船舶電氣自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：近年來(lái)，電氣自動(dòng)化技術(shù)在船舶領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不但提高了船舶航運(yùn)的安全性，而且大大增加了航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益。文章主要分析了船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)，然后探討了船舶電氣自動(dòng)化中的幾種關(guān)鍵技術(shù)，以期為船舶自動(dòng)化事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。

關(guān)鍵詞：船舶；電氣自動(dòng)化；關(guān)鍵技術(shù)

目前，各國(guó)對(duì)于船舶電氣自動(dòng)化的研究主要集中于電力電子技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)、可靠性保障技術(shù)等方面，這些領(lǐng)域的任何技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展都將對(duì)船舶事業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

1 船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 綜合化

現(xiàn)階段，船舶人機(jī)界面的交互功能越來(lái)越強(qiáng)大，很多操作能夠借助電子屏幕來(lái)完成，這為船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)的綜合化發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。同時(shí)，電子信息技術(shù)以及電氣模塊化的快速發(fā)展，使得船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)能夠更加靈活地進(jìn)行組態(tài)，進(jìn)而使船舶越來(lái)越呈現(xiàn)出綜合化的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字技術(shù)與總線技術(shù)的大力普及，促進(jìn)了船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，特別是總線技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用，使得船舶的不同部件與模塊之間可以很方便地進(jìn)行信號(hào)傳送與交流，這是電氣自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的重要基礎(chǔ)和前提。船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，使得傳統(tǒng)的人工操作模式被各種自動(dòng)化技術(shù)所取代，大大提高了電氣系統(tǒng)工作的效率及穩(wěn)定性。

2 船舶電氣自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電力電子技術(shù)

（1）軸帶發(fā)電。軸帶發(fā)電技術(shù)是利用發(fā)電機(jī)主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，依據(jù)主機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)調(diào)整和控制軸帶發(fā)電機(jī)的一種技術(shù)。如今主流的軸帶發(fā)電系統(tǒng)均使用晶閘管逆變方式。為更好地發(fā)揮節(jié)能降耗效果，研究人員開(kāi)發(fā)了T/G與S/G相組合的SSG系統(tǒng)，其中S/G借助靜止變頻器和電網(wǎng)連接在一起。若船舶電力消耗過(guò)高，T/G無(wú)法滿(mǎn)足要求，則S/G充當(dāng)發(fā)電機(jī)，對(duì)船舶電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充供電。若電力消耗較少，功率閑置較多，則S/G充當(dāng)電動(dòng)機(jī)，利用電網(wǎng)能源來(lái)協(xié)助主機(jī)推進(jìn)。需注意的是，在S/G系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的任何輸出活動(dòng)都要經(jīng)過(guò)變頻器的控制與調(diào)節(jié)，故必須采用大功率的電力電子器件。而現(xiàn)階段的變頻器存在造價(jià)高、體型龐大、功率因數(shù)低等問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，異步軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù)通過(guò)雙饋異步電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率補(bǔ)償來(lái)穩(wěn)定頻率和電壓，節(jié)能效果十分顯著。

（2）電力推進(jìn)。以往電力推進(jìn)技術(shù)僅用于小型船舶之中，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，如今電力推進(jìn)在大型船舶中也有所應(yīng)用。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的類(lèi)型比較多樣：按照動(dòng)力來(lái)源的不同，可分為柴油機(jī)式和燃?xì)廨啓C(jī)式；按電機(jī)布置形式，可分為機(jī)艙式與吊艙式；按傳動(dòng)方式的不同，可分為交流傳動(dòng)推進(jìn)和直流傳動(dòng)推進(jìn)兩種，其中交流傳動(dòng)推進(jìn)是近幾年發(fā)展的主要方向，原因在于交流傳動(dòng)更能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)

機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄及警報(bào)，可以有效降低輪機(jī)員工作強(qiáng)度，同時(shí)大大提高船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)發(fā)展方向有：一是引入自動(dòng)化綜合系統(tǒng)，以更加準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并排除故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。二是研發(fā)DCS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中管理，這樣既能在微機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行報(bào)警顯示，又可以控制各電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。DCS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三層微機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，其中主站位于控制室，具有界面顯示、打印等功能，而通訊站、信息轉(zhuǎn)發(fā)站及各類(lèi)分站等設(shè)置在機(jī)艙中，各分站分別具有獨(dú)立的監(jiān)測(cè)功能，所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)信息轉(zhuǎn)發(fā)站發(fā)送至主站，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、控制、通信三者的有機(jī)結(jié)合。

2.3 可靠性保障技術(shù)

（1）電磁干擾技術(shù)。電磁干擾是影響船舶航運(yùn)的重要因素，尤其是一些導(dǎo)航儀器與強(qiáng)電設(shè)備在啟停瞬間對(duì)電磁干擾十分敏感。電磁干擾的產(chǎn)生需要具備三個(gè)條件，一是干擾源，二是將電磁干擾導(dǎo)向電力系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，三是對(duì)電磁敏感的接收元件，只要破壞上述條件中的任意一個(gè)，就可以有效屏蔽電磁干擾，具體的方法包括消除干擾信號(hào)、隔離干擾源、切斷電磁傳播路徑等。例如，采用獨(dú)立的供電設(shè)備，并設(shè)置相應(yīng)的濾波裝置，對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，可以有效解決交流電源所帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題。再比如，通常電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的信號(hào)輸入部分設(shè)置在船舶駕駛室，而信號(hào)接收部分則設(shè)置在機(jī)艙中，兩者之間的信號(hào)線路較長(zhǎng)，容易受到電磁干擾，對(duì)此，建議采用電磁屏蔽性能較好的傳輸介質(zhì)，也可以將遙控系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)分開(kāi)，均對(duì)解決電磁干擾有較好的效果。

（2）儲(chǔ)備冗余處理。儲(chǔ)備冗余技術(shù)通過(guò)增設(shè)并聯(lián)單元的方式來(lái)提高船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。在船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，通常需要開(kāi)設(shè)三臺(tái)機(jī)組儲(chǔ)備，且各機(jī)組儲(chǔ)備的設(shè)計(jì)功能基本一致，以確保各機(jī)組既能夠獨(dú)立運(yùn)作，又能夠相互備用。正常情況下，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的工作與儲(chǔ)備單元是彼此分開(kāi)的，各單元既能夠獨(dú)立運(yùn)作，也能夠相互合作，若其中任一單元在運(yùn)作期間發(fā)生故障，則儲(chǔ)備單元可立即進(jìn)入工作狀態(tài)，從而大大提高了船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

（3）容錯(cuò)技術(shù)。容錯(cuò)技術(shù)是指提高系統(tǒng)的故障容忍能力的一種技術(shù)，具體涉及兩方面：一是故障檢測(cè)。當(dāng)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，利用容錯(cuò)技術(shù)能夠第一時(shí)間定位故障性質(zhì)、位置，并予以自動(dòng)化隔離，從而將故障影響控制在一定范圍之內(nèi)，確保系統(tǒng)整體的安全性。二是故障控制。當(dāng)容錯(cuò)技術(shù)檢測(cè)到系統(tǒng)故障后，能夠自動(dòng)得出故障診斷結(jié)果，并根據(jù)診斷結(jié)果采取相應(yīng)的處理措施，以確保電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)作。故障處理具體流程如下：故障檢測(cè)→分析故障性質(zhì)及位置→確定故障單元→將故障檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平信號(hào)→將故障交給決策單元處理。而根據(jù)故障類(lèi)型的不同，又有以下幾種不同的處理策略： I類(lèi)故障，啟用儲(chǔ)備機(jī)組，降低故障機(jī)組負(fù)荷量；II類(lèi)故障，啟用儲(chǔ)備機(jī)組，同時(shí)將故障機(jī)組延時(shí)關(guān)閉，以便進(jìn)行故障處理；III類(lèi)故障，關(guān)閉故障機(jī)組，并啟用儲(chǔ)備機(jī)組。需注意的是，當(dāng)出現(xiàn)II、III類(lèi)故障時(shí)，機(jī)組在停機(jī)的同時(shí)會(huì)生成一個(gè)阻塞信號(hào)，在該信號(hào)消除之前，機(jī)組無(wú)法接受新的啟動(dòng)指令。因此，必須在排除故障之后，通過(guò)相應(yīng)指令來(lái)擦除阻塞信號(hào)，方能使機(jī)組恢復(fù)正常，這樣能夠有效避免故障擴(kuò)大，提升系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶電氣自動(dòng)化是一套十分復(fù)雜的技術(shù)體系，涉及電力電子、自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警、可靠性保障等多個(gè)方面。今后應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)的研究，在進(jìn)一步提高船舶自動(dòng)化水平的同時(shí)，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，促進(jìn)船舶電氣自動(dòng)化事業(yè)的穩(wěn)定進(jìn)步與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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