艦船火災損管系統的研究

汪曉旭 鄭 松

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350016）

艦船火災損管系統的研究

汪曉旭 鄭 松

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350016）

艦船火災損管系統是艦船機電控制系統的重要組成部分，是艦船作戰生命力的重要保障。本文首先分析了艦船火災損管系統的原理及系統架構；然后介紹了一種新的組態技術，即工業自動化通用技術平臺（簡稱IAP）；最后設計了一套基于IAP控制平臺的艦船火災損管仿真系統，包括仿真平臺設計、艙室火災模型開發、報警閥值設定以及人機界面設計。

艦船；損管系統；仿真平臺

在大海上航行的艦船，一旦著火并蔓延，將給艦船造成不堪設想的后果，因此設計一套滅火系統是非常必要的。艦船滅火系統是艦船自動損管系統的重要組成部分，它的作用是實時監測艦船各艙室的環境，采集艙室的溫度、煙霧濃度和 CO濃度等信息，輔助預測火災發生的概率，及時地報警通知船上人員，顯示發生火災的位置，并自動或要求操作員手動地開啟聯動裝置進行滅火。本文應用了一項稱為“工業自動化通用技術平臺”（簡稱IAP）的技術設計了艦船火災損管仿真系統。

IAP控制平臺是一種新型的工業自動化系統，包括通用控制站、工業標準的通用網絡、跨平臺運行的組態軟件、分布式的數據結構、面向設備的組態開發工具等。它最獨特的特點是向著組態標準化、結構一體化、控制智能化和管理一體化的方向發展［1］。與傳統的 DCS控制站只能選擇特定的系統硬件不同的是，IAP平臺的控制站可以由不同廠家PLC、工控機或類似裝置組成，并在其中運行統一的控制組態，可實現同一種控制算法組態在異構計算環境中的運行。

1 艦船火災損管系統的原理

圖1 艦船損管滅火系統原理圖

艦船火災損管系統的工作原理如圖1所示，首先傳感器檢測艙室火情信號（煙霧、溫度和相關氣體溶度），然后把檢測的模擬信號傳送給數據采集與設備驅動裝置；數據采集裝置把模擬信號轉換為計算機能夠識別的數字信號并往上傳送給數據處理裝置和顯控臺；數據處理設備把處理結果往下傳達給設備驅動裝置，往上傳給顯控臺并提供相關的輔助決策；設備驅動裝置根據數據采集裝置和顯控臺傳來的信息對聯動裝置進行驅動輸出［2］。

艦船火災損管系統一般采用三層分布式控制網絡架構，分為監控層、控制層和設備層。顯控臺、數據處理單元和數據采集與設備驅動裝置之間用工業交換機構成一個工業以太網絡。其中，顯控臺是一個人機界面，它能夠根據底層上傳的信號，顯示當前艦船各個艙室的溫度、煙霧及氣體溶度等參數的情況，并當艦船發生火災時，發出警報信號，控制遠程的執行器來進行滅火。現場設備的傳感器（包括手動報警按鈕）和執行器連接在一起組成多條探測環路，遍布艦船的各層夾板，并且通過現場總線的方式與數據采集和設備驅動單元連在一起，為此大大減少了接線的復雜度。

2 艦船火災損管系統仿真平臺設計

艦船火災損管系統仿真平臺架構設計如圖2所示，該平臺采用三層架構的設計，分為監控層、控制層和現場層。

圖2 火災損管系統仿真平臺架構圖

控制層由一臺研華 510H型號的工控機、三臺歐姆龍CS1D-67H型號的PLC組成。控制層的PLC作為驅動級的控制設備，內置數據引擎和控制算法組態數據，完成傳感數據采集、驅動級控制指令輸出和設備級的聯鎖保護等任務。該型號的PLC為雙機系統，帶有雙機CPU單元、雙機電源單元和雙機通信單元，極大地提高了系統的可靠性。其中雙機CPU單元由兩個相同的CPU組成，它們總是運行著相同的用戶程序，其中之一為主CPU，另一個為備用CPU，如果正在運行的CPU單元發生了錯誤或故障，就轉換到備用CPU單元并繼續操作。工控機運行QNX操作系統，同樣也內置相同技術規范的數據引擎，主要是進行數據的處理。由于兩種控制設備都內置了數據引擎，確保它們能夠在相同的軟件結構環境中實現高品質的互聯互通。PLC和工控機通過交換機相連組成以太網，并通過 IAPcom通信軟件來完成它們之間數據搬移，實現控制層之間的協同互操作。監控層由一臺工程師站和操作員站組成，它們分別運行著 IAPplant、IAPlogic、IAPdata和IAPview等IAP控制平臺組態軟件。這些軟件均通過以太網與PLC和工控機中的數據引擎進行實時通訊，以獲取它們的實時狀態或下達相應的控制指令。現場層采用一臺歐姆龍CS1D-67H型號PLC對火災進行模擬，使用IAPlogic對火災模型進行建模，通過以太網下載到仿真PLC中，對火災進行實時仿真。現場層的仿真PLC通過I/O硬接線的方式與驅動級PLC相連接，實現現場模型與控制層的數據交換。PLC控制站的實際接線如圖3所示。

圖3 PLC控制站接線圖

本次設計的仿真平臺對艦船上的十個艙室進行火災監控，其中1號PLC控制站的I/O分配見表1，其主要負責 1—3號艙室的現場環境信號采集和設備驅動，2號PLC控制站主要負責4—7號艙室的火災監控，3號PLC控制站負責8—10號艙室的火災監控。

表1 1號控制站的I/O分配表

3 艦船艙室火災模型開發

本次搭建的仿真平臺采用雙層區域火災模型，基本思想是:在火災發生后，將密閉艙室的空間分為熱煙氣層和常溫空氣層上下兩層，各層內部的物理參數（空氣溫度和密度等）均勻，上下層通過燃燒物產生的羽流進行能量和質量交換。根據能量和質量守恒定律推導出煙氣層高度和溫度隨時間變化的規律［3-4］。

艙室內部的熱煙氣層高度和溫度的迭代公式為

式中，Yn為煙氣層高度，為羽流流入煙氣層的煙氣質量之和，為火災煙氣溢流質量，Tu為熱氣層的溫度，T0為環境溫度，Af為火災艙室地板面積，為艙室高度，Cp對流熱釋放速率；Qv為通風口流出的熱速率；Qc為熱氣對壁的對流熱率。

自動水噴淋滅火系統對火災的控制，實際上是通過灑水控制火源的熱釋放速率來達到的。細水霧能夠通過打濕可燃物表面或水霧蒸發吸收火源的熱量，這樣來降低可燃物火源的熱釋放率，本文采用了美國 NIST方程提出的噴頭灑水強度和灑水時間與火源熱釋放速率的數學關系式［5］，即

式中，qs為噴淋系統的噴水密度，單位為 mm/s；為噴淋系統啟動時的火源熱釋放速率；t-tact為噴淋啟動后至計算時刻的噴水時間。

以艦船艙室為例進行火災模擬，假設艙室空間尺寸為 5m×7m×3m，艙壁通風口尺寸為 0.8m× 0.8m，噴淋系統的噴水密度為0.1mm/s。

根據上述推導出的公式，采用IAPlogic進行火災模型搭建。艙室熱煙氣層溫度數學模型的部分邏輯組態如圖4所示。

火源熱釋放速率數學關系式的邏輯如圖 5所示，eTs003元件是慣性曲線運算器，計算公式為

圖4 熱煙氣層溫度模型的部分邏輯圖

圖5 火源熱釋放速率邏輯圖

圖6所示為艙室封閉和開啟通風口情況下的溫度對比曲線圖，虛線代表著艙室封閉無噴淋情況下的溫度變化曲線，實線代表著打開艙室聯通口無噴淋情況下的溫度變化曲線，后者比前者的溫度略低點，打開通風口有一定的降溫效果。

圖6 艙室封閉與聯通的溫度對比曲線圖

圖7 噴淋系統開啟后的艙室溫度曲線圖

圖 7為打開水噴淋系統后的艙室溫度變化曲線，從圖上可以看出，當傳感器檢測到火災發生后，系統自動或人員手動開啟水噴淋系統，200s后艙室的溫度就會出現急劇的下降，再經300s之后，艙室內的火災就能夠完全被撲滅。溫度變化曲線很好地說明了，水噴淋系統對艙室火勢的發展具有很好的抑制作用，而此時打開通風口，對艙室降溫效果不太，并且煙霧可能通過聯通口擴散到艦船的其他位置，因此，在火未完全撲滅時，不建議打開通風口。

4 艦船火災損管系統的組態設計

本文采用了IAP控制平臺的軟件工具對火災損管系統進行了組態設計，其中，IAPlogic軟件是控制策略組態軟件，IAPview是人機界面組態軟件。

4.1 艙室火災報警閥值設定

火災發生時，艙室環境會產生較大的變化，空氣中的溫度、煙霧濃度及CO濃度都會急劇的增高，所以實時監測這3個參數的變化，就能及時地監控艙室內有無燃燒現象的產生。根據這3個參數的值，火災監控系統設定為3級報警。其中，溫度35℃～50℃、煙霧濃度0.3～0.85dB/m和CO濃度10～10× 17-6為A級報警，以此類推設定B級、C級報警。

報警閥值設定的邏輯組態如圖8所示，邏輯圖中的 HLM元件為高低限報警元件。當輸入信號超過報警元件上限或低于下限，輸出為True（1），然后對該值進行取反，從而來設定報警閥值及分級報警。

圖8 報警閥值及分級設定邏輯圖

4.2 艦船火災損管系統人機界面

IAPview采用了面向設備無腳本組態模式，提高了組態效率，并提供了豐富的組態圖形元件庫和集成了各類先進的界面技術，為此本節采用IAPview對艦船火災損管系統進行人機界面的組態。整個人機界面系統由艦船損管系統總監控臺、各艙室火災監控畫面和艙室火災輔助決策系統組成。如圖9所示為艦船火災損管系統總監控臺畫面，整個監控主界面由十個艙室組成，每個艙室的界面由報警燈和操作按鈕組成。當艦船發生火災時，著火艙室的報警燈會亮，由此確艦船上著火位置，并發出報警信號提示操作員，操作員點擊界面上面的 Enter按鈕就能進入該艙室的詳細的火災監控界面。

圖9 艦船火災損管系統總監控臺畫面

圖10所示為艙室火災監控界面，界面主要由火災處理模塊、艙室信息、火災輔助決策系統、艙室溫度歷史曲線和現場設備操作窗等畫面組成。當發生火災時，操作員可以通過CCTV視頻監控窗確認艙室情況，防止誤操作，然后通過火災處理模塊切斷艙室電源、打開通風口和噴淋系統進行滅火，可通過設備操作窗對設備手/自動狀態進行切換。

圖10 艙室火災監控界面圖

5 結論

艦船火災損管系統是艦船機電控制系統的重要組成部分，本文采用IAP控制平臺對其進行了仿真系統設計，充分利用IAP平臺的跨平臺性，完成了整個仿真平臺架構設計、艙室火災模型的開發以及人機界面的搭建等。

［1］鄭松.平臺集成控制技術在艦船中的應用［C］//2014中國指揮控制大會，2014.

［2］朱秋紅.智能化艦船損管系統研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［3］Quintiere J.Fundamentals of enclosure fire zone model［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1989（1）：68-72.

［4］孟嵐，周允基.Two-layer雙層區域模型對單室火災的模擬［J］.哈爾濱工程大學學報，2008，23（4）：28-32.

［5］李念慈，李悅.自動噴水滅火系統［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

The Study of Ship Fire Damage Control System

Wang Xiaoxu Zheng Song
（College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University，Fuzhou 350116）

This ship fire damage control system，which has the responsibility for guaranteeing ship survivability，is an important part of ship machinery control system.The principle and architecture of ship fire damage control system is analyzed in this paper.And then a new configuration technology，industrial automation general technology platform（IAP），is introduced.Based on the IAP control platform，a ship fire damage control simulation system，which includes simulation platform，the cabin fire model，the alarm value and human machine interface（HMI），is designed.

ship；damage control system；simulation platform

汪曉旭（1990-），男，福建泉州人，在讀碩士研究生。