船舶自动化论文

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

目录

摘要...................................................................................................................... I 第一章绪论. (1)

1.1 机舱自动化发展历史及现状 (1)

1.2 机舱自动化配置及其主要系统 (1)

第二章电站自动化系统 (2)

2.1 电站自动化系统的历史与发展 (2)

2.2 电站自动化系统的一般介绍 (3)

2.2.1 安全保护系统 (3)

2.2.2 自动控制系统 (4)

2.2.3 自动监测报警记录系统 (5)

第三章主机遥控系统 (6)

3.1 主机遥控系统的历史与发展概况 (6)

3.2 主机遥控系统的基本形式 (6)

3.2.1 机械遥控系统 (6)

3.2.2 液压控制系统 (6)

3.2.3 气动遥控系统 (6)

3.2.4 电动遥控 (7)

3.2.5 气电遥控系统 (7)

第四章自动化船舶发展趋势展望 (7)

结论 (8)

第一章绪论

1.1 机舱自动化发展历史及现状

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。

1.2 机舱自动化配置及其主要系统

分析研究沪东设计建造的自动化舰船，机舱自动化的配置和主要系统大致如下:

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；

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。

第二章电站自动化系统

2.1 电站自动化系统的历史与发展

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。

国外船舶自动化一开始大多是从电气部分着手，从最原始的手动本地操纵进化成手动遥控操纵，再进一步发展成半自动控制，最后发展到目前的最高水平的电站全自动控制的无人值班机舱。早在60年代初期，日本、德国、英国等国就有电站单元自动化装置，如:英国的MMF自并车装置，日本的XET自动并车装置和XPT自动负荷分配装置。到70年代中后期，人们在单元自动化装置的基础上，把它们系统地组合成成套电站自动化设备，系统可在集控室进行集中控制，如:“里言斯顿”号船上的SEPA电站自动化控制系统，日本“星光”号船上电站自动化系统。随着微型计算机的发展和推广应用，在80年代初期国外研制成功了微型计算机单机控制系统，如:用在我国“德大”轮上的日本大发公司配套的电站自动化控制系统，广州远洋公司15000吨上使用的丹麦SEMCO公司的APM电动自动化系统。到80年代中后期，随着微机网络技术的日趋成熟，国外众多国家相继开发研制多微机分布式网络型自动化控制系统，如:西门子、AEG等国际著名的大公司近期的产品，是目前国际上最新技术产品。

我国在船舶电站自动化方面起步较晚，而且计算机技术发展和应用落后于国际水

平。因此，在电站自动化技术方面存在很大差距。前儿年，国内研制生产并投入使用的电站自动化产品，在技术上大都相当于国外六七十年代的产品，是分立元件单元化控制装置，在测量、控制精度及性能稳定性和可靠性方面均不太理想。近几年，也有不少单微机电站自动化系统，但由于其存在着一旦微机出现故障则整个电站自动化功能将全部失效等这一系统性先天不足问题，因此这一产品的推广应用也受到限制。随着船舶向大型化、自动化方向发展，对船舶电站提出了更高的要求，因此，一个高可靠性、功能齐全的网络型多微机分布式电站自动化控制系统将是未来船舶电站自动化的发展趋势。2.2 电站自动化系统的一般介绍

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。下面对以上三个子系统作一般介绍。

2.2.1 安全保护系统

对于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。

1.原动机为柴油机的安全保护，主要包括:

(1)滑油压力过低应急停机；

(2)机组超速应急停机；

(3)机组冷却水温度过高应急停机等。

2.原动机为汽轮机的安全保护，主要包括:

(1)滑油压力过低应急停机；

(2)机组超速应急停机；

(3)机组轴向位移过大停机；

(4)机组冷凝器内真空度过低停机。

3.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，当运行发电机的输出功率或电流超过其额定值时，过载保护起作用。一般情况下，当过载达101%-120%额定值时，延时5-10s，自动卸掉部分次要负载；当过载达150%额定值时，延时10-20s，使发电机自动跳闸；

(2)定子绕组内部短路保护，对于额定功率大于1000kW的发电机组，当发电机运行主开关未合闸时，发电机电流I≥30%额定电流，则发电机自动消磁保护；

(3)发电机外部短路保护，当发电机电流为3-5倍额定电流时，延时0.2-0.6s使发电机跳闸；当发电机电流为5-10倍额定电流时，瞬时动作时发电机跳闸；

(4)欠压保护，对带时限的发电机欠压保护，当发电机电压少低于其额定电压

70%-80%时，延时1.5-3s跳闸；对不带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压40%-57%时发电机跳闸；

(5)逆功率保护，当发电机出现逆功时，其逆功为8%额定功率，延时5-8s使发电机跳闸；

以上为一般船舶电站安全保护系统应考虑的功能，在特殊情况下还应考虑过压、过频和欠频保护。

2.2.2 自动控制系统

船舶电站自动控制系统是电站自动化的核心，它所包含的内容繁多，下面就各个功能逐个介绍。

1.电压自动调整。电压自动调整就是对发电机磁场的自动调节，从而达到发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能指标有二个，即静态特性和动态特性。一般情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的±

2.5%；动态电压调整率不超过额定电压的±15%，恢复时间不超过1.5s(电压波动≤3%额定电压)；

2.机组自动起动。机组自动起动时应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动:

(1)电网失电；

(2)在网运行机组的平均功率大于85%Pe；

(3)在网运行机组发生故障需要换机或停机；

(4)机组接到人工起动指令时。

3.首机自动投入。在电站电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的备用机组投入电网供用；

4.自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件:相电压相等、频率相同及相位差为零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发合闸信号，一般合闸信号要提前几十毫秒发出，并且待并发电机的频率要略大于电网频率；

5.自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配制度，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于±5%Pe，频率调节精度为50±0.25Hz；

6.自动转移负荷及分闸(或称解列)。对已投入电网运行的机组出现以下情况时，则按顺序运行机组逐个解列:

(1)在网运行机组平均功率小于30%Pe；

(2)机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障；

(3)有人工解列指令，且P=ΣPi/n-1≤85%Pe。当解列机组的负载转移到小于10%Pe 时，发分闸信号。

7.机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机；

(1)机组有严重故障(应急保护停机)或二类故障；

(2)机组平均负荷小于30%Pe，则先解列再自动停机；

(3)机组接到人工指令需要停机。

8.大负荷起动询问控制。大负荷设备起动前发询问信号，电站自动控制系统接到信号后进行储备功率计算，若储备功率大于大负荷设备的额定功率，则大负荷即可起动；若储备功率小于大负荷设备的额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后，大负荷设备才可投入运行；

9.原动机预润滑预热控制。电站机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间，待机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带润滑泵承担；其次，是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。一般冷却水预热装置有电预热和蒸汽预热二种。

2.2.3 自动监测报警记录系统

1.显示和打印：

(1)动态显示被测参数；

(2)动态实时显示电站系统各种状态图；

(3)可进行运行参数全段、分页、故障、故障恢复及召唤等各种打印。

2.报警同时发出声光信号。声响报警信号应有信号收悉后的消声装置，但消声后不得影响后来报警信号的收悉。光报警信号应为闪光信号，当声响信号被消声时，闪光信号应同时转为平光信号，并一直保留到故障消除为止；

3.有关机器正常的停机和启动过程中，必然会引起某些控制参数过多地偏离整定值，此时考虑能自动联锁报警屏蔽线路，以防报警器误报警；

4.报警系统线路独立于安全系统，并尽量独立于控制系统线路。同时应能对报警系统的所有声光报警和指示灯工作状况进行试验；

5.所有测点均可以进行整点自动记录、报警和消警记录及应急自动记录功能。

第三章主机遥控系统

3.1 主机遥控系统的历史与发展概况

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。1961年1月，日本建成世界上第一艘具有机舱集中监视报警和主机遥控装置的8000吨级“金华山丸”货船，只需一人值班，船员人数减少至37人。引起了世界各国的极大关注，此后，机舱集中监视报警和主机遥控系统得以了迅速发展。70年代中期起，随着微型计算机的发展，微机随即被用到船上。80年代微机迅猛发展，集成度不断提高，中央处理单元由4位、8位发展到16、32位以上。使微机在机舱集中监视报警和主机遥控系统中的应用得以迅速发展。

我国在70年代后期，紧跟世界轮机自动化发展步伐。1978年，万吨级货船“长顺”轮使用了自行设计制造的主机遥控系统。1990年诞生了我国第一套完整的网络型微机控制主机遥控系统(CY880型)。该系统成功地安装于我海军某综合补给船上。

3.2 主机遥控系统的基本形式

3.2.1 机械遥控系统

利用钢丝绳、链条、杠杆等机械传动机构把驾控台或集控室的操纵手柄同主机的操纵机构连接起来，便构成了主机的机械遥控系统。这种系统结构简单、容易实现，是最早出现的遥控系统。

3.2.2 液压控制系统

这种系统具有结构牢固、传递力大、容易实现无级调速等优点。但由于传递距离近、管路接头多、渗漏可能性增加而影响准确性，以及液压油的粘度易受温度影响等缺点，致使液压遥控系统很少被采用。虽然整个系统不采用液压，但是某个执行机构如调速器、可变螺距螺旋桨的传动机构通常采用液压系统。

3.2.3 气动遥控系统

由于系统采用的工质是压缩空气，所以系统由各种气动阀件组成，结构简单可靠，传递的距离比液压远，能传送30米左右。气路无需回气管路，而是将回气放入大气中，并且不会造成大气污染。因其具有较多优点，船舶主机遥控中获得比较广泛的应用。3.2.4 电动遥控

这种系统的突出优点是遥控距离不受限制、信号传递快、灵敏度和准确性高，并且易于使用电子计算机控制。尽管该系统具有这些突出优点，但是整个系统全部采用电器元件控制的遥控系统仍然很少。这是因为系统的某些执行部分，如主机的换向、起动、制动部分使用气动元件比电器元件更为适宜。

3.2.5 气电遥控系统

这是根据气动系统和电动统各自的特点，互相取长补短组成的系统。控制距离近的用气动元件，控制距离远的用电器元件。执行部分用气动元件，控制部分用电器元件。所以目前发展最快，应用最广泛的是这种气-电结合的遥控系统。

第四章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”。

结论

本论文从舰船自动化系统的历史、发展及自动化系统设计等方面进行了论述。从中我们可以得出以下结论:自动化技术是舰艇和船舶共同研发课题，其取向和定位并不相互排斥。舰船自动化技术已经规范化，强化了船厂、船东、船级社的相关性。船舶自动化技术已取得相当进展，正朝着综合自动化方向发展，有着广阔前景，取得新突破并不遥远。分析研究电气技术的发展趋势和舰船自动化设计的前景，不难看出:

1.造船技术是船体建造、轮机和电气设备三者有机组合的统一体。随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在舰船上的广泛应用，进入新世纪后，船舶自动化程度将会有一个较大程度的提高。机电一体化使学科界限互相交叉渗透。电力与电子、强电与弱电更难分难解。随着舰船电工技术的进一步发展，必将会对造船和航运业带来重大变革；

2.随着新一代大功率半导体电力电子器件及计算机的应用发展，船舶电气设备将会进一步向高可靠、节能型方向发展。将会对舰船电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革；可编程控制器在我国将逐渐发展成为舰船电力系统自动控制设备的一种新型控制方式。上世纪末本世纪初，舰船正向着桥楼综合自动化、微机监视、卫星通讯导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化延伸；

3.出于经济性和可靠性的考虑，在今后10-20年左右，柴油发动机船舶作为船舶原

动机具有无可争议的地位。然而当石油面临枯竭、环境污染、生态受到破坏，使柴油发动机的地位受到了冲击。有说法说，21世纪人们有可能通过技术上的突破而获得绿色能源。如太阳能无偿获得，不仅丰富且无污染；氢是另一种新能源，它可作为潜在的热源，也可以作为太阳能电池的储能部件，通过电解的方式来达到储能的目的；燃料电池采用可逆式氢电池来发电以及氢电解装置、超导电磁推进等等，但进入到船舶上的实际应用，尚需相当长的时间；

4.在我们昂首进入21世纪的今天，我国造出了被世界造船强国称为具有国际先进水平的各类船舶，使我们深深感觉到船舶电气在当今造船中的地位之重要。进入新世纪后人们会进一步意识到:船舶电气的先进性将直接影响船舶的航行安全、经济性及舒适性。为此，我们要紧跟高新技术的发展趋势，对舰船电气自动化造船设计进行研究，提高造船设计水平，为建造高水平的舰船作出贡献。

参考文献

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