艦船日用水系統集中監控技術研究

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(中國艦艇研究設計中心，武漢 430064)

現代艦船是一個多系統、多結構、多設備、多組件的綜合平臺[1]。隨著船舶大型化、智能化的發展以及艦員生活保障水平的不斷提高，艦船日用水系統的功能由單一的造水、儲水、供水、排水向復雜的多功能船舶保障方向發展。

目前，國內許多艦船仍然采用人員值守加重點巡查的方式管理日用水系統，對全艦設備和主要閥件采用全手動操作方式，存在操作時間長、艦員工作強度大、信息溝通困難等問題。

現代艦船在以提高艦船綜合性能為目標、使用需求為牽引、作業流程為主線以及在滿足功能要求的前提下，綜合運用軟硬件集成、信息共享、技術創新等手段，使全艦以最優的配置、最少的人員、最低的資源消耗，實現全艦綜合效能的全面提升。在系統集成優化的設計理念的指導下，開展日用水系統集中監控能極大地提高日用水系統智能化、信息化水平，對于改善大型船舶船員的工作環境，降低勞動強度，提高勞動效率都有十分重要的意義[2]。

日用水系統集中監控技術主要是利用成熟的計算機技術、監測報警技術、遠程控制技術、傳感器技術以及通信技術，實現對全艦水資源的集中管理。日用水系統集中監控技術包括以下主要部分。

1)淡水艙、造水機、海補、生活用水、機械設備運行狀況等的集中監測。

2)水質及重要設備故障的集中綜合報警。

3)主要設備和閥件的遠程控制。

4)緊急情況下輔助決策。

5)對全艦日用水系統數據統計、分析、查詢等現代化管理。

1 日用水系統集中監控技術設計

在艦船停靠碼頭時，可以利用岸接水資源，艦船的淡水、冷卻水供應，污水排放等是可以充分地得到保證的。但當艦船滿足遠洋航行時，作為一個孤立的海上平臺，就必須對全艦水資源進行有效的控制和管理，以滿足不同時段、不同對象對日用水資源的特殊要求，保證遠洋任務的執行。

1.1 集中監控裝置組成

日用水系統集中監控技術是通過安裝于各設備上的監控模塊將監測信號收集到區域監控箱上，經區域監控箱分析處理后，再集中發送到全艦的集中監控臺上，達到全艦信息集中顯示、集中控制的目的。集中監控裝置主要由集中監控臺、區域監控箱和監控模塊(含配套軟件)等三大部件組成。

1)集中監控臺。主要由顯示設備、操控設備和集中監控軟件等組成。其主要通過監控界面、狀態顯示、綜合報警、實時數據信息和歷史數據查詢，實現全艦監測信息集中顯示、綜合分析以及遠程控制功能。艦員在一個監控臺上就能實時掌握全艦日用水資源的情況及系統全部設備的狀態，并通過監控臺發送控制指令，完成操作。集中監控臺是集中監控系統最為核心的裝置。

2)區域監控箱。主要由數據傳輸控制箱、監控模塊供電單元和區域監控軟件等組成，包括監測信息輸入接口和控制信號輸出接口。區域監控箱的主要功能是收集區域內監控模塊采集到的信息，將各離散的監測信息集中處理后發送到集中監控臺，并能分析集中控制臺發出的控制指令對指定設備進行遠程控制，是一個承上啟下的中間裝置。

3)監控模塊。主要由現場采集模塊和采集軟件等組成。其功能是采集監控設備的信號并完成集中監控臺下達的控制指令，是集中監控系統實現具體功能的末端裝置。

日用水系統集中監控技術結構設計見圖1。

圖1 日用水系統集中監控技術結構設計

1.2 集中監控技術的工作原理

集中監控臺和數據中心位于管理控制層，是日用水系統集中監控技術的最頂層設備，向下通過以太網端口接入平臺網，實現日用水系統的集中監測、遠程控制、綜合故障報警和狀態信號查詢等。

集中監控臺采用裝有組態軟件的工控計算機，區域監控箱采用PLC集成，集中監控臺和區域監控箱之間通過平臺網連接，通信采用TCP/IP協議。

區域監控箱位于數據傳輸層，由監測設備的數量統一分區部署。區域監控箱向上通過以太網端口接入平臺網，向下通過工業以太網端口與現場采集層設備相連，實現區域內監控信號的集中轉發。

區域控制箱集成有可編程邏輯控制器PLC，負責處理、分析和傳輸監控信號。PLC是一種電子裝置，以可編程內存來儲存指令，用微處理器來執行指令及運算，以達到控制各種船舶設備的目的。PLC的控制指令需包括：邏輯、順序、計時、計數以及算式運算等功能。從結構上而言，PLC為一種特殊用途的計算機，其主要的構成部分為程序書寫器、中央處理單元(CPU)、內存、輸入模塊、輸出模塊與外圍擴充模塊[3]。

監控模塊位于傳輸采集層，根據設備監控點的位置，并按區域化采集的需求分船體水密區布置，實現區域內現場空調通風設備監控信號輸入輸出，向上通過CAN總線與區域監控箱通信，向下采用電纜線與現場設備控制箱連接。

CAN總線由于具有良好的可靠性、實時性、抗干擾能力及檢錯能力，因此廣泛地應用于船舶的遠程控制系統中。現場采集的信號通過CAN總線輸送給集成有PLC區域控制箱，經PLC的CPU處理后通過網線傳輸給集中監控臺，同樣集中監控臺發出的控制指令也是通過網線傳輸給區域控制箱，區域控制箱PLC的CPU處理后通過CAN總線傳給遠程I/O模塊控制現場設備的動作。

日用水系統集中監控技術原理見圖2。

圖2 日用水系統集中監控技術原理示意

2 集中監控技術的主要功能

日用水系統集中監控技術主要是對艦船造水、貯水、供水和用水全過程進行狀態追蹤和控制。造水和貯水階段主要實現對全艦淡水艙液位的實時監測和高低位的超值報警，設備的運行狀態顯示及故障報警，對海補岸補注入、造水注入、淡水調駁等進行綜合報警和遠程控制，監控系統主要閥件的工作狀態；供水和用水階段主要對全艦人員依據職務和崗位采取淡水定量分配，水質監測，系統主要設備運行狀態顯示及故障報警。

日用水系統集中監控技術需達到以下三個功能：①集中監測、報警功能；②自動控制功能；③綜合管理功能。

2.1 集中監測、報警功能

對全艦淡水艙液位信息的集中監測，將檢測到的信號傳輸到全艦的集中控制臺上。艦員通過集中控制臺顯示器能實時查得各淡水艙的水量。實現對全艦液位艙的高低水位超值報警，整體反映全艦淡水資源的貯存情況。

對淡水注入、調撥管路上的主要閥門進行開閉狀態監測，并且通過動態模擬識別板顯示監測信息。對全艦淡水系統的海補岸補注入、造水機造水量、淡水調駁等信息進行集中監控，并對異常現象進行綜合報警。

對淡水制備、調駁及消毒系統的主要設備，如反滲透海水淡化裝置、礦化裝置、海水供水泵、淡水調駁泵、水質處理裝置、消毒殺菌裝置等進行運行狀態監控和綜合故障報警。

對淡水艙水質進行在線監測，能實現淡水水質細菌超標報警。

發生故障時，區域監控箱和集中監控臺都能進行聲光報警，同時在集中監控臺上進行記錄，以便查詢。

2.2 自動控制功能

通過淡水艙監控系統的采集信息，根據全艦淡水資源情況，自動啟動(或人為控制)造水設備并開啟管路閥件，及時補充淡水資源。通過遠程控制淡水艙和淡水管路上的主要閥件，實現在集中監控臺上操控淡水海補注入、岸補注入，淡水調駁等工作。圖3為某典型日用水集中監控系統原理圖。此集中監控系統包括兩個主要系統：淡水監測管理系統及淋浴管理系統。

圖3 某典型日用水集中監控系統原理示意

日用水系統自動控制原理圖中設有2個淡水艙，2臺淡水泵。2臺泵其中一臺作為供水泵，以變頻恒壓方式向用戶供水；另一臺作為淡水駁運泵，用于兩個淡水艙淡水駁運或淡水艙消毒工作模式。各主管路上設有流量傳感器，分別監測各用戶主管路上的淡水流量、造水注入流量、海補、岸補注入流量、礦化注入流量等，并通過控制設備的啟停和調節管路上的電磁閥，實現以上功能。

由于艦船上主要的淡水消耗為淋浴用水，對淋浴系統進行監控能夠有效地管理淡水資源的使用，提高淡水使用效率。淋浴管理系統通過各支管上的流量計記錄各淋浴頭淡水的使用情況，并通過各支管上的電動閥，控制每名艦員淋浴水的用量，超過用量就自動停止供水。

自動控制系統能夠控制日用水系統內的所有主要設備。被控設備應具有本地控制和遙控兩個功能。設備的機旁控制箱能夠在本地控制，并且具有“緊急停止/啟動”功能。機旁控制箱能夠接收由集中監控室發送的遙控信號，受集中監控室統一監控。

2.3 綜合管理及輔助決策功能

日用水系統集中監測技術能夠將全艦的日用水資源情況集中反映到監控臺上，通過軟件的綜合分析和計算，可以為全艦日用水資源管理提供輔助決策，幫助艦員合理制定人員配合和管制時間，最大限度提高系統的效率。

要做好艦船日用水資源的使用管理，需要考慮以下幾個方面的因素。

1)不同人員的供水額度。針對不同類型的人員，采用不同的供水量。

2)不同工況下的淡水控制。艦船在執行不同任務時，受不同因素的影響，淡水供給受到了限制，如：艦船停靠污水零排放區域，淡水使用量受到了限制；艦船執行任務時，造水設備故障維修時；艦船岸泊、錨泊、航渡、戰斗等狀態下淡水供應量有差別，必須采取相應的控制措施。

3)適時了解全艦淡水艙淡水儲存量，合理調配各淡水艙淡水供給，淡水調駁方案，制定合理的淡水補給或造水計劃。

4)監測淡水主要用戶供水情況，科學有效地控制和避開機械和人員的用水高峰。

5)進行淡水使用量統計，掌握淡水消耗規律。

艦船日用水系統設備發生故障并發送報警信號時，在彩色液晶顯示器上應能清晰示明設備部位和時間，并經查詢能將其信息翻轉至發生故障的這一頁。同時在彩色液晶顯示器上應能清晰顯示相關的信息資料，指導艦員用最短的時間了解故障設備信息和部位，盡快處理故障。彩色液晶顯示器顯示的信息可通過打印機打印。

集中監控臺自帶硬盤能夠對全艦日用水系統的測點數據進行存儲，并且可以對存儲的數據進行二次處理，得出全艦實時用水數據、全天用水數據、剩余用水時間等數據，整理出相應的圖表，顯示上述信息。

3 結束語

本文分析了艦船日用水系統集中監控技術設計方法，包括日用水系統集中監控裝置組成和工作原理。針對艦船的日用水系統的特點，分析了集中監控技術所要實現的主要功能以及實現方法。

艦船日用水系統集中監控技術是艦船日用水系統的重要組成部分，其實現對全艦日用水資源的集中監測、控制及綜合報警功能。在統籌優化監控資源的基礎上，完成全艦淡水資源的自動調節，可加強對全艦日用水資源和系統主要設備的監測及運行管理能力，簡化艦員操作流程，減少巡視及工作強度，提升各設備運行效能、故障響應速度和保障能力，對提高全艦信息化水平有積極的作用。

[1] 李興林.船舶監控技術的應用[J].中國航海，2007(4)：59-61.

[2] 林 銳,張時農,曾 勇.船舶淡水監控管理系統研究[J].船舶,2010(6)：36-37.

[3] 涂海川.船舶網絡監控系統的設計與研究[D].上海：上海交通大學，2006.