船舶机舱自动化
摘 要：本论文结合电站自动化系统和主机遥控系统应用实例，依据船舶自动化系统设计经验以及沪东厂成功建造的各型船舶，就船舶机舱自动化现状、功能和特性、现行规范对自动化船舶分级及入级设计要求、主要配置的监测、报警、辅机的遥控操作和自动切换以及自动化系统的试验、验收等进行了综述；较好地总结了船舶自动化系统的设计规律，基本理顺了船舶自动化系统设计思路，可以指导今后的船舶自动化造船设计工作。并以此为基础，关注船舶电气自动化的新技术及发展方向。并进而展望未来船舶自动化发展趋势，紧跟电气自动化的发展潮流，以适应现代的船舶造船设计之需要。使我们的造船设计水平再上新台阶，并为我国建造高水平的船舶作出贡献。
关键词: 电站自动化系统 电站监控 主机遥控系统 监测报警
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一 机舱自动化发展及现状介绍：
舰艇装备武器、观导、通信系统的自动化、电子程控化是衡量舰艇现代化程度的主要尺度，而机舱自动化是当代舰船共同研发的课题。然而，由于舰船使用任务的差异，受其战术技术要求或和技术经济指标的制约，在船舶自动化设计上也会有不同的定位和取向。
舰艇机舱自动化设置的目的在于避免和防止船员判断和操作失当，贻误战机，其次为减轻船员大量重复体力消耗，进而提高其战斗力和生命力。民用船舶机舱自动化除安全可靠因素外，尤以追求船舶运行的经济性为目的。
从本世纪50年代机电设备单元(或单机)自动化在舰船上大量采用，1961年日本建成“金华山丸”号，实现机舱集中控制和驾驶室遥控主机，成为世界上第一艘自动化船。60年代中期发展无人值班机舱，出现了第二代自动化船，如1964年日本为丹麦建造的“赛灵月”号(SELEM DAM)65型油船。该船除了机舱集中控制和驾驶室遥控主机外，还有火灾探测及自动灭火装置。在机舱、驾驶室和船员居住区之间设有通信和报警装置。其后，各国船级社陆续出台了满足不同程度自动化分级的一人或无人值班机舱船舶的技术标准，从而使舰船机舱自动化纳入规范化。
1.1、机舱自动化目前配置及其主要系统：
1.主推进装置自动化系统；
2.主柴油发电机组及电站自动化系统； 3.应急柴油发电机组自动化系统； 4.艏侧向推进装置遥控系统； 5.舰船自动减摇鳍/减摇水舱系统；
6.探火、易燃易爆气体探测、浸水报警、消防灭火等损害管制系统； 7.甲板机械自动化系统；
8.冷藏、空调、通风、辅锅炉或废气热油锅炉自动化系统； 9.焚烧炉、舱底水、生活污水、油净化器等环保设备自动化系统； 10.CO2/N2气等、惰性保护气体发生器系统； 11.离子膜海水制淡系统；
12.液货/干货(横向、纵向、垂直)补给系统； 13.直升飞机支援系统； 14.燃油/滑油输送阀控系统； 15.疏水/压载阀控系统； 16.液货阀控系统；
17.全船监测报警、打印系统； 18.冷藏集装箱控制监测系统；
2 19.其它辅助系统-传令、呼叫、时钟、监护等。
以上，各系统在舰船上的配置、在船东订货技术规格书有不同约定，每一系统一经设置，就必须满足有关船级社的规范。
1.2机舱自动化设备配置及其功能特性：
机舱自动化设备各系统在舰船上的配置特性，取决于各独立系统的要求一般均在船东技术规格书和/或在船级社规范中有明确规定。现以主推进装置自动化系统为例，描述如下: 1.三级操作功能:在机旁、主机集控室、驾驶室进行应急手动控制、全自动、半自动遥控； 2.优先控制功能:机旁优先集控室、集控室优先驾驶室；
3.主要操控装置布点:机旁控制板(LOP)、主机集控台(ECC)、驾驶室控制台(WHC)、桥楼舷翼控制台(BWC)；
4.安全保护功能:应独立于控制和报警系统，以保证主推进装置连续安全运行； 5.联锁功能:主推进装置的起动控制电路一般设有如下联锁环节: (1)盘车机脱开；
(2)预润滑滑油压力不低于设定值； (3)CPP处于零位； (4)PTO离合器位置正常；
(5)安全停机、应急/正常停机信号有效；
(6)阻塞/备便开关处于备便(Ready to start)位置； (7)PLC程控器等电子器件和供电电源正常有效； (8)主机转速处于点火速度以上，完成起动过程。
6.自动跨越船舶共振区功能:当主机转速临界船舶共振点，会引起不允许的共振现象。自动系统一般设有自动跨越该共振区的保护功能；
7.越控功能:为确保舰船安全，即使主推进装置安全系统发出停机指令，在WHC上还设有“越控”按钮(overrid push button)，以便实施“弃车、保船”效能；
8.应急停机功能:在LOP、ECC、WHC等处设有“应急停机”按钮，万一当自控系统保护装置失效时，实施人工手动保护停机；
9.监测报警功能:监测、控制和安全系统监测参数越限，分为“报警”、“减速”和“停机”三级程序保护，并延伸至WHC和船员住舱等处报警；
10.报警和制表打印功能:设有报警打印机和制表打印机，军用舰船一般还设有车令打印记录装置；
11.彩色CRT或LCD显示功能:CRT(Cathode Ray Tube)彩色阴极射线管有逐渐被LCD(Liquid
3 Crystal Display)彩色液晶显示器所取代的趋势。显示方式有模拟式、光柱式、文字符号图象式、快闪/慢闪/平光闪现式；
12.指令传送功能:作为“自动控制”，“半自动控制”的应急措施。由船长在WHC发出操纵指令，ECC和/或LOP执行指令并复令给WHC，实施人工手动应急操机；
13.主机通信功能:对双机或多机双桨舰船，主推进控制系统的微机除能按照人工设定的最佳经济曲线(主机转速-可调桨螺距-输出功率)自动控制外，还设有参数通信功能，变双手柄操机为单手柄操双机或多机成为可能。简化双机或多机负荷匹配平衡过程；
14.声光组合报警器:一般在机舱设有若干个声光报警器，组合有如下报警功能； (1)主推进器自控系统报警； (2)电站辅机等系统报警； (3)通用报警(弃船逃生)；
(4)火警（探火器动作2分钟后）报警； (5)CO2灭火（人员撤离现场）报警； (6)电话(自动电话、损管电话)召唤呼口； (7)传令钟指令呼叫；
对不同系统的报警或呼叫信号，可以发出3组不同频率的声响和闪光信号,当值守人员应答后，闪光信号由快闪变慢闪，声响信号停止，报警、召唤信号消失后，光闪停比；
15.值守人员监护、呼叫装置-冷库呼救、病房医务监护呼叫、值守人员( Dead man watch alarm)监护、锚机和消防泵过载/故障报警等；
16.UPS不间断电源-按船级社配置供机舱自动化系统的不间断电源应满足断电后连续使用15分钟的要求。
二 电站自动化系统
1 船舶电站是船舶的重要组成部分，而电站自动化是船舶自动化的主要内容之一。电站运行的可靠性、经济性及自动化程度对保证船舶安全、经济航行具有重要意义。随着船舶向大型化和多功能化发展，对船舶电站提出的要求也越来越高，因而船舶电站在近几十年中有了很大的发展，其发展的突出标志是自动化。
电站自动化系统，它应包含三大部分，即安全保护系统、自动控制系统和自动监测报警记录系统。
船舶电站安全保护系统又可分为原动机安全保护和电力系统安全保护。
电力系统安全保护一般来说主要包括如下几种: (1) 过载保护
4 (2)定子绕组内部短路保护 (3)发电机外部短路保护 (4)欠压保护 (5)逆功率保护
2 在我国海军某大型导弹驱逐舰上，装有我国自己研制生产的具有国际九十年代同类产品先进水平的电站自动化系统(型号:CY88O2C)。该电站系统有两台1120kw主汽轮发电机组、两台112OkW主柴油发电机组和一台560kW停泊发电机组组成，是目前我国海军船舶中电站装机容量最大、装机台数最多并且机组配置规格最复杂的电站系统，该系统的结构和功能框图见图：
电站控制台CRTCJBW20(1)2#网节点4号汽轮机控制器3号柴油机控制器5号柴油机控制器岸电控制箱1号汽轮机控制器3号柴油机控制器5号柴油机控制器CRT打印机前电站报警电站模拟图后电站报警去损管系统CJBW20(2)2#网节点2#网节点2号汽轮机控制器4号柴油机控制器系统控制器2号汽轮机控制器4号柴油机控制器前电站后电站图2.1 电站自动化系统CY8802C型电站自动化系统的特点: 1.系统采用三级分散装置和二级控制原则设计，从而使系统控制操作界线分明、功能全面、操作简便。
2.系统采用30多台微机通过实时控制网络组成系统，构成电动自动化控制、监测、管理一体化系统，相当于国外90年代同类产品的先进水平。
3.系统需解决动态、静态特性相差很大的汽-柴发电机组的长期稳定并联运行难题。 4.首次采用星型和环型相结合的网络数据传送方式，解决了数据传送的哄谏性和可靠性问题。图2.2系统网络通信枢：
集控台5
图中：为网络控制节点为各机组/岸电/系统控制器为各机组采集器
5.采用一台微机控制一个机组，一台采集器监测一个机组，使控制、监测功能按机组纵向分配，有效地提高了系统的可靠性、可维性及通用性。
6.系统采用五种独立原则设计，即: (1)前、后电站监控系统设独立的供电装置；
(2)前、后电站监控系统中具有相互独立的网络节点，可组成各自的通讯子系统，相互不影响；
(3)一台机组有一个独立的功能完善的控制器控制，完成该机组的所有控制显示功能； (4)一台机组有一个独立的参数采集器，完成该机组的全部参数的监测； (5)系统中各单元分别采用独立的电源模块，降低了电源部分的故障率。
7.单元的硬件软件、模块化、通用化设计。系统各单元都有一通用微机模块组成，见图2.3：
8.关键单元的多重冗余设计
9.控制与管理一体化。系统采用网络化设计，信息传递灵活方便，可以与管理计算机联网，构成船舶管理中心或船舶电力损管系统。 通用微机模块各种功能I/O接口板图2.3 单元结构三 主机遥控系统
舰船机舱主机遥控系统是舰船机舱自动化的重要组成部分。在本世纪60年代以前的几十年里，船舶机舱里只有个别的或局部的机组、系统采用自动化技术，从局部自动到全面自动化经历了一段较长的岁月。随着自动化装置的设计、制造和管理各方面的日趋成熟，单项和局部的自动化逐渐增多。
1 主机遥控系统的基本形式：机械遥控系统、液压控制系统、气动遥控系统、电动遥控、气电遥控系统。
2 主机遥控系统分析：
为便于分析，现以沪东为香港机场设计建造的4999T成品油轮(嘉升、嘉宏)号的主机遥控系统为例，展开分析研究，该船主推进系统采用双机双桨设计，主机遥控系统采用瓦锡兰WICHMATIC-Ⅱ遥控系统。现对该系统的组成及控制分别介绍如下:
6 2.1 WICHMATIC-Ⅱ主机遥控系统的组成
嘉升、嘉宏采用双机双桨设计，主机型号6L20WARTSILA(200x280)，四冲程、涡轮增压中冷，燃油是以直接喷射方式进入主机。
主机转速(额定) 1000RPM 输出功率 990KW 发火顺序 顺钟向 1-5-3-6-2-4 逆钟向 1-4-2-6-3-5 控制系统采用 WICHMATIC-Ⅱ遥控系统.该系统土要由以下部分组成，见图3.1图中: (1)车钟系统；
(2)驾控台操纵显示板； (3)集控台操纵显示板； (4)机侧操纵显示板；
1 2 P S驾驶室5 SP故障自动停车指令3 P SWE-3(X)集控室机侧故障减载指令4 P S6 7 7 SPLUS-1.2(5)主控制箱； 图3.l WICHMATIC-Ⅱ主机遥控系统组成(6)机侧接线箱；
图3.1WICHMATIC-Ⅱ主机遥控系统的组成
(7)设于主机齿轮减速箱，PTO部分的有关检测传感器和执行部件,其中14个检测传感器的工况变化还通过设于执行的监测接线箱LUS-1,2,它是机舱监测系统WE-300的个组成成分，以便对主机的正常运行进行监视。
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2.2主机操纵部位的选用切换
操纵地点，选用切换的指令信号，是由各处的按钮通过输入接口(VMIO)插件NO.5送入微机，其相应的声、光联系信号是由输出接口(VMIO)NO.6由操纵地点发送的。
WM-Ⅱ遥控系统对WARTSILA主机转速、离合器及推进器螺距的操调，可以分别在机侧，集控室和驾驶室三处进行，操纵地点依据①“驾驶室-集控室”之间②应急情况下操纵地点的优先切换WM-Ⅱ对机侧、集控室、驾驶室三个操纵地点,两种规律进行选用切换。 2.3主推进系统的控制
嘉升、嘉宏主推进系统采用的是双机双浆设计，不论在驾驶室、集控室或是在机侧进行操纵都必须对以下三个环节解决好控制问题，即: — 主机的启动、停止和转速控制； — 离合器的啮合和脱开操纵； — 螺距的操调控制。
2.4 主机启动、停车和安全保护的PLC控制
WICHMANN.PLC可编程控制器是WICHMATIC-Ⅱ系统的重要组成部分，它被安排在主控制箱的下部，担负着主机启动/停机/安全保护的功能，此外，还涉及到液压离合器脱开/啮合的控制、液压离合器和气胎离合器(PTO)之间的联锁及以上相关按钮、灯光显示的逻辑判断和信息传递，这个系统被证明具有尺寸小、易于修改参数、可靠性高的特点。
可编程控制器要求提供(24±10%)伏直流电源，环境温度应控制在(0-55℃)范围内，从而保证控制线路能正常工作。PLC的核心是一个微型计算机，并拥有诸如:EEPROM、I/O及其扩展等重要部件，其中EEPR可通过专用的程序装入设备来实现变编程工作，根据NPN、PNP晶体管输入信号的不同特点，I/O选用了两种各种不同的接口部件，所有输入/输出单元，只要输入/输出的信号有效，对应的发光二极管都会有显示变化，如果系统出现反常情况，可以观察这些二极管是否有显示变化，将有助于查找和判定故障，与PLC相应的输入/输出信号与输入/输出接口之间的具体安排。 2.5 螺距控制
遥控操调是通过电、液和机械传动的协调作用来进行的，对于单机来讲螺距控制的有关组
8 驾控台螺距指令+15VVMIONO.5螺距%数字显示应急操作螺距的备用设备1k251液压+机械传动控制器1k252+15VVMIONO.5接口-15V接口-15V-15V+15V微机部分集控室螺距指令螺距检测成情况涉及到以下各部分，见图3.2所示 图3.2 螺距控制关系图3.2螺距控制关系
1.螺距指令发送
在驾、集两处操纵地点的选用己被确定的情况下，螺距指令是由操纵台上的正车、倒车指令电位器发出的，然后通过VMIO NO.5接口送到微机部分；
—驾驶室用螺距操纵手柄，经齿轮传动，带动指令电位器； —集控室用螺距旋钮带动指令电位器来发送指令； 2.微机处理
在微机部分，有关螺距的操调首先是把送来的指令信号和反映实际螺距的反馈信号都变成数字量，然后把两者进行比较，从而判断螺距是否需要操调，螺距操调是按照预先编好的程序，依设定的特性曲线来进行的，如图3.3所示，可以看出:螺距变化速率与荷的大小是密切相关的，螺距的变化率是主机负荷的函数；
—在低负荷区内，螺距操调的速度要快些
—超过某一设定点以后，操调速度将随着负荷加大而降下来；
速度和中间点都是预先运用螺距参数选用菜单来进行设定的。在微机处理过程中，从总的%螺距/秒最高速度超负荷最低速度9
中间点100%负荷方面来看，螺距的操调还会受到负荷的影响，如果主机进入超负荷运行状态，那么螺距将会自动降得低一点，使主机很快从超负荷中解脱出来，如果安全保护系统发来故障减载指令，那么
图3.3主机负荷特性曲线
图中:最高速度，最低
驾控台螺距指令显示器超负荷控制器执行机构接口螺距检测接口集控台螺距指令接口超负荷情况下的减载指令螺距指示故障降速指令
接口负荷将自动按设定了的减载量，把螺距降下来，见螺距应急操纵切换图
所示。
此外，在信息处理过程中，螺距若在零位±5%范围内，系统就定义为“零螺距”，螺距操调过程不仅具有PID调节规律，而且在实际值接近要求时，还会自动切换成界限控制速度，以期响应快、稳定的操调，不容易出现超负荷和超调的现象；
3.执行机构
如图3.4所示，不论是遥控系统发来的操调指令，还是应急操纵设备给出的操调指令，都可以通过输出接口使执行机构出现操调动作，这里的接口就是把指令信号变成执行机构可以有所动作的变换环节，这涉及到电磁控制阀的控制、液压油路的变化，再通过机械传动使推进器的桨叶得到操调，直到满足指令要求为止；
4.螺距检测及螺距指示
执行机构在动作过程中，由机械传动牵拉反馈电位器的活动触点，再通过VMIO NO.5 接口把反馈信号送到微机部分；螺距指示信息输出被分成两路，一路引向集控室操纵台 上的数字显示屏幕，给出螺距%显示，另一路即使在微机不起作用的情况下，仍然可以由一个专用回路使驾、集两处指示表给出正、倒车螺距指示；
5.应急操纵螺距的备用设备
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图3.4 螺距控制关系图在集控台上设有应急操纵螺距用的备用设备，其指令具有开关量的特点，具有独立 的电源，而且不通过推进器控制系统，见螺距应急操纵切换图
所示，其执行机构与常规控制是一样的，一旦出现微机有故障、反馈信号有异常等情况 ，遥控系统己不能继续发挥作用，这时系统将自动切换成应急操纵，同时给出声光报警信号。此外也可以由值班人员主动要求使用该应急操纵设备。在这种情况下，通过手操应急操纵手柄的前推、后拉以发出正车、倒车指令；
6.联合操调
所谓联合操调就是由驾驶室操纵手柄可以同时对螺距和转速进行操纵的一种综合操纵手段。前面已提到:首先必须通过选用联合操纵按钮，向微机发出一个要求进行联合操调的指令，使系统能够起用联合操调程序，每对应一个手柄操纵位置，就对应有一个转速和一个螺距%，其之所以要这种操纵方式，最主要的是从船舶航行的最经济角度来考虑的，每一条曲线都是预先设定好的，最多可以由约11个点来描述所对应的曲线。
在主机起到成功以后，就可以通过驾、集控室系统来操调主机的转速下图所示，转速控制涉及到①.转速指令的发送②.转速检测③.微机处理④.电/气转换，调速器和油门开度控制四个组成部分。 2.6负荷控制
船舶在航行过程中，推进器负荷的变化是经常发生的，尤其在航行条件较差的情况下，更容易出现负荷波动，甚至会造成超负荷，负荷控制主要从总的能量角度来对这种变化进行监视，并设法防止发生超负荷。系统把转速检测以及油门开度监测这两个信息参数都通过VMIO ON.5接口送到微机部分，其结果可以形成主机运行状态的轨迹，它描述了主机实际负荷的持续变化情况，如图3.4所示，系统就把这个实际变化的轨迹用预先设定好的主机负荷特性曲线进行比较，不同类型的主机，其负荷特性曲线是不一样的，由于考虑到螺距与负荷之间的密切关系，如果出现过量的负荷变化，即判定大于或小于负荷特性曲线，或者负荷变化率过于剧烈，系统就自动地用减小或加大螺距的办法，使实际运行轨迹贴近这个设定的特性曲线，以便得到最佳的运行效果.负荷情况可以由微机进行运算再通过显示器给出负荷%的数字显示，如果出现超负荷，负荷控制系统将通过控制接点及VMIO NO.7接口，使各操纵地点都给出“超负荷”的灯光显示。
油门开度驾 超负荷指示灯接口 负荷%>100%接口VMIO NO.7集 超负荷指示灯机侧 超负荷指示灯转速RPM接口微机部分11 接口数字显示器
图3.4主机负荷变化原理框
四 自动化船舶发展趋势展望
自动化船舶从单机自动化、无人值班机舱、进入一人桥楼驾驶，今后的发展趋势如何?相信随着通信一遥控技术、全智能随机实时处理技术、航行空间精确定位技术的发展而更加先进。随着计算机技术的高度发展，带动了该技术在舰船上的日益发展和广泛运用。展望21世纪舰船自动化技术，将不断向全船综合自动化这个高层次阶段发展。舰船综合自动化是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。该系统通常有两个工作母站、分若干个工作分站组成。通常一个工作母站设在机舱集控室，另一个设在驾驶室。两个工作母站完全独立，可同时或单独操作，并互为备用。分控制系统将根据舰船的种类和自动化的程度而定，如主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵浦控制、液位遥测和压载控制、冷藏集装箱监控、自动导航等。所有工作母站和分控制系统采用高速传输技术组成一个综合网络系统，在网络上根据需要连接一定数量的工作分站，以达到在舰船重要部位对各设备进行监测、控制和操作等目的。同时，其工作分站可作为一个窗口，与舰船对外通信设备联网，借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段，执行岸与船、船与船之间对话，进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动，从而最大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。目前德国西门子公司，挪威挪康公司、丹麦约克船舶冷冻公司等国际著名的船电产品制造厂已有较成熟的技术和相应的配套产品，并已实际应用于各类船舶。我们深信，在21世纪将会有越来越多的新建船舶配套综合自动化系统在实现了遥控无人飞机，“阿波罗”登月，火星探测计划的时一代，三维空间自动航行技术日趋完善的今天，全自动无人驾驶船舶并不遥远。着眼于环境安全、经济效用，人们对全自动无人驾驶船舶的态度，现在仅是“有为而不为”。当全球消除了各种紧张因素，无人驾驶船舶才会自由地扬帆航行于“地球村”。
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