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船舶自动化系统设计要领 造船委孙国强陈 燕 1 概述 基于信息技术和计算机网络技术迅速发展及其在船舶上的应用,使当代的船舶自动化监控系统技术,由 传统的计算机网系统,发展到超自动化程度的数字化信息平台综合监控系统,这种数字化信息平台综合监控 系统,已被用在国内外某些大型军舰和豪华游轮上,由于该系统采用大容量高速响应的以太网、分布式实时 数据库和虚拟局域网V L A N 技术,其系统结构简单、技术先进、功能完善、操作方便、适用性强。 船舶数字化信息平台综合监控系统,一般由主局域网和子局域网组成,即依据实际需要,把全船计算机 网络分为若干个子局域网,如主机遥控、机舱报警、电站管理、货舱液位测量、阀门遥控、船舶通信导航、视频 监视和船舶管理等子局域网。在各局域网内,均配有双套交换机、服务器和数据库,并采用光缆或通信网络电 缆,连接成双环形结构( 也有连接成星形或环形一星形混合结构) 。通过网络交换机,由主局域网把全船各子 局域网连接在一起,组成一个统一的船舶信息数字化监控平台,各子局域网为下级网络平台,子局域网下属 各被监控设备的计算机监控单元,为最基本的应急数字监控系统,通过区域权限管理和虚拟网V L A N 技术, 进行优先级控制,根据实际需要,由主局域网、子局域网或应急数字监控系统,对每台设备实施有效的三级数 字化实时监控,即在正常航行时,通过主局域网数字化平台,直接对全船被监控设备进行有效实时监控,若主 网控制系统发生故障,可方便地转换至各子局域网,通过其相应的数字化平台,对各子系统设备进行有效的 常规集中监控,万一某些子局域控制系统失灵,可及时转至就地控制单元,通过就地计算机数据库及P L C 逻 辑控制系统进行应急控制,且各监控系统相对独立,互不影响,其数字化信息平台综合监控系统拓扑结构见 图l 。 为保证全船数字化信息综合监控系统高速安全运行,对主网、子网和应急网络的数据传送速率,根据实 际需要进行分级合理配置,一般在主网内部以及在主网和子网之间,其数据传送速率为1 0 0 0 M b p s ( 即千兆 网) 或更高的速率,采用光缆连接,在子局域网内部以及子网和其所属设备之间,其数据传送速率为1 0 0 M b p s ( 即百兆网) ,采用通信网络电缆连接,在用于设备就地控制的应急网络内,其数据传送速率不大于1 0 M b p s , 采用六类屏蔽通讯电缆连接。 2 实例 尽管船舶数字化信息平台综合监控系统,比传统的计算网络监控系统有其无比的优越性,但在船舶自动 化系统设计时,要根据船舶的实际情况、用户的需求和所选用设备的技术状态,进行具体分析论证,要选取技 术先进、结构简单、工作可靠、经济适用的最佳方案。 通常被检测超过1 0 0 0 0 点的大型舰艇和船舶,其监控系统复杂,要求控制性能高、数据容量大、传送速 率高,一般应选用高速大容量的数字化信息平台综合监控系统,对于中小型船舶,尽管自动化程度也很高,其 监控系统也异常复杂,由于其被测点较少,考虑其系统的经济性和适用性等因素,一般选用传统式计算机监 控系统为宜。 例如,在上海京荣船舶设计有限公司设计的6 0 0 0 吨级化学品船中,其自动化设备要求按照一人桥楼配 孙国强陈燕上海京荣船舶设计有限公司 一1 6 2 图l 船舶数字化信息监控平台网络拓扑图 置,自动化系统入德国G L 周期性无人值班机舱级,在其自动系统设计中,经分析论证后,我们优先选用了传 统式计算机网络监控系统,其系统基本设计思路及特点如下所述: 2 1 基本技术状态 本船主推进装置,是用1 台非逆转中速柴油机作为主机,经齿轮箱变速后,分别驱动C P P 主推进器和 m 轴带发电机运行,轴带发电机又兼作朋用,即在应急工况,用作驱动主推进器的电动机,以取代主柴 油机;电站由3 台主柴油发电机组、l 台轴带发电机组和l 台应急发电机组组成,应急发电机又兼作停泊发 电机用。在正常航行时由轴带发电机对全船供电;进出港时,由2 台主柴油发电机组并联运行对全船供电;在 卸货时,用3 台主柴油发电机组并联运行对全船供电。液货泵和压载水泵采用由液压动力驱动的潜液泵,该 液压动力泵站兼作首侧推器的液压驱动力;所有液货舱、污油舱、压载水舱、淡水舱的阀门均需遥控,且各舱 配有相应的液位、压力、温度测量系统;液货舱、污油舱配有高液位及高高液位报警系统,并配有制氮装置。船 内通信采用多媒体综合通信系统,船外通信,除配有常规的无线电台、海事卫通C 站外,尚配有卫通F 站和 高速宽带的卫通S E v S A T 站;在驾驶室,除配有常规的导航设备外,尚配有双套电子海图仪等;船舶管理局 域网在每个船员房间、及各主要控制站均设有通信终端,以便对船内、外通信。 2 2自动化系统网络拓扑图 综合上述,尽管本船吨位不大,但设备齐全,技术先进,功能完善,为确保船舶航行安全、满足周期性无人 值班机舱与一人桥楼驾驶的要求,并充分考虑经济适用性和“减排”等要求,其自动化系统设计,系根据各系 统对保证船舶安全航行的重要程度,而分级区别配置相应的监控设备,对于有助于船舶“节能”和“减排”的因 素,要合理安排充分利用,同时,要尽量简化计算机网络监控系统,充分利用网络计算机的资源,尽量扩展网 络服务范围,提高网络服务能力,最大限度的满足用户需求,在图2 中,已体现了该船计算机网络的基本功 能和设计理念。 2 3 自动化系统特点 其一,图2 为该船计算机网络拓扑图,是星形结构,通过船舶局域网交换机,把机舱主辅机监控局域网、 阀门遥控和各种油舱、水舱的液位监控局域网、船舶管理局域网、多媒体综合内通、卫星通讯站和船舶导航系 统,联结成一个传统式全船局域网络,其全船网络数据共享,在各个子网之间,通过互连不同网络段的网桥 一1 6 3 ( B “d g e ) 或路由器( R o u t e r ) 进行数据交换,并使各子网相对独立,保护其子网工作安全可靠。与图l 所示的数 字化信息平台监控系统网络拓扑图相比,无论从网络技术、网络结构或网络性能诸方面,均有很大差异。图 1 所示的是大容量、高速双环形局域网,通过虚拟网V L A N 技术,各网络段之间可直接进行数据交换,无需借 助于网桥或路由器转换,可进行三级实时监控。而图2 所示的系统,仅能在部分子局域网中进行实时监控, 在其余局域网内仅能实时监视。 其二,图2 所示的计算机网络拓扑结构,实质上是由单回路子局域网、双回路子局域网、以及单项控制 系统组成了一个混合网络,其结构简单、方法灵活。首先,对能保证船舶安全航行的主推进装置、电站管理单 元、重要辅机监控设备,配置了5 台计算机和2 台打印机,采用双回路冗余子局域网,它是该船一级重要网 络;其次,对阀门遥控、液位测量和配载系统,也同样配置了5 台计算机和2 台打印机,而选用了单回路子局 域网,是该船二级重要网络;再者,对船舶管理、通信及娱乐系统配置1 台交换机和3 0 个终端,分布于各船 员住所和控制站,同时,通过其交换机,把多媒体综合内通、卫星通信站和导航系统连接在一起,构成一个非 重要网络。再看其网络通信方式,该网络既保留了传统计算机网络的特征,即在各个子网之间,是通过网桥或 路由器进行数据交换,并没有使用虚拟网V L A N 技术等;同时,该网也具有数字化信息监视平台的功能,尽 管在数据传送速率和容量远不及图1 所示的网络,但该网是在现有网络设备的基础上,使船舶数据资源达 到最大限度的共享和使用,使计算机网络资源充分利用,这是系统设计所追求的。 图2实船数字化信息监视平台网络拓扑图 其三,从图2 所示的计算机网络拓扑图可看出,该网络为开放型,通过船舶局域网交换机、各子局域网 或监控系统网络集线器,根据用户需要,可随时增加子网或子监控系统。例如:在多媒体综合内通系统,可增 设视频监视设备,可对机舱主辅机、上甲板装卸货工作区,尾排卸货区的工作状态,进行有效视频监视;在导 航系统,充分利用2 套电子海图的技术条件,增配有导航软件,并与自动( 自适应) 操舵仪相协调,可实现自 动导航功能,实施一人桥楼驾驶;在卫星通信系统,增配些管理软件,充分利用s E V S A T 的通信优势,最大限 度的满足船岸通信、视频传输和船员的娱乐享受等。 3 自动化系统设计体会 其一,系统设计理念要更新。船舶自动化系统的设计理念,要随着科学技术的飞速发展而不断更新和完 善。在计算机技术尚未在船上使用之前,船舶自动化系统,只能设计成较简单的,各自独立的检测、控制、报警 1 6 4 和显示系统,其系统功能简单、工作性能较差,各系统资源难以共享和充分利用,即船舶自动化设备的技术状 态,严格制约了船舶自动化系统的发展,逐步形成的根据产品配置系统的传统设计理念,这种理念不突破,就 难以设计出好的监控系统,也不利于老产品的更新换代。随着信息技术和计算机网络技术的迅速发展,数字 化信息平台综合监控系统在国内外大型军舰和豪华游轮上的应用,为船舶自动化系统设计创造了良好条件, 使我们能够摆脱产品的制约,根据实际需要设计出理想的系统,并不断促使相关产品的技术性能的改进和提 高,以满足系统的需要,逐步形成一种新的设计理念。 其二,系统设计要有超前意识。船舶自动化系统是跟据用户要求、相关规范、公约规定进行设计,这是最 基本的,也是最低的要求,况且这些要求和规定均来自于航运业的实践,应予以满足,但仅仅做到这些还不 够,应立足于更高层次,设身处地为用户、为建造者多思考些问题。所谓系统设计的超前意识,即在自动系统 设计中,不仅要追求系统的技术先进性、工作安全可靠性、经济适用性,而且要在开发“高附加值”船型上作些 文章,要使用户和制造者花同样的钱,得更多的效益,逐步以新船犁引导市场,指导消费。例如,目前有些用户 对船舶自动化系统的使用,仍处于深入思考阶段,他们要求主机在驾驶室遥控、电站要自动控制、机舱主要辅 机要实现自动控制,但不入自动化级,这似乎是为了节约用费和保证使用安全,其实不然,因上述设备配置, 已基本满足了无人值班机舱的要求,设计者要对其资源予以合理分配,若对系统精心设计和建造,是能够达 到入自动化级要求的,入级后,不仅仅提高了船舶机舱自动化等级和船舶自身的附加值,而且有效的保证了 用户合理使用这些设备的权益,可避免安全事故中的意外损失。 其三,纵观全局,着眼细节。船舶自动化系统实质上是一种涉及专业范围广、科技含量高、工作难度大的 较复杂的系统工程,该系统包括全船综合监控系统、各区域设备的集中监控系统、各设备自身的监控系统等。 所谓纵观全局,就是在自动化系统设计中,首先要从全局出发,对全船监控系统要进行统筹安排,要根据船 型、用户要求和所选用设备的技术状态等,确定适用于该船的自动化监控系统总方案,并根据各区域监控系 统实际需要,分级合理配置相应的监控设备,制定主控局域网、各区域的子局域网络的拓扑图及其通讯速率 等。所谓着眼细节,就是在总的监控网络拓扑确定基础上,必须针对各区域所隶属的具体监控子系统,进行科 学配置和精心设计,使各子监控系统更加科学化、人性化,以促使该船的“节能”和“减排”。例如,在设计机舱 监测报警系统时,要对机舱各种油舱的温度,予以严格监控,对于需要加热的油舱,均应设有温度检测、报警, 对于保持油温较高的燃油日用舱、燃油沉淀舱等,均应设置温度自动控制装置,严格控制所有被加热油舱的 温度保持在规定值,这不仅仅减少用以加热的能源,即“节能”,而且也有利于使机舱环境温度控制在设定值, 进而使主、付机能稳定在最佳燃烧状态下运行,这有助于改善主、付机的排气质量,即“减排”;又如,在已实现 周期性无人值班机舱的自动化船舶上,且在驾驶室导航系统中,已配有自动( 自适应) 操舵仪和双套电子海图 的基础上,应能使用电子海图进行自动导航,因自动导航不仅节省人员,而且使船舶能自动按照所设定的线 路航行,这样,既能缩短航程,又减少了耗油量,即有利于“节能”;再如,在设计阀门遥控系统和各舱油、水液 位监控系统时,应尽可能使两系统并为一体处理,以便简化系统,降低监控系统自身的
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