浅谈船舶电气自动化发展趋势

浅谈船舶电气自动化发展趋势

[ 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。

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）；

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，从而最大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。

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。

3.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。

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。

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、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸得更深入。

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。

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。

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。

船用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。

参考文献

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