船舶機艙自動化系統現場安裝與調試探討

屈 崇，羅 昊，楊為東

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108;2.廣州廣船國際股份有限公司，廣東廣州 510382)

船舶機艙自動化系統設計和現場施工是船舶機艙自動化設備在工程應用活動中的主要環節，系統的現場安裝與調試工作在整個的施工過程當中占據了非常重要的地位。如果系統現場安裝調試的措施和方法不得當，不但會導致項目進度被延誤，更有可能會損壞系統設備。現場安裝與調試的措施和方法是否合適也就決定了系統在交付使用后的運行效果。如果措施和方法不適合有可能會危及到以后船舶在航行中的安全。

如今，船舶機艙自動化系統通常都是以集成的方式出現，系統一般采用多段的網絡結構。因為船舶機艙自動化系統是一個軟硬件的共同體，所以系統的現場安裝和調試過程與傳統的電氣與自動化系統不同。有效合理的安裝與調試措施，是船舶機艙自動化系統現場施工工作的關鍵。

1 船舶機艙自動化系統現狀

船舶機艙自動化中機艙集中控制和監測系統是最基本和最重要的自動化設備之一。根據目前船舶機艙自動化實際應用的拓撲結構，將計算機控制和監測系統的形式分為以下3種。

1)集中型。集中型系統的一個典型特點就是在集控室里用一臺性能強且運算速度快的中小型計算機，對機艙里的動力裝置等設備進行集中的控制和監測。它能監測系統中上百個參數，并且可以對系統中一些模擬量和開關量進行閉環或開環的控制，同時也可以代替一些模擬調節器，如溫度、壓力、轉速等，并對這些被控參數實現PID自動調節控制。

2)分布型，又稱為FCS系統。這種系統應用現場總線來作為每個分系統內部的控制網絡，例如CAN總線等，同時將上層的監測和控制功能下放，并利用輸入輸出模塊、傳感器及變送器和執行器等部件在現場來實現控制系統的各項功能，通過對現場信息利用度的提高來增強系統可靠性。由于系統采用現場總線通訊協議是開放的，所以既能在控制設備之間實現互換與互操作，又能讓機艙監控系統如主機控制與監測系統、電站系統等系統之間的連接更為方便，使得船舶機艙自動化綜合控制信息系統的構建和實現有了一定的通訊基礎［1］。如圖1所示。

圖1 動力裝置遙控系統示意圖

3)集散型，又稱為DCS系統。該系統將控制點和監測點按照布置或功能進行了分區，每個分區設一臺下層采集處理模塊。信號經采集處理模塊轉換處理后，經通信線送到上層處理微機。集散型監控系統一般分為3層:現場設備層、控制監測層、信息管理層。現場設備層采用現場總線技術構成一個分布的現場總線控制網絡。信息管理層采用以太網技術，并通過網關與底層的現場總線進行連接，以實現與現場設備層信息交互、控制信息的共享。

2 安裝與調試程序

根據船舶建造項目現場施工的進度要求，保質、按期完成系統設備的安裝和調試工作，關鍵是如何合理有效地安排機艙自動化系統設備的安裝與系統程序的調試。

船舶機艙自動化系統的安裝和調試工作首先要從機艙自動化系統的組成部分開始，比如系統輸入輸出信號的連接、系統的軟硬件配置以及系統功能的實現等，這是由系統的基本結構特點決定的。

安裝與調試的工作需要循序漸進，確保完成了前一步的工作之后才能開始下一步的工作，與此同時，也要詳細記錄整個安裝和調試的過程，形成調試過程記錄文件，以便后續維修保養工作查看。

3 安裝與調試設備

3.1 前期準備

前期準備工作是完成機艙自動化系統安裝與調試的堅實基礎，是不可缺少的一個過程。其技術準備工作如下。

1)熟悉機艙動力裝置監控對象。機艙自動化系統是為船舶推進動力裝置服務的。吃透推進動力裝置各設備控制和監測的要求，了解機艙各設備工作特點和作用，明白系統各項功能如何實現。同時熟悉船舶機艙自動化系統的各項設備的特性與功能，明白設備安裝與調試的要求、要點，明確下一步工作的方向和內容。

2)熟悉監測和控制系統的各項設計資料。如監測系統所含設備及其功能，控制系統的配置以及功能，通信系統的網絡架構，現場I/O信號的名稱、類型、信號的數量以及在現場的分布情況等。

3)吃透系統功能。對監測和控制的原理圖，電氣內部接線圖，外部電纜連接圖等等進行消化和吸收。

4)實驗室調試。在實驗室對已經完成加工和制造的船舶機艙自動化系統進行靜態調試，并按要求完成測試和檢驗，包括系統功能檢驗，性能檢測，質量檢驗等。按機艙自動化系統配置的所有設備的氣、電連接完好后進行系統通電，同時通過軟件平臺激活硬件平臺，組成完整的連接網絡。對模擬量、開關量信號進行模擬試驗;對控制系統啟動、停車、緊急停車和手柄調節操作等功能進行效用試驗等。

3.2 設備安裝與接線

按照機艙自動化系統的設計資料，先把船舶機艙內的各電氣設備、控制箱以及現場各類儀表、傳感器、變送器、執行器等設備安裝到位;將駕駛室、集控室、輪機長室 (機電長室)、大管輪室、損管中心等操作站或控制站等安裝到位;校驗敷設的電纜;然后對各個設備完成接線、管路連接等工作，其中包括各個設備的主回路、監控系統I/O信號回路、控制回路、通訊網路等電纜連接以及壓力傳感器等設備的管路連接。

電氣設備安裝、電纜的敷設和安裝必須按照《中國造船質量標準》(CSQS)和《船舶建造質量標準》(JNS)要求及有關電氣安裝工藝圖冊、電纜敷設工藝以及接地工藝等進行。在敷設電纜時，通過有效的保護和控制措施來消除電纜在傳輸信號的過程中受到的各種干擾是非常關鍵的。

敷設監控系統輸入輸出信號電纜時，為了使傳輸的信號不受強磁場的干擾，采取的主要措施一般是不平行敷設電力電纜和信號電纜，且盡可能避開大功率的用電設備。電纜敷設的重疊厚度不超過2層或不大于50 mm，電纜需分束敷設，屬于同一電路的電纜敷設每束不超過6根。在敷設電纜時，電纜彎曲最小內半徑應為電纜外徑的4～6倍;電纜線路在敷設過程中盡量避開上、下水、通風及油、水、氣管路;與蒸汽管或排氣管交叉敷設時，其表面相距不小于70 mm，平行敷設其表面應相距不小于80 mm，否則應采取隔熱措施。

通常通信電纜傳遞通信信號時會產生信號衰減，信號在通信電纜的長度每增加1 m時就會衰減0.8 dB，每個電纜接頭會衰減1 dB，每個分支器會衰減14 dB。針對這樣的衰減，一般在敷設電纜的時候會采取的控制和保護措施如下:①規劃好電纜敷設的方向，盡量縮短傳輸距離，減少接頭和分支器的數量，并且緊密連接電纜;②通信網絡的兩端應該接入終端器或者終端電阻;③為了比較好的匹配網絡阻抗，應盡量保持控制站兩邊的電纜長度和分支點數的一致。通信電纜與電力電纜必須嚴格分開敷設，與電力電纜之間的距離至少要保證40 cm/kV，必須要交叉時應保證垂直交叉，并盡量避開高溫地方［2］。

3.3 系統接地

為了抑制電網干擾，船舶機艙自動化系統在供配電的設計中，有一個重要的組成部分就是船舶接地技術。一般船舶供配電采用三相三線電制，按規范要求設備的金屬殼體或金屬類部件與接地螺釘之間的接地電阻應不大于0.1 Ω，從而保證所有不導電裸露的金屬類部件與金屬外殼在任何時候都是零電位差。

為了防止電網中暫態電流或者雜散電流對設備的正常工作產生干擾，過去有些規范會要求電子設備進行單獨接地。現在船舶工程中不提倡單獨接地。有些電子設備中為了防止機箱上的干擾電流直接耦合到信號電路，有意使電路單元信號地線與設備機箱絕緣，這種電源設計屬于系統懸浮地。在有些監控電子設備中某一結構作為接地基準點，其它各單元的信號接地都連接到這一點上，在低頻時可有效地避免各單元之間的地阻抗干擾，這種電源設計屬于系統單元接地。

根據上述綜合分析，我們經常采取如下措施。

1)用10 mm的編制銅線匯接操作站與控制站，然后引至接地。

2)用黃綠線單獨把信號輸入、輸出設備本體接地。

3)對使用屏蔽電纜的輸入、輸出信號線，在監測站或控制站端將屏蔽層匯接到接地端，現場端懸空。

4)通信電纜屏蔽層應在監測站或控制站端匯集起來接地，另一端懸空。

3.4 現場I/O信號連通

通信網絡的正常通信是進行以后調試的基礎。為此對通信網絡進行連接;對通信電纜校線;檢查控制站和監測站情況，對各個節點設備進行通電;通過對軟件的置位或者硬件的開關置位，來連通整個網絡，使網絡正常工作。

為確保設備安全，并盡快將輸入輸出信號連通:首先，用短接信號線來查通斷的方法，在設備不通電的情況下，對各個輸入輸出信號線進行檢查;其次，在現場設備斷電，控制站與監測站通電運行且運行正常的情況下檢查網絡通道是否正常，如果正常，則檢查各個輸入輸出信號的通道，方法是通過在現場短接給出開關量信號或者用信號發生器給出模擬信號。

3.5 系統模擬聯調及驗證

在現場I/O信號連通和通訊網絡工作正常情況下，通過現場I/O信號狀態變化，對系統的各項功能進行驗證。

1)對控制系統的各項功能進行逐項驗證，對設備聯鎖控制、故障聯鎖控制以及啟/停控制功能等進行重點驗證;并且對監控系統的信號指示，延時等功能進行驗證;對繼電器、閥等動作狀況進行檢查。

2)逐項對監測系統各項功能進行驗證，數據顯示及精度的調校、開關量信號延時及其各個報警點的校驗、打印功能、數據記錄功能以及所有的管理功能進行校驗。

3)對安全系統每個被控參數用模擬方法進行驗證。

4)對現場的各個電器設備，主要如大功率電機等拖動設備，需要在脫開主回路的情況下，對二次控制回路進行空投試驗，即讓現場設備不運轉，而輸入輸出信號正常發出，試驗控制功能。

3.6 系泊試驗

系泊試驗是檢查整個系統中各電氣設備及附屬系統的安裝質量、運轉協調性、正確性和可靠性，檢查其技術性能是否符合標準和產品技術規格書及訂購合同的規定，決定整個系統是否可以進行航行試驗的一個重要環節［3］。

船舶機艙自動化系統安裝與調試工作中最關鍵的環節就是系泊試驗。通常情況下，由船廠檢驗人員、船檢局人員 (或客戶代表)、船東輪機長和系統設計工程人員參加，工作內容主要是系統設計工程人員協助船廠檢驗人員一起，向船檢 (或客戶代表)和船東 (或駐艦機電長)對機艙自動化系統實施動態運行效用試驗進行報檢。對機艙自動化系統逐項功能進行試驗，檢查其系統的技術性能是否滿足技術規格書和合同的規定要求。

3.7 航行試驗

航行試驗是全面地檢查機艙自動化系統的質量和技術性能是否滿足技術規格書要求，確定其可否驗收并交付船東 (或部隊)使用。這項試驗建立在已按系泊試驗大綱規定進行了系泊試驗，并消除了在系泊試驗過程中所發現的全部缺陷，試驗項目全部驗收，簽署完畢的基礎上。以柴油機推進裝置控制系統為例，航行試驗按照柴油機航行試驗的工況及時間規定程序表進行，對中高速主機，按規定程序試驗時間可減少50%，試驗時應連續進行，中間因故障停車時間一般應不超過15 min。其試驗程序如下:①主機換向試驗;②主機遙控啟動試驗;③以遙控系統操縱正車和倒車相互交替試驗;④控制部位轉換試驗;⑤安全系統試驗;⑥在主機控制的試驗過程中，檢查各種監測報警、安全保護、數據顯示和記錄及處理等功能正確性。

4 結束語

在船舶機艙自動化系統的現場安裝和調試工作中遇到的問題的隨機性都比較強，所涉及到的面也非常廣，這就需要在現場的工程技術人員有良好的心態，快速的反應能力，較強的處理問題的能力，在遇到問題時，采取的方法和措施要及時有效。本文所探討的方法和措施是多年從事船舶機艙自動化系統現場安裝與調試工作的經驗總結， “他山之石，可以攻玉”，供同行借鑒。

［1］劉世居.機艙監測系統的新發展 ［J］.船電技術，1999(4):33－37.

［2］高素萍.工業自控系統現場安裝與調試措施的探討［J］.電氣傳動，2006(3):60－64.

［3］陳越.船用柴油機監控系統模塊化設計技術研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009.