20 000 TEU超大型集裝箱船閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計

楊雪蓮, 陳 霖, 張明耀

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

規(guī)模經(jīng)濟和技術(shù)的快速發(fā)展，推動了船舶大型化的發(fā)展趨勢。20 000 TEU超大型集裝箱船在規(guī)模經(jīng)濟和運營成本方面表現(xiàn)優(yōu)異，整船采用雙島結(jié)構(gòu)，總長達(dá)399.8 m，閥門遙控系統(tǒng)作為電氣自動化的重要組成，可基于集中控制理念,對分散布置于全船的壓載、燃油輸送及消防等系統(tǒng)的閥門進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，可有效降低工作強度，減少一定的工作風(fēng)險。

1 閥門遙控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

為達(dá)到壓載、消防、燃油等系統(tǒng)管路重構(gòu)，以及橫縱傾平衡或進(jìn)出港控制等目的，20 000 TEU超大型集裝箱船全船共設(shè)置100多套遙控閥，這些閥門分散布置于海水吸口、結(jié)構(gòu)艙柜和機艙區(qū)域內(nèi)，以實現(xiàn)全面、準(zhǔn)確和安全的監(jiān)測和控制，并確保有效響應(yīng)。

1.1 參考設(shè)計準(zhǔn)則

閥門遙控系統(tǒng)是一套計算機控制系統(tǒng)，為確保系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的功能性及安全性，應(yīng)用于船舶的閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下主要原則。

1.1.1 設(shè)計參考規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)規(guī)格書中的通用準(zhǔn)則，分析識別相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)或港口的特定標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計應(yīng)滿足:(1)GL鋼質(zhì)船規(guī)范；(2)IAMCS UR E10；(3)SOLAS；(4)IEC 60092。

除上述通用準(zhǔn)則外，在功能設(shè)計方面還應(yīng)遵循規(guī)格書相關(guān)章節(jié)要求，參考船舶所有人的習(xí)慣及工程特點等因素進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計和優(yōu)化。

1.1.2 安全性設(shè)計原則

作為關(guān)系船舶運營的重要系統(tǒng)之一，系統(tǒng)設(shè)計遵循失效安全原則。根據(jù)每個閥的服務(wù)對象和目的，系統(tǒng)內(nèi)的安全態(tài)分類設(shè)定為失效打開、失效關(guān)閉和失效保持等3個狀態(tài)。為確保系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)應(yīng)滿足獨立性原則，即整體獨立于其他系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)控制架構(gòu)設(shè)計

由于遙控閥布置分散、通信距離遠(yuǎn)且維護(hù)不便，必須采用合理的控制技術(shù)，通過合適的控制網(wǎng)絡(luò)，有效地對遙控閥進(jìn)行集中監(jiān)測和控制，提升系統(tǒng)在控制響應(yīng)、通信可靠性、操作維護(hù)便利性等方面的性能。在船舶配套市場中，閥門遙控系統(tǒng)產(chǎn)品眾多，主要生產(chǎn)廠家有PLEIGER、NORDIC、DAMCOS、EMERSON和HOPPE等，各廠家產(chǎn)品類型和特點多樣。需要通過對比分析，選擇適用的技術(shù)方案，以匹配20 000 TEU超大型集裝箱船的閥門遙控系統(tǒng)的特征要求。

1.2.1 驅(qū)動控制技術(shù)分析和選擇

遙控閥驅(qū)動技術(shù)是采用壓縮空氣、液壓油或電能驅(qū)動[1]，實現(xiàn)閥門快速開關(guān)和保持的技術(shù)。遙控閥的性能因驅(qū)動方式不同而有所區(qū)別，主流的驅(qū)動方式有以下4種:

(1) 液壓驅(qū)動型。液壓驅(qū)動型采用液壓介質(zhì)驅(qū)動閥頭動作。液壓驅(qū)動響應(yīng)速度快、輸出扭矩大，并具有更高的控制精度和抗偏離能力，但安裝維護(hù)不便且油黏度易受外界影響而導(dǎo)致輸出變化。

(2) 氣動驅(qū)動型。氣動閥原理同液壓類似，工作介質(zhì)從液壓油變成了壓縮空氣，使用優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、無污染，但氣體壓縮有延遲，響應(yīng)速率不足。

(3) 電動驅(qū)動型。電動閥使用電能作為動力，采用電機驅(qū)動方式實現(xiàn)閥門開關(guān)。電動驅(qū)動的特點在于開關(guān)迅速、具有較高的控制精度和穩(wěn)定性、電纜維護(hù)方便，但響應(yīng)速度慢、機械效率低(通常在25%～60%)。

(4) 電液驅(qū)動型。電液驅(qū)動式是一種電動、液壓的一體整合方案，采用模塊化電機和液壓單元，通過電機驅(qū)動液壓單元，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的開關(guān)控制。該形式兼具電動、液動方式的優(yōu)點，維護(hù)方便[2]。電液式驅(qū)動頭如圖1所示。

圖1 電液式驅(qū)動頭

驅(qū)動方式的選擇應(yīng)根據(jù)閥門扭矩、對象系統(tǒng)、維護(hù)便利性以及成本因素等進(jìn)行多方面綜合分析。由于20 000 TEU超大型集裝箱船跨洋運行、體積龐大、排水量大，為滿足進(jìn)出港壓載調(diào)駁及操縱時的吃水、縱橫傾調(diào)整等需求，需要快速、可靠地開啟和關(guān)閉遙控閥，完成管路重構(gòu)，因而驅(qū)動技術(shù)應(yīng)具備快速、穩(wěn)定的響應(yīng)能力。另外，船舶總長為399.8 m，如果液壓管線過長，存在一定的降壓風(fēng)險，會導(dǎo)致閥頭驅(qū)動力不足。遠(yuǎn)洋航線的氣候環(huán)境具有潮濕、鹽腐等特性，綜合考慮布置的便利性和成本效益等多因素后，本項目采取電液驅(qū)動方式。

1.2.2 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

閥門的控制系統(tǒng)主要由人機界面、控制器、信號采集模塊以及網(wǎng)絡(luò)等幾個部分組成。對市場主流產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，相較于海洋工程或郵船項目，本項目的遙控閥數(shù)量較少，而大型郵船項目采用基于主豎區(qū)的分布式控制方案成本投入更高。適用于本項目的控制系統(tǒng)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):

(1) 以PLC運算功能為核心的集中控制型。如圖2所示，以具備運算能力的PLC為核心，所有遙控閥的控制、狀態(tài)反饋信號都統(tǒng)一連接到控制柜，然后通過網(wǎng)絡(luò)/串口通信等方式與人機界面實現(xiàn)信息交互。

圖2 集中控制型

(2) 以智能儀表為核心的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。近年來，現(xiàn)場總線這類工業(yè)通信技術(shù)的大量應(yīng)用，大幅推動了智能儀表的發(fā)展和應(yīng)用[3]。儀表通過集成控制器，采用現(xiàn)場總線進(jìn)行相互之間及其與上級系統(tǒng)間的信息通信，如CANBus等。總線型閥門如圖3所示。

圖3 總線型閥門

對上述兩個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知：從功能需求層面來看，無論是總線式還是采用PLC的集中控制模式，都能實現(xiàn)所有遙控閥的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，總線的應(yīng)用允許個性化定制更多的狀態(tài)監(jiān)測需求，而增加PLC等架構(gòu)則需要額外的信號模塊和通信電纜；從可靠性和安全性層面來看，兩種架構(gòu)都能滿足設(shè)計需求，尤其在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中允許環(huán)網(wǎng)配置，大幅改善了系統(tǒng)可靠性[4]；從施工方面來看，總線式采用菊花鏈結(jié)構(gòu)，電纜使用量和施工工作量相較于其他星型連接形式更少。總體而言，在技術(shù)層面上，兩種架構(gòu)都適用于超大型集裝箱船，結(jié)合目標(biāo)船舶上閥門數(shù)量有限、布置分散、前后間距達(dá)近400 m的特點，同時考慮監(jiān)測報警系統(tǒng)的容量限制因素，不能支持大量報警點輸入，因此采用PLC集中式架構(gòu)。通過布置在后島的控制箱，根據(jù)控制和反饋回路需求，選用截面積為1.5 mm2的7芯控制電纜連接全船所有的遙控閥模塊，接收/發(fā)送控制指令和狀態(tài)反饋，然后通過物理層的串口輸出到監(jiān)測報警系統(tǒng)。

2 監(jiān)測報警系統(tǒng)功能集成設(shè)計

閥門的操作可以在閥體附近、閥控箱上面板和遠(yuǎn)程控制板實現(xiàn)，并在監(jiān)測報警系統(tǒng)中提供部分監(jiān)測和控制功能。

2.1 遠(yuǎn)程遙控功能替代方案分析

根據(jù)規(guī)范和規(guī)格書對閥門遙控系統(tǒng)控制部分的功能要求， 20 000 TEU超大型集裝箱船的壓載控制站、駕駛室等處所應(yīng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用24英寸(1英寸=0.025 4 m)觸摸屏的監(jiān)測報警系統(tǒng)操作站布置在駕駛室、集控室和壓載控制室。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)：(1)在傳統(tǒng)方案設(shè)計中，壓載控制站內(nèi)監(jiān)測報警和遠(yuǎn)程控制板存在部分功能重疊；(2)在日常操作中，壓載等系統(tǒng)調(diào)駁時，閥、泵、艙容等信息需要在監(jiān)測報警界面中綜合呈現(xiàn)；(3)安裝在后島的控制站與前島間的實際電纜敷設(shè)長度超過400 m，需要額外敷設(shè)光纖。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，客戶在監(jiān)測報警系統(tǒng)上的操作使用率更高，同時利用監(jiān)測報警系統(tǒng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨缚山档驮O(shè)計施工成本，并且在操縱性上，監(jiān)測報警的人機界面更全面和人性化。因此，遵從功能替代設(shè)計原則，取消遙控板，將重要的控制、監(jiān)測等功能集成在監(jiān)測報警系統(tǒng)內(nèi)部，方便快速完成管路重構(gòu)，節(jié)省有限操作空間。

2.2 監(jiān)測報警系統(tǒng)內(nèi)閥控模塊功能設(shè)計

基于集成方案，監(jiān)測報警系統(tǒng)可從串口讀入大量單個閥的狀態(tài)和報警信息，例如閥位開度反饋、關(guān)閉靜止態(tài)、接收關(guān)閉指令閥開狀態(tài)、驅(qū)動指示關(guān)閉但仍在運行等，存在大量信息可選和整合。

2.2.1 遙控閥控制功能

串口通信的優(yōu)勢在于傳輸數(shù)據(jù)量，廠家在接口中提供大量重要或非重要的多類信號，將其全面采用并呈現(xiàn)給操作者并無必要，而且項目采用的監(jiān)測報警系統(tǒng)的最大支持容量是3 000個輸入/輸出點，因此需要將控制功能進(jìn)行提煉和簡化。經(jīng)與運營方溝通，從滿足操作需求和信息知悉性層面，信號選擇基于重要性原則，定義如下：

(1) 在監(jiān)測報警系統(tǒng)中直接提供閥的重要控制和指示信號，包括開關(guān)閥命令、閥位置指示(開關(guān)和開度信號)、遠(yuǎn)程/就地模式指示。

(2) 閥的重要報警信號組合為1個公共報警信號輸出，在監(jiān)測報警系統(tǒng)中顯示，包括閥失效故障、反饋信號偏差、閥開關(guān)超時報警以及丟失反饋等。

(3) 閥門遙控系統(tǒng)報警輸出，包括主、備電源失效報警，低絕緣報警等。

通過上述的報警分類、組合，每個閥的信號點大約6個，可有效滿足操作需要，同時也能滿足監(jiān)測報警系統(tǒng)的容量限制。

2.2.2 界面和權(quán)限定義

為有效地優(yōu)化操作，在界面設(shè)計中采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則，除在傳統(tǒng)壓載、艙底水的P&ID MIMIC圖界面融入設(shè)計方案外，針對開關(guān)過程態(tài)增加閥過程閃爍功能和報警后閥體變色功能，便于快速有效識別。根據(jù)船隊運營分組的需求，駕駛室、機艙集控室、壓載控制室的操作站都配置實時監(jiān)測功能。對于操作控制，根據(jù)運營方的工作分組分區(qū)設(shè)計，壓載控制室作為主控制區(qū)域，具備全船閥門遙控系統(tǒng)操作權(quán)限，機艙集控室具備面向燃油系統(tǒng)等部分的操作權(quán)限，駕駛室沒有操作功能。

2.2.3 總線通信接口匹配控制

現(xiàn)場總線通信是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是設(shè)備間數(shù)字通信的方式，本項目采用PROFIBUS DP總線進(jìn)行通信。為確保通信的有效建立，需要在發(fā)送/接收雙方即閥門遙控系統(tǒng)與監(jiān)測報警系統(tǒng)雙方間明確通信參數(shù):(1)通信接口一致；(2)通信協(xié)議一致；(3)波特率一致；(4)合適的通信傳輸介質(zhì)，如對絞線、PROFIBUS電纜等。

3 結(jié) 論

閥門遙控系統(tǒng)作為船舶壓載、燃油輸送等系統(tǒng)的重要操作組成，采用與監(jiān)測報警系統(tǒng)集成的替代功能設(shè)計方案，通過對信號重要性進(jìn)行梳理和組合設(shè)計，結(jié)合客戶方習(xí)慣的界面和權(quán)限定義，在有效提升操作效率的同時，優(yōu)化了空間布置并減少了設(shè)計施工工作量。監(jiān)測報警系統(tǒng)和閥門遙控系統(tǒng)通常采用總線、串口等通信方式，接口匹配控制是設(shè)計的重要關(guān)注點。

自診斷、智能化是當(dāng)今儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢，閥門模塊集成更多功能、參與更多流程邏輯、執(zhí)行自主診斷運算將為使用方帶來更精準(zhǔn)的控制、更便利的維護(hù)和更好的經(jīng)濟效益。隨著HART無線協(xié)議的發(fā)布，這些新技術(shù)的應(yīng)用必將為閥門遙控系統(tǒng)帶來新的變革。