毕业论文《关于船舶电气自动化发展趋势的探究》道浅谈船舶电气自动化发展趋势班级:轮机工程(2)班内容提要 :随着科学技术的发展，船舶机舱从有人值守到自动化机舱的经历了几十年的发展过程。船舶电气自动化是实现机舱自动化、进而实现无人值班机舱的必要条件。本文就与船舶安全和性能关系较大、技术进步较快和具有发展前景的船舶电气自动化及船舶电站自动化基本功能进行简要概述针对当前船舶电气自动化技术及自动化电站系统的发展现状，论述了船舶电气自动化发展的趋势(包括系统监控的综合化、网络化)并做出了船舶电气自动化领域的展望。关键词:船舶电气、自动化、发展趋势1.船舶电气自动化概述及船舶电站自动化基本功能 1.1.船舶电气自动化概述船舶电气自动化指的是船舶电站的自动化，其伴随着通信技术、控制技术以及微处理术而不断发展。电子技术的突飞猛进、集成电路的投入使用以及计算机网络的快速发展，这些良好的技术条件促使船舶电站控制得到了前所未有的新突破。时间推进到 2l世纪，制造业、通讯技术以及计算机辅助设计的逐步成熟，船舶的机舱管理以及货物装卸等多方面都在充分地运用计算机技术。其工作分站能够通过通信卫星与国际互联网进行互联，促进了船与船之问、岸与船之问的有机联系，加强了相互之间的对话，极大地促了信息的交流、咨询、设备的维护、资料备件的查询、船舶的管理以及资料的查阅等一系列业务活动，从而充分地提高了船舶航行的经济型、安全性与可靠性，为航运事业的良好发展奠定了强大的技术基础。 l 1.2.船舶电站自动化基本功能 1.发电机组依据电站运行情况和实际负荷需要，按预定的顺序自动起动备用机组并能自动投入、自动停机; 2.故障状态下自动解列、停机的控制; 3.发电机组之间的自动并车、电压及无功功率的自动调节、并联运行中功率的自动分配、转移与电网频率的自动调整，重载询问投入大负载时的自动询问装置; 4.船舶电站的综合保护(包括发电机组机电故障的自动处理与报警); 5.运行状态显示及故障
监视(包括全船断电欠频监视)，系统给定参数的监视与修改。2.船舶电气自动化技术及自动化电站系统发展现状 2.1.船舶电气自动化技术由于计算机与通信技术日益成熟，在驾驶、机舱管理和装货等方面实现了全盘计算机控制。展望 21 世纪，船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展。船舶综合自动化，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。该系统通常由两个工作母站、若干个分控制系统及若干个工作分站组成，通常一个工作母站设在机舱控制室，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。分控制系统将根据船舶种类和自动化程度而定，如主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵阀控制、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，以达到在船舶重要部位对各设备进行监测和操纵等目的。同时，其工作分站可以作为一个窗口，与船舶对外通信设备联网，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 l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、丹麦约克船舶公司等国际著名的船电产品制造商已有较成熟的技术和相应的配套产品，并己实际应用于各类船舶。最新的船舶自动化设备技术的发展趋势是将程序控制分为小型的智能单位，就地操纵。如西门子公司的 SIMOS IMAC 55 就是这样分片操作、具有开放式的有监测报警和故障诊断控制的系统，它控制和
监测无人机舱管理中所有重要的方面，如监测和报警、动力管理、燃油系统、压舱系统等的泵和阀的控制，燃油消耗记录，舱内液面监测和油、水量计算，货物控制和监测，安全功能及保养功能。SIMOS IMAC 55(德国 Siemens 公司的 SIMOS IMAC55 是一个全开放的模块化分布式网络型监视、控制和报警系统，其系统的构
建均采用了工业际准组件，各个功能模块通过网线与设在不同位置的操作站一起形成一个船舶计算机网络)有整列的接口，可使资料与其它电脑或控制系统交换。卫星通信系统通过卫星联网，具有多路终端的能力，可改进船舶管理。21世纪将会
有越来越多的新建船舶配套船舶综合自动化系统，用计算机进行全船智能管理，其运行可靠，能预先检测故障，确定预防保养和维修，保证安全、经济地操作。 2.2.自动化电站系统从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制、集中式自动控制和集散式自动化系统几个过程。单元自动化装置方面，自动并车装置，自动并车解列、自动负荷分配装置及 AVR 自动调压器等均已达到极高的可靠程度。在单元器件自动化基础上，将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站自动化系统。八十年代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶电站自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统便于集中控制，但故障的查找及维修较困难。分散控制对设备模块分散控制，提高了系统的可靠性和可维护性，但与无人机舱集中管理的要求有一定矛盾。目前船舶电站自动化正朝着集散型自动化系统方向发展。它结合了集中和分散的优点，克服了各自的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大学，德国的汉堡大学等都进行了卓有成效的研究。自动化系统在国内外船舶中的应用也逐年增多，它的技术指标、可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制系统的出现，使电站自动化开始进入了一个全新时代。 l3.船舶电气自动化系统发展的趋势 3.1.系统监控的综合化由于电气设备已经日趋通用化、模块化、系列化，可以做到组态灵活;计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。当然，根据需求不同仍旧存在着先进程度不同和性能要求不同的船舶，但是单机单控的系统必将逐步向综合监控的系统过渡。因为采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。列举几个不同类型综合化监控系统的情况系统名称综合自动化综合通信系统综合后勤
支持系统船内通信:自动电结构管理:岗位结构话，声力电话等;广管理、财务管理、审播通信:全船广播，计管理;维修保养计扬声通信，集中管理划管理:维修保养制通信;报警通信:全度、维修文件及标主机遥控、机舱监测船通用报警，机舱组准、维修保养计划、报警电站管理、辅机综合监控或管理内合报警，火灾探测报实施细则等;供货及监控、压载控制、航容警。呼叫系统:无线备件管理:全船设行自动化、装载自动电，电视;其它:数备、零件及备件的配化、损管监控。字终端，电视摄像，置与管理;数据库: 子母钟，旅客信息系结构管理、维修计统，娱乐系统等。划、零备件配置、可靠性数据库;日常后勤管理。综合后勤支持系统应用被称为软调科变分散、独立布置为减少人力资源，使复学的管理科学，在制功能齐全，操作使用杂的系统能简单安度上和物质上保证目的与效果方便的集中监控，可全运行，紧急情况时对装船设备进行定以满足各类船舶的可缩短行动的时间。时的维修保养，提高不同需求。了设备的可靠性，保障了航行的安全。 l 3.2.系统的网络化进入 20 世纪 90 年代后，随着现场总线技术
的不断完善，在新造船舶中，越来越多地采用现场总线作为各个子系统的内部控制网网络，上层网络采用局域网，形成全分布式的网络型监控系统。当前，数字化技术和总线技术应用已经相当成熟。现场总线是一种互联现场设备(或模块)与控制系统之间的双向数字通信网络。通常采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网，如:推进系统、管道系统、电力监控系统等独立子网。通过系统的网络化，功能上集各子系统之众，从可靠性出发又是一个分布式系统;在数据采集和控制平台上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作;采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强;具有图像控制功能，人机界面和对
话效果良好。这里就以 KONGSBERG 公司的 DataChief(简称 DC C20)系统为例简单地介绍网络型监控系统的结构和功能特点。 DC C20 的结构组成:DC C20 采用CANController Area Network现场总线和以太网(Ethernet)相结合的网络结构形式，
DPU):DPU(Distributed 系统的结构组成及其布局如下图所示。 l 分布式处理单元(
Processing Unit)是采用模块化设计、具有通信功能的智能化远程 I/O 单
元，如图中 RDi-32、RDi-16、RAo-16、RAo-8 等分布在机舱各处，一方面作为传感器和执行器的 I/O 接口，直接与传感器和执行器相连，另一方面通过 CAN 总线与上层网络相连，从而实现上层网络对机舱设备的监视和控制。连接 DPU 和上层网络的
采用双冗余结构，即具有两套 CAN 总线，这两套 CAN 总线总是互为CAN 总线热备份，当主用网络出现故障时，备用网络自动切入工作，充分保证系统工作的可靠性。远程操作站(ROS)(Remote Operator Station):由 PC 机、操作控制面板 OCP(或普通 PC 机键盘)、鼠标、显示屏和打印机组成，PC 机采用 Windows NT 或 WindowsXP 操作系统。ROS 通常设置在集控室、驾驶室和甲板舱室，常见的配置是集控室 2 台，驾驶室和轮机长房间各 1 台。其中，集控室的 2 台是必备的，其他场所为可选安装。各ROS 均配置双网卡，形成双冗余的 Ethernet 网络(Ethernet 1 和 Ethernet 2)。集控室的 2 台 ROS 还兼有系统网关 SGW(System Gate Way)的功能(不同网络类型及不同网 l段之间需要有一个专门设施来转换网
络之间不同的通信协议或在不同数据格式之间进行数据翻译，这一设施称为网关)，使得局域网中的各个 ROS 能够通过系统网关 SGW 与CAN 总线相连。ROS 一方面可以接受各个 DPU 单元送出的机舱现场信息，另一方面还能向 DPU 发送操作指令、控制参数和程序包(加载)。值班呼叫系统(WCS):按照无人机舱的基本设计
原则在驾驶室和轮机员舱室及公共场所设有延伸报警装置。驾驶室的延伸报警装置称为 WBU，而舱室及公共场所的延伸报警装置则称为 WCU。WBU 和 WCU 通过 CAN 总线(CAN Bus 3)与 ROS 进行通信连接，形成值班呼叫系统 WCS(Watch Calling System)。其他辅助设备:系统中的其他辅助设备包括不间断电源、 (UPS) 以太网集线器(HUB)、现场操作站(Local Operator Station，简称 LOS)和便携式操作站(Midi OperatorStation，简称 MOS)。UPS 确保在短时间失电的情况下能够继续给系统中提供 220V AC和 24V DC 电源。HUB 用于以太网内各个 ROS 联网。LOS 用于在机舱现场对各个 DPU 模块在进行操作， LOS 面板上可以选择和访问挂在同一 CAN 总线上的任意 DPU，例如查看 DPU中的过程变量、对所辖设备的现场操作、参数调整和模块自检操作等。MOS 是一
个特殊设计的移动式操作站，通过 MOS 面板可以方便地实现各种操作站功能，可用作 LOS、ROS或驾驶台值班监视系统的显示单元。DC C20 是一个全微机的分布式网络型监控系统，其结构在最大程度上保证了系统的安全可靠和管理维护上的方便。网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率是显而易见的。它有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。4.船舶电气自动化领域展望机电一体化使学科互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解，人工智能和模糊技术的应用使船舶电气自动化领域将更加宽广，必将会对造船和航运业带来重大变革。新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，将会取得突破性的进展，船舶设备将会进一步向高可靠、节能型方向发展，将会对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革;可编程序控制器和单片 l机将逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控系统?分散型微机监控系统?集散型分布式多级、多微机监控系统?网络型智能式计算机监控系统。而这些技术的发展会使
船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接
全船自动化领域延伸得更深入。随着船舶电气化程度的提高，作为传输信息交流、
和能量的电缆品种会增多，纵横交叉、结构复杂，对船用电缆的要求愈来愈高。船舶电缆的安全可靠性，对船舶航行和安全有着重大影响，世界各国对舰船电缆的阻燃防火性能和安全等方面的要求将不断提高。进入新世纪，电缆制造新工艺和新材料的应用将可能有重大突破，如利用高能高压电子加速器对电缆绝缘进行辐照，可以提高电缆的耐温性、阻燃防火性和机械强度，大大延长电缆的寿命。出于经济性和可靠性的考虑，在今后 l0-20 年左右，柴油发动机作为船舶原动机具有无可争议的地位。然而，石油面临枯竭，环境污染、生态受到破坏，使柴油发动机的地位受到了冲击。人们有可能通过技术上的突破而获得绿色能源。如太阳能、氢、燃料电池、超导电磁推进等等，但进入船舶实际应用还需要进行大量的研究和试验，要有一个相当长的时间，且初始投资高昂。这些领域也需要积极的探索和开发。5.总结自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。纵观自动化发展的历程，从1768 年瓦特发明蒸汽机，人类开始进入了使用机器的时代。其借助于离心调速装置而使其本身的转速保持稳定。这种离心调速装置就是世界上最早的自动化机器。
20 世纪 40 年代，通过美国数学家维纳等人的努力，在自动调节、计算机、通信技术、仿生学以及其他科学互相渗透的基础上，产生了控制论。这一理论对自动化技术有着深远影响。维纳提出的反馈控制原理，至今仍然是控制理论中的一条重要规律。 20 世纪 60 年代，随着复杂的工业生产过程、航空及航天技术、社会经济系统等领域的进步使自动控制理论得以迅速发展，自动化技术水平大大提高。两个
显著进展是数 l字计算机得到广泛应用以及现代控制理论的诞生。到了 21 世纪，自动化技术进入了计算机自动设计(英文:Computer-Automated Design，CAutoD)的年代。近些年，随着经济的发展，我国电气行业的自动化水平在一定程度上有着巨大的提升，尤其是在我国加入世贸组织以后，电气自动化行业不仅发生了质的转变，并在其他领域得到了广泛的应用。电气自动化是研究与电子工程相关的自动控制、实验分析、电力
电子技术，信息处理、系统运行、研制开发以及电子计算机等领域的一门科学。随着我国船舶工业的电气自动化程度、性能和技术水平已有了很大程度的提高，不少设备通过引进、消化、吸收国外先进技术，亦已达到了国际先进水平。随着我国科技竞争力的提高，船舶自动化技术势必有不少新的突破。船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展，船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等一体的多功能综合系统，该系统通常由两个工作母站、若干个分控制系统及若干个工作分站组成，通常一个工作母站设在机舱控制室，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。分控制系统将根据船舶种类和自动化程度而定，如主机遥控、机舱检测报警、电站管理、泵阀控制、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，以达到在船舶重要部位对各设备进行监测和操纵等目的。同时，其工作分站可以作为一个窗口，与船舶对外通信设备联网，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，从而最大程度提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。 21 世纪将会有越来越多的新建船舶配套船舶综合自动化系统，用计算机进行全船智能管理，保证安全、经济地操作。船舶电气自动化系统发展的趋势，系统监控的综合化由于电气设备已经
日趋通用化、计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为统监控的综合化提供了必要的基础。随着数字化技术和总线技术应用已经相当成熟，现场总线是一种互联现场设备(或模块)与控制系统之间的双向数字通信网络。采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网，如:推进系统、管道系统、电力监控系统等独立子网。通过系统的网络化，功能上集各子系统l之众，从可靠性出发又是一个分布式系统;在数据采集和控制平台上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作;采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强;具有图像控制功能，人机界面和对话效果。网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率。有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。船舶电气自动化领域展望机电一体化使学科互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解，人工智能和模糊技术的应用使船舶电气自动化领域更加宽广，必将会对造船和航运业带来重大变革。新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，船舶设备将会进一步向高可靠、性能型发展，将会对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革。可编程序控制器和单片机将逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控系统?分散型微机监控系统?集散(分布式)多级、多微机监控系统?网络型(智能式)计算机监控系统。而这些技术的发展会使船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸，船舶电气化程度的提高对船舶航行和安全有着重大影响。 l