大型船舶日用水集中監控系統方案

劉毅，潘錦平

(中國船艇設計中心，武漢 430064)

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大型船舶日用水集中監控系統方案

劉毅，潘錦平

(中國船艇設計中心，武漢 430064)

結合大型船舶日用水系統設備信息化和自動化管路的需求，提出一種適用于大型船舶的日用水集中監控系統方案，分析系統設備組成、功能、性能、架構和接口，該方案能有效提高全船水資源的管理能力，減少船員的工作強度，提升全船的信息化和自動化水平。

大型船舶；日用水；監控；方案研究

船舶動力裝置需要消耗大量淡水，主要用作柴油機冷卻水、鍋爐給水、蓄電池用水等。這些淡水一般采用專用水艙儲存，但是對于大型船舶，由于連續航行時間長，與補給基地相距遠，要儲備足夠的淡水；遠洋船舶航行也要求能源源不斷地補充淡水[1]。

目前大型船舶已經實現對重要輔助機電設備(如發電機、舵機等)的監測、報警和控制，但未能對日用淡水系統日常使用較多的設備進行監控管理。日用淡水系統設備分布在全船的不同部位，尤其集中在機艙、泵艙等人員不易到達的部位。設備對船舶淡水系統的安全性有著或大或小的影響，一旦發生故障，需要及時處理。傳統的管理辦法是安排船員值班巡視，記錄每臺設備的運行狀態，排查故障。但是對于大型船舶，船員編制有限，設備數量大，對于信息化和自動化需求愈發迫切，這種傳統的管理方式逐漸趨于落后，因此需要建立一套自動化程度較高的日用水集中監控系統。

1 監控系統

鑒于日用水系統設備的分布特點，集中監控系統可采用典型的分布式測控架構，分層采集和控制，實現統一管理。

全船設置1臺集中管理的數據監控箱，實現對日用水系統設備運行狀態的監測、故障報警和控制，下設監控模塊。監控模塊可按照防火區或水密區設置，實現區域內監控信息統一采集轉發。監控模塊根據設備布置為現場均布，還可作為區域監控中繼設備，用于解決因設備與監控模塊之間距離過遠而造成的信號衰減問題。另外在管路上設置電液式閥門，實時監控系統運行的狀態，并對水量、水質等重要指標進行監測存儲。

日用水集中監控系統由數據監控箱、監控模塊、淡水補給控制箱、電液式閥門、水量監測模塊和水質檢測模塊組成。

1)數據監控箱。數據監控箱由電源模塊、數據采集模塊、數據輸出模塊、以太網通信模塊、CAN通信模塊、顯示模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。全船一般設置1臺數據監控箱，監控箱布置在機電集控中心，集中實現日用水集中監控系統監測、報警和控制功能。

2)監控模塊。監控模塊由電源模塊、數據采集模塊、數據輸出模塊、CAN通信模塊、RS485通訊模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。監控模塊全船均布，其數量根據日用水集中監控系統分區確定，一般一個監控區設1臺監控模塊。

3)淡水補給控制箱。淡水補給控制箱由電源模塊、數據采集模塊、數據輸出模塊、RS485通信模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。淡水補給監控箱一般設置在露天平臺岸補、海補接口處和造水機附近，其數量根據補給處所和造水機艙室數量確定。

4)電液式閥門。電液式閥門由驅動頭、閥門、15 m線纜和接線盒組成。電液式閥門主要用于液艙進出水控制，供水及調撥總管的控制等，其數量根據淡水艙數量及淡水總管數量確定。

5)水量監測模塊。水量監測模塊由電磁流量計、通信模塊、數據采集模塊組成。數量監控模塊主要用于采集系統的耗水量，其數量根據供水裝置的數量確定。

6)水質檢測模塊。水質檢測模塊由余氯傳感器、濁度傳感器、信號變送器、電源模塊、顯示模塊、數據通信模塊、水樣采集模塊、設備支架以及數據采集、處理及通訊軟件組成。主要用于檢測全船淡水的水質[2]，一般全船配置1臺。

2 功能

2.1 系統功能

日用水集中監控系統主要用于對全船的洗滌冷水系統、洗滌熱水系統、飲用水系統、艙底水系統、淡水制備系統、淡水閉式循環冷卻系統及甲板漏水系統進行集中監測、報警和控制。

日用水集中監控系統通過設置的1臺數據監控箱和每個區域內設置的監控模塊采集本區域內設備運行狀態和綜合故障報警、淡水消耗量、閥門開閉狀態和綜合故障報警等信息，并執行部分設備的遙控、閥門遙控開閉等控制。監控系統功能流程見圖1。

2.2 主要設備功能

1)數據監控箱。數據監控箱通過平臺網絡以雙冗余以太網形式接收淡水艙、艙底油污水艙等液艙的液位信息，并進行顯示。數據監控箱具有系統內部分設備的遠程遙控控制，具有系統內電液式閥門開閉的遙控控制，以實現淡水補給、調撥、水艙取水等控制功能。

數據監控箱通過雙冗余CAN總線接收各監控模塊采集的電動疏水泵、凝水排放裝置、熱水裝置、水質調節裝置、循環過濾裝置、水量監測模塊、海水/淡水板式換熱器、變頻供水裝置、反滲透海水淡化裝置、水質后處理裝置、礦化裝置、消毒劑投放裝置、淡水泵，淡水艙、消毒劑投放、循環過濾控制閥，海水/淡水板式換熱器、油污水收集艙控制閥、電動疏水泵、電動柱塞泵等設備的狀態信號、故障報警，淡水消耗量，淡水循環泵出口水質(濁度和余氯)及電液式閥門的啟閉狀態及故障報警等信息，并進行顯示。同時接收淡水補給控制箱的閥門遙控啟停指令，進行相應閥門啟停控制。

數據監控箱能通過監控模塊對熱水裝置、海水/淡水板式換熱器、變頻供水裝置、反滲透海水淡化裝置、淡水艙控制閥、淡水泵，消毒劑投放、循環過濾控制閥，電動疏水泵、礦化供水泵進行遠程遙控。

2)監控模塊。每臺監控模塊分別采集相應區域內設備的運行狀態及故障報警、淡水消耗量、淡水循環泵出口水質(濁度和余氯)及電液式閥門的啟閉狀態及故障報警等信息，并通過雙冗余CAN總線傳輸給數據監控箱，并在數據監控箱上進行狀態及報警顯示。

監控模塊通過RS485通信接口、和開關量輸入接口采集對應區域內設備和電液式閥門的狀態和綜合故障報警信息，并通過雙冗余CAN總線將采集對應區域內設備的運行狀態和綜合故障報警信息，以及淡水補給控制箱的閥門遙控啟停指令發送給數據監控箱。

監控模塊通過雙冗余CAN總線接收數據監控箱發送的控制指令實現系統內部分設備的遠程遙控控制和系統內電液式閥門開閉的遙控控制，以實現淡水補給、調撥、水艙取水等控制功能。

監控模塊通過RS485通訊接口采集淡水補給控制箱的閥門遙控啟停指令。

3)淡水補給控制箱。淡水補給控制箱具備系統內各電液式遙控閥門的遙控啟?？刂乒δ埽和ㄟ^RS485通信接口發送閥門啟?？刂浦噶罱o對應的監控模塊，再由監控模塊將閥門啟?？刂浦噶钔ㄟ^CAN總線發送給數據監控箱，最后由數據監控箱向對應區域的監控模塊發送指令實現控制。

淡水補給控制箱具備日用水系統中各淡水艙的液位顯示功能。

4)電液式閥門。電液式閥門接收監控模塊的控制信號，實現相應管路的通斷控制。

5)水量監測模塊。水量監測模塊對各變頻供水裝置的淡水輸出量進行測量，并將信息傳輸給監控模塊。

6)水質監測模塊。水質監測模塊對淡水循環泵出口水質(濁度和余氯)進行監測，并將信息傳輸給監控模塊。

3 性能

1)數據監控箱。①船供AC220 V/50 Hz三相電源；②以太網：10～100 M自適應；③RS485通信接口；④具備加固顯示屏顯示及遠程遙控功能。

2)監控模塊。①船供AC220 V/50 Hz三相電源；②RS485通信接口。

4 架構

日用水集中監控系統采用分布式構架[3]，系統的組成設備分為3層，分別為監控管理層、區域采集控制層和現場設備層，見圖2。

監控管理層設備由集中監控臺組成，是日用水集中監控系統的上級系統：輔機集中監控系統的人機交互的接口，通過總線以太網獲取各區域的輔機監測數據，以友好人機界面的形式，顯示全船輔機的啟停運行狀態，對故障進行聲光報警，實現對輔機的遠程控制操作。

區域采集控制層是日用水集中監控系統的中間層，由數據監控箱、監控模塊及區域子網組成，區域子網是現場總線網絡，數據監控箱與監控模塊通過總線相連，將區域內設備及閥件的監控信息集中處理，現場采控模塊根據設備的分布現場布置，可解決設備位置分散的問題。這種區域子網的結構形式可提高總線主干網的網絡傳輸效率，避免接入點過多而信息量小，同時還滿足分布式的測控需求。

現場設備層主要是分布在管路上的淡水補給控制箱、電液式閥門、水量監控模塊和水質監控模塊，為系統提供設備運行狀態信號和控制接口，如提供開關量、模擬量信號或通信的輸入輸出。開關量規格為DC24 V，模擬量規格為4～20 mA，通信接口可統一為RS485，可以覆蓋大多數的傳感信號和監控信號。

5 接口

日用水集中監控系統的接口可分為2類：一類通過硬線連接；一類通過通信線連接。

1)與上級系統接口。日用水集中監控系統數據監控箱通過平臺網與上級系統的集中監控臺進行通信，向上級系統(輔機監控臺)發送采集到的日用水系統設備狀態和報警信息，并向日用水系統設備發送輔機監控臺的控制信號。

2)與日用水系統接口。日用水集中監控系統采集模塊通過CAN總線、RS485總線、觸點信號、模擬量信號等方式與日用水系統設備進行通訊，采集日用水系統設備狀態和故障報警信號，同時把日用水集中監控系統數據監控箱和上級系統集中監控臺的控制信號傳輸給日用水系統設備。

3)與配電系統接口。

數據監控箱。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

監控模塊。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率3 000 W。

淡水補給控制箱。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

4)人機操作接口。日用水集中監控系統人機操作接口通過軟件實現，在日用水集中監控系統數據監控箱和上級系統集中監控臺可集中處理日用水系統設備的監控報警信息，軟件可按分系統進行界面劃分，以便于不同系統的集中管理。

日用水集中監控系統洗滌冷水主控界面如圖3所示，可實現不同供水工況的選擇與轉換，進行高、低區管網監控界面轉換等控制功能。

日用水集中監控系統洗滌冷水管網監控界面如圖4所示，可實現電液式閥門控制及各水量的實時動態數據觀察。

依照變頻供水系統的基本特性[4]，日用水集中監控系統不僅可以監測全船耗水量，還能夠顯示實時供水裝置出口流量曲線和裝置出口流量分布統計數據。變頻供水裝置出口流量曲線和出口流量分布統計見圖5和圖6。

6 結論

基于日用水系統的特點和設備功能，通過對系統設備組成、功能、性能、架構和接口的分析研究，提出一種適用于大型船舶的日用淡水集中監控系統方案。該系統采用典型的分布式測控架構，分層采集和集中控制，實現統一管理，有利于提高對全船水資源的管理能力，提高日用水系統設備的運行效能和故障保障能力，減少船員的工作強度，提升全船的信息化和自動化水平。

[1] 宋瑋,船用反滲透海水淡化裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2007.

[2] 楊俊.船舶淡水渾黃案例分析[J].中國水運,2013,13(9):115-116.

[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.

[4] 朱玉堂.變頻恒壓供水系統的研究開發及應用[M].杭州：浙江大學，2005.

On Monitoring and Controlling System of Daily Water System for Large Ship

LIU Yi, PAN Jin-ping

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

According to information and automation development needs, a scheme of monitoring and controlling system of daily water system for large ship was proposed. The equipment composition, function, performance, structure and interface of the system were analyzed. The system can improve the management ability of water resource for the ship, reduce the working strength of crew, improve the level of normalization and automation for the ship.

large ship, daily water, monitoring and controlling, schematic studies

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.015

2017-01-18

國家部委基金資助項目

劉毅(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶保障系統

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0066-04

修回日期：2017-03-07