的一級(jí)管理模式附加高一級(jí)的管理設(shè)備，形成二級(jí)管理系統(tǒng)，向原啟動(dòng)器內(nèi)植入微處理器采集控制模塊，并通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，將所有信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并在具有控制功能的集中管理設(shè)備上進(jìn)行顯示和控制。

電機(jī)集中管理系統(tǒng)主要由集中管理設(shè)備和智能啟動(dòng)器等設(shè)備組成（見圖1），具有較完善的用戶自定義功能。用戶可針對(duì)不同的負(fù)載設(shè)定電機(jī)的各種保護(hù)參數(shù)，在控制上設(shè)定電機(jī)的順序啟動(dòng)，分類、分組啟動(dòng)及間隔時(shí)間，并實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的狀態(tài)信息，對(duì)重要信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖1 電機(jī)集中管理系統(tǒng)設(shè)備組成

在應(yīng)用中，由電機(jī)集中管理設(shè)備對(duì)電機(jī)集中管理系統(tǒng)內(nèi)各電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中顯示和管理，給管理人員帶來極大的便利。同時(shí)，可利用該系統(tǒng)的外部通信接口與其他系統(tǒng)建立信息交互[3]，從而擴(kuò)展管理功能，并向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)送其需要的電機(jī)控制決策信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)組成

在某船舶中，獨(dú)立配置啟動(dòng)器的電機(jī)類負(fù)載主要有風(fēng)機(jī)和泵類，包括機(jī)艙通風(fēng)機(jī)、艙室離心風(fēng)機(jī)、油泵及水泵等，這些設(shè)備大多與船舶本身的消防系統(tǒng)有關(guān)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，確認(rèn)火情后可通過遙切按鈕將機(jī)艙通風(fēng)、油泵或全船通風(fēng)機(jī)的供電切斷，以減緩火情蔓延、增強(qiáng)滅火效果。這種設(shè)計(jì)會(huì)在全船通風(fēng)區(qū)域劃分和CO2（或其他滅火劑）滅火艙室較多的情況下使無關(guān)通風(fēng)區(qū)域受到影響，增加遙切系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。同時(shí)，在CO2（或其他滅火劑）系統(tǒng)無法獲知實(shí)際遙切效果的情況下，該系統(tǒng)的滅火效果可能會(huì)因通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行而大幅降低。

在該船的設(shè)計(jì)中，以電機(jī)集中管理系統(tǒng)的基本功能為依托，通過擴(kuò)展功能接口，以總線通信的方式實(shí)現(xiàn)與火警探測系統(tǒng)控制主機(jī)、CO2滅火系統(tǒng)主機(jī)及主配電板等裝置的通信[4-5]。在電機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)劃分中，為減少電纜敷設(shè)長度，根據(jù)總布置情況設(shè)置2個(gè)網(wǎng)絡(luò)，電機(jī)集中管理系統(tǒng)原理網(wǎng)絡(luò)圖見圖2。

圖2 電機(jī)集中管理系統(tǒng)原理網(wǎng)絡(luò)圖

該船的電機(jī)集中管理系統(tǒng)包含1臺(tái)嵌入式電機(jī)集中管理設(shè)備、2屏電機(jī)組合啟動(dòng)屏、5臺(tái)通風(fēng)啟動(dòng)箱及若干獨(dú)立智能啟動(dòng)器，管理范圍包括機(jī)艙通風(fēng)機(jī)、油泵、冷卻海水泵、消防水泵、壓載泵及全船離心通風(fēng)機(jī)等。主要電機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)備分布見表1。

表1 主要電機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)備分布

該船的消防系統(tǒng)主要有水消防系統(tǒng)、CO2滅火系統(tǒng)、水成膜泡沫滅火和固定式水基滅火系統(tǒng)（細(xì)水霧滅火），其中CO2滅火系統(tǒng)保護(hù)的范圍包括機(jī)艙、油料儲(chǔ)存間及航空加油站，在施放前需確認(rèn)通風(fēng)機(jī)是否已停止工作。

該船的火災(zāi)探測系統(tǒng)采用帶有地址編碼的智能型火災(zāi)探測器，能識(shí)別各監(jiān)測艙室的信息，通過對(duì)全船監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，確保與通風(fēng)系統(tǒng)劃分相對(duì)應(yīng)。電機(jī)集中管理系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)和油泵按同樣區(qū)域劃分分組，實(shí)施區(qū)域化啟?？刂?。電機(jī)分組及對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 電機(jī)分組及對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 系統(tǒng)功能

該船的電機(jī)集中管理系統(tǒng)管理的電機(jī)主要有風(fēng)機(jī)、油泵及水泵等，能對(duì)每個(gè)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)參數(shù)設(shè)定、區(qū)域化管理和在線監(jiān)測等，同時(shí)與火警探測系統(tǒng)主機(jī)、CO2滅火系統(tǒng)主機(jī)及損管監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，根據(jù)不同的信息類型實(shí)時(shí)聯(lián)鎖提示操作。

3.1 基本參數(shù)設(shè)定

傳統(tǒng)的電機(jī)控制設(shè)備通常采用在電源線路中接入帶有電磁脫扣單元的塑殼式斷路器配合熱磁繼電器的方法，基本能實(shí)現(xiàn)電機(jī)短路保護(hù)和過載保護(hù)，但這種電子元器件本身存在一定的動(dòng)作誤差，且在人為整定過程中精準(zhǔn)度較差。

電機(jī)集中管理系統(tǒng)采用穿芯式電流互感器采集電機(jī)的運(yùn)行電流，對(duì)電機(jī)提供過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)及不平衡保護(hù)等多種完善的保護(hù)功能，可根據(jù)不同的負(fù)載特性設(shè)置不同的保護(hù)特性曲線。過載保護(hù)基于電機(jī)熱保護(hù)的反時(shí)限特性算法模型，相比傳統(tǒng)的熱繼電器，保護(hù)更精確可靠。在控制策略上，既可對(duì)每個(gè)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，也可設(shè)定電機(jī)的啟動(dòng)順序，分類、分組啟動(dòng)及其間隔時(shí)間，并實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的輸入電流、運(yùn)行狀態(tài)等信息，對(duì)重要信息進(jìn)行存儲(chǔ)。電機(jī)保護(hù)參數(shù)設(shè)定和分區(qū)模擬監(jiān)控分別見圖3及圖4。

圖3 電機(jī)保護(hù)參數(shù)設(shè)定

圖4 分區(qū)模擬監(jiān)控

3.2 分區(qū)域啟?？刂?/h3>

在某些特定的環(huán)境下，需對(duì)船舶某區(qū)域內(nèi)的電機(jī)設(shè)備執(zhí)行全部停止或遙控啟動(dòng)操作。例如，《中國海警艦艇入級(jí)規(guī)范》[6]中有關(guān)損害管制功能的明確要求，即“設(shè)有遙控關(guān)閉主機(jī)艙、鍋爐艙、輔機(jī)艙、直升機(jī)機(jī)庫的機(jī)械通風(fēng)機(jī)及燃油泵與燃油速關(guān)閥的設(shè)施,還應(yīng)設(shè)有這些風(fēng)機(jī)、泵的運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。通風(fēng)機(jī)、燃油泵、燃油速關(guān)閥亦可分區(qū)遙控啟閉”。由此可知，通過切斷設(shè)備的供電電源實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和油泵關(guān)閉功能的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)較難實(shí)現(xiàn)“分區(qū)遙控啟閉”功能，而電機(jī)集中管理設(shè)備的分區(qū)控制功能則能很好地實(shí)現(xiàn)該功能。

例如，當(dāng)全船某處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火警控制主機(jī)將火警所屬區(qū)域的信息發(fā)送給電機(jī)集中管理設(shè)備，電機(jī)集中管理設(shè)備自動(dòng)切換到該區(qū)域的分區(qū)風(fēng)機(jī)停止詢問界面并發(fā)出音響報(bào)警提示，操作人員確認(rèn)后即可停止該區(qū)域內(nèi)所有的通風(fēng)或油泵設(shè)備，在保證切斷失火區(qū)域通風(fēng)或油泵設(shè)備的同時(shí)，降低火災(zāi)的影響范圍。電機(jī)設(shè)備分區(qū)域順序啟動(dòng)可大幅度降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證電網(wǎng)品質(zhì)不受疊加沖擊電流的影響，如在集中管理設(shè)備上實(shí)現(xiàn)全船風(fēng)機(jī)設(shè)備的啟動(dòng)控制等。電機(jī)分區(qū)停止和分區(qū)啟動(dòng)分別見圖5及圖6。

圖5 電機(jī)分區(qū)停止

圖6 電機(jī)分區(qū)啟動(dòng)

3.3 聯(lián)鎖控制

電機(jī)集中管理系統(tǒng)與損害管制監(jiān)控系統(tǒng)及CO2滅火系統(tǒng)均建立數(shù)據(jù)交互，當(dāng)損管系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)、油泵的遙切控制或滅火系統(tǒng)施放時(shí)，電機(jī)集中管理系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出相應(yīng)電機(jī)的停止指令，從而實(shí)現(xiàn)該電機(jī)在控制設(shè)備和電源上的雙重停止。

4 結(jié) 語

電機(jī)集中管理系統(tǒng)具有較完善的電機(jī)控制和監(jiān)測功能，以分散控制、集中管理為特點(diǎn)，既可根據(jù)不同電機(jī)的負(fù)載特性設(shè)定保護(hù)參數(shù)，也可根據(jù)實(shí)際使用需求對(duì)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行分類和分區(qū)控制。同時(shí)，其具有豐富的可擴(kuò)展接口，能與船舶其他系統(tǒng)或設(shè)備形成很好的信息交互，執(zhí)行對(duì)方發(fā)送的必要指令，發(fā)送電機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)信息等，形成一套獨(dú)立的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常在全船平臺(tái)管理系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一管理，在應(yīng)急狀況下將涉及船舶安全的火災(zāi)探測、艙室滅火和風(fēng)油遙切控制獨(dú)立管理，提升船舶應(yīng)急狀態(tài)下的針對(duì)性管理，為傳統(tǒng)的船舶平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種不同的方法，具有較高的實(shí)際使用價(jià)值。

[1] 楊東升，張偉，吳宏，等. 基于現(xiàn)場總線和微處理技術(shù)的船舶電機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 造船技術(shù)，2010 (6): 40-41.

[2] 侯馨光. 現(xiàn)場總線技術(shù)與船舶自動(dòng)化[J]. 上海造船，1998 (2): 54-57.

[3] 湯天浩. 船舶智能化信息系統(tǒng)的探討[J]. 上海造船，2007 (3): 29-31.

[4] 嚴(yán)凡，郭小松，張燕琴. 船舶閥門遙控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)踐[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (2): 45-48.

[5] 馬東旭，王海燕，王兆強(qiáng). CAN總線技術(shù)在船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 造船技術(shù)，2011 (2): 53-56.

[6] 中國船級(jí)社. 中國海警艦艇入級(jí)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2011.

Design and Application of Centralized Motor Management System on Ships

WANG Fu-li，GUO Li-feng

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China;2. China Ship Development and Design Center, Shanghai 201108, China)

A centralized motor management system is designed for the ship motor monitoring equipment based on CAN bus technology. This paper introduces the composition, the functions and the characteristics of the system in order to provide a distinctive method for the conventional ship platform management system.

ship; motor; CAN; centralized management system

U665.11

A

2095-4069 (2017) 05-0068-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.013

2016-11-25

王福利，男，工程師，1981年生。2005年畢業(yè)于東華大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事船舶電氣專業(yè)技術(shù)方面的工作。