浅谈船舶电气自动化发展趋势

1、重庆交通大学应用技术学院2013届航运工程系毕业生论文 论文题目：浅谈船舶电气自动化发展趋势班 级：轮机工程 （2） 班 姓 名：吕付帅 指导教师：刘克勤 日 期：2013年4月20日 重庆交通大学应用技术学院航运工程系毕业论文（设计）开题报告专业 轮机工程 班级 轮机工程（2）班 姓名 吕付帅 学号 081101212002 论文（设计）题目：浅谈船舶电气自动化发展趋势 论文（设计）纲目：1.船舶电气自动化概述及船舶电站自动化基本功能 1.1.船舶电气自动化概述 1.2.船舶电站自动化基本功能2.船舶电气自动化技术及自动化电站系统发展现状 2.1.船舶电气自动化技术 2.2.自动化电站系统3

2、.船舶电气自动化系统发展的趋势 3.1.系统监控的综合化 3.2.系统的网络化4.船舶电气自动化领域展望5.总结 6.谢词论文（设计）开始日期 2013 年 4 月20 日 指导教师 刘克勤 毕业论文（设计）评语专业 轮机工程 班级 轮机工程（2）班 姓名 吕付帅 学号 081101212002 题目 浅谈船舶电气自动化发展趋势 论文（设计）篇幅： 图 纸 张 其他附件 指导教师评语：论文成绩 指导教师 年 月 日毕业论文（设计）交叉评语一、交叉评阅评语 二、评阅成绩的评分论文评阅成绩参考标准论 文设 计内容正确性，方案可行性，论证严密性和独创性；数据处理能力，计算能力，分析解决问题能力；文字

3、表达能力及附件质量。工艺及过程论证、计算的正确性和严密性，方案可行性、创新性；数据处理能力，计算机应用能力、分析解决问题能力；设计图纸的质量，文字水平及其他附件质量。给定成绩： 交叉评阅教师签字 年 月 日毕业论文（设计）摘要 题目名称浅谈船舶电气自动化发展趋势指导教师刘克勤承担人姓名吕付帅航运工程 系 轮机工程专业 （2）班 摘 要随着科学技术的发展，船舶机舱从有人值守到自动化机舱的经历了几十年的发展过程。船舶电气自动化是实现机舱自动化、进而实现无人值班机舱的必要条件。本文就与船舶安全和性能关系较大、技术进步较快和具有发展前景的船舶电气自动化及船舶电站自动化基本功能进行简要概述, 针对当前船

4、舶电气自动化技术及自动化电站系统的发展现状，论述了船舶电气自动化发展的趋势（包括系统监控的综合化、网络化）并做出了船舶电气自动化领域的展望。 签名： 年 月 日 指 导 教 师 意 见是否能参加毕业设计（论文）答辩：指导教师签名： 年 月 日毕业论文（设计）摘要 题目名称浅谈船舶电气自动化发展趋势指导教师刘克勤承担人姓名吕付帅航运工程 系轮机工程专业（2）班 摘 要 With the development of science and technology, ship cabin was on duty automatic engine room has experienced decade

5、s of development process.Marine electrical automation engine room automation, thus achieving the necessary conditions for unattended cabin. In this paper, the ship's safety and performance relationship, rapid technological advances and with the prospects for the development of marine electrical

6、automation and automation of ship power station basic functions of a brief overview of the current development status of marine electrical automation technology and automation of power plant systems, discusses the ship the development trend of electrical automation (including system monitoring integ

7、ration, network) and made the outlook in the field of marine electrical automation. 签名： 年 月 日 指 导 教 师 意 见是否能参加毕业设计（论文）答辩： 指导教师签名： 年 月 日 毕业论文（设计）答辩记录项目记录成绩自述答辩组提问答辩组成员答辩时间答辩组组长签名毕业论文（设计）答辩评定一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量写出综合评价） 二、 答辩成绩的评分答辩成绩评分参考标准论 文设 计能否在规定时间内正确地作出报告；语言表达能力、相关知识和问题的理解、掌握情况。能否在规定时间内正确地作出报告；语言表

8、达能力，对相关知识和问题的理解、掌握情况。给定成绩： 答辩小组负责人签字： 年 月 日 浅谈船舶电气自动化发展趋势班级：轮机工程（2）班 姓名：吕付帅 内容提要 :随着科学技术的发展，船舶机舱从有人值守到自动化机舱的经历了几十年的发展过程。船舶电气自动化是实现机舱自动化、进而实现无人值班机舱的必要条件。本文就与船舶安全和性能关系较大、技术进步较快和具有发展前景的船舶电气自动化及船舶电站自动化基本功能进行简要概述, 针对当前船舶电气自动化技术及自动化电站系统的发展现状，论述了船舶电气自动化发展的趋势（包括系统监控的综合化、网络化）并做出了船舶电气自动化领域的展望。关键词：船舶电气、自动化、发展趋

9、势1.船舶电气自动化概述及船舶电站自动化基本功能1.1.船舶电气自动化概述船舶电气自动化指的是船舶电站的自动化，其伴随着通信技术、控制技术以及微处理术而不断发展。电子技术的突飞猛进、集成电路的投入使用以及计算机网络的快速发展，这些良好的技术条件促使船舶电站控制得到了前所未有的新突破。时间推进到2l 世纪，制造业、通讯技术以及计算机辅助设计的逐步成熟，船舶的机舱管理以及货物装卸等多方面都在充分地运用计算机技术。其工作分站能够通过通信卫星与国际互联网进行互联，促进了船与船之问、岸与船之问的有机联系，加强了相互之间的对话，极大地促了信息的交流、咨询、设备的维护、资料备件的查询、船舶的管理以及资料的查

10、阅等一系列业务活动，从而充分地提高了船舶航行的经济型、安全性与可靠性，为航运事业的良好发展奠定了强大的技术基础。1.2.船舶电站自动化基本功能1.发电机组依据电站运行情况和实际负荷需要，按预定的顺序自动起动备用机组,并能自动投入、自动停机；2.故障状态下自动解列、停机的控制；3.发电机组之间的自动并车、电压及无功功率的自动调节、并联运行中功率的自动分配、转移与电网频率的自动调整，重载询问(投入大负载时的自动询问装 置)；4.船舶电站的综合保护（包括发电机组机电故障的自动处理与报警）；5.运行状态显示及故障监视（包括全船断电,欠频监视），系统给定参数的监视 与修改。2.船舶电气自动化技术及自动化

11、电站系统发展现状2.1.船舶电气自动化技术由于计算机与通信技术日益成熟，在驾驶、机舱管理和装货等方面实现了全盘计算机控制。展望21世纪，船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展。船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。该系统通常由两个工作母站、若干个分控制系统及若干个工作分站组成，通常一个工作母站设在机舱控制室，另一个设在驾驶室。两个工作母站完全独立，可同时或单独操作，并互为备用。分控制系统将根据船舶种类和自动化程度而定，如主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵阀控制、液位遥测和压载控制、冷藏集装箱监控、自动导航等。所有工作母站和分控制系统

12、采用高速传输技术组成一个综合网络系统，在网络上根据需要连接一定数量的工作分站，以达到在船舶重要部位对各设备进行监测和操纵等目的。同时，其工 作分站可以作为一个窗口，与船舶对外通信设备联网，借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段，执行岸与船、船与船之间对话，进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动，从而最大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。目前德国西门子公司、挪威挪康公司、丹麦约克船舶公司等国际著名的船电产品制造商已有较成熟的技术和相应的配套产品，并己实际应用于各类船舶。最新的船舶自动化设备技术的发展趋势是将程序控制分为小型的智能单位，就地操纵

13、。如西门子公司的SIMOS IMAC 55就是这样分片操作、具有开放式的有监测报警和故障诊断控制的系统，它控制和监测无人机舱管理中所有重要的方面，如监测和报警、动力管理、燃油系统、压舱系统等的泵和阀的控制，燃油消耗记录，舱内液面监测和油、水量计算，货物控制和监测，安全功能及保养功能。SIMOS IMAC 55（德国Siemens公司的SIMOS IMAC55是一个全开放的模块化分布式网络型监视、控制和报警系统，其系统的构建均采用了工业际准组件，各个功能模块通过网线与设在不同位置的操作站一起形成一个船舶计算机网络）有整列的接口，可使资料与其它电脑或控制系统交换。卫星通信系统通过卫星联网，具有多路

14、终端的能力，可改进船舶管理。21世纪将会有越来越多的新建船舶配套船舶综合自动化系统，用计算机进行全船智能管理，其运行可靠，能预先检测故障，确定预防保养和维修，保证安全、经济地操作。2.2.自动化电站系统从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制、集中式自动控制和集散式自动化系统几个过程。单元自动化装置方面，自动并车装置，自动并车解列、自动负荷分配装置及AVR自动调压器等均已达到极高的可靠程度。在单元器件自动化基础上，将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站自动化系统。八十年代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶电站自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统

15、便于集中控制，但故障的查找及维修较困难。分散控制对设备模块分散控制，提高了系统的可靠性和可维护性，但与无人机舱集中管理的要求有一定矛盾。 目前船舶电站自动化正朝着集散型自动化系统方向发展。它结合了集中和分散的优点，克服了各自的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大学，德国的汉堡大学等都进行了卓有成效的研究。自动化系统在国内外船舶中的应用也逐年增多，它的技术指标、可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制系统的出现，使电站自动化开始进入了一个全新时代。 3. 船舶电气自动化系统发展的趋势3.1.系统监控的综合化由于电气设备已经日趋通用化、模块化、系列化，可以做到组态灵活；计算机

16、所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。当然，根据需求不同仍旧存在着先进程度不同和性能要求不同的船舶，但是单机单控的系统必将逐步向综合监控的系统过渡。因为采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。列举几个不同类型综合化监控系统的情况系统名称综合自动化综合通信系统综合后勤支持系统综合监控或管理内容主机遥控、机舱监测报警电站管理、辅机监控、压载控制、航行自动化、装载自动化、损管监控 。船内通信：自动电话，声力电话等；广播通信：全船广播，扬声通信，集中管理通信；报警通信：全船通用报警，机舱组合报警，火灾探测报警。呼叫

17、系统：无线电，电视；其它：数字终端，电视摄像，子母钟，旅客信息系统，娱乐系统等。结构管理：岗位结构管理、财务管理、审计管理；维修保养计划管理：维修保养制度、维修文件及标准、维修保养计划、实施细则等；供货及备件管理：全船设备、零件及备件的配置与管理；数据库：结构管理、维修计划、零备件配置、可靠性数据库；日常后勤管理。目的与效果减少人力资源，使复杂的系统能简单安全运行，紧急情况时可缩短行动的时间。变分散、独立布置为功能齐全，操作使用方便的集中监控，可以满足各类船舶的不同需求。综合后勤支持系统应用被称为软调科学的管理科学，在制度上和物质上保证对装船设备进行定时的维修保养，提高了设备的可靠性，保障了航

18、行的安全。3.2.系统的网络化 进入20世纪90年代后，随着现场总线技术的不断完善，在新造船舶中，越来越多地采用现场总线作为各个子系统的内部控制网网络，上层网络采用局域网，形成全分布式的网络型监控系统。当前，数字化技术和总线技术应用已经相当成熟。现场总线是一种互联现场设备（或模块）与控制系统之间的双向数字通信网络。通常采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网，如：推进系统、管道系统、电力监控系统等独立子网。通过系统的网络化，功能上集各子系统之众，从可靠性出发又是一个分布式系统；在数据采集和控制平台

19、上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作；采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强；具有图像控制功能，人机界面和对话效果良好。这里就以KONGSBERG公司的DataChief（简称DC C20）系统为例简单地介绍网络型监控系统的结构和功能特点。DC C20的结构组成：DC C20采用CAN(Controller Area Network)现场总线和以太网（Ethernet）相结合的网络结构形式，系统的结构组成及其布局如下图所示。分布式处理单元（DPU）:DPU（Distributed Processing Unit）是采

20、用模块化设计、具有通信功能的智能化远程I/O单元，如图中RDi-32、RDi-16、RAo-16、RAo-8等分布在机舱各处，一方面作为传感器和执行器的I/O接口，直接与传感器和执行器相连，另一方面通过CAN总线与上层网络相连，从而实现上层网络对机舱设备的监视和控制。连接DPU和上层网络的CAN总线采用双冗余结构，即具有两套CAN总线，这两套CAN总线总是互为热备份，当主用网络出现故障时，备用网络自动切入工作，充分保证系统工作的可靠性。远程操作站（ROS）（Remote Operator Station）：由PC机、操作控制面板OCP（或普通PC机键盘）、鼠标、显示屏和打印机组成，PC机采用W

21、indows NT或Windows XP操作系统。ROS通常设置在集控室、驾驶室和甲板舱室，常见的配置是集控室2台，驾驶室和轮机长房间各1台。其中，集控室的2台是必备的，其他场所为可选安装。各ROS均配置双网卡，形成双冗余的Ethernet网络（Ethernet 1和Ethernet 2）。 集控室的2台ROS还兼有系统网关SGW（System Gate Way）的功能（不同网络类型及不同网段之间需要有一个专门设施来转换网络之间不同的通信协议或在不同数据格式之间进行数据翻译，这一设施称为网关），使得局域网中的各个ROS能够通过系统网关SGW与CAN总线相连。ROS一方面可以接受各个DPU单元送

22、出的机舱现场信息，另一方面还能向DPU发送操作指令、控制参数和程序包（加载）。值班呼叫系统（WCS）：按照无人机舱的基本设计原则在驾驶室和轮机员舱室及公共场所设有延伸报警装置。驾驶室的延伸报警装置称为WBU，而舱室及公共场所的延伸报警装置则称为WCU。WBU和WCU通过CAN总线（CAN Bus 3）与ROS进行通信连接，形成值班呼叫系统WCS（Watch Calling System）。其他辅助设备：系统中的其他辅助设备包括不间断电源（UPS）、以太网集线器（HUB）、现场操作站（Local Operator Station，简称LOS）和便携式操作站（Midi Operator Stati

23、on，简称MOS）。UPS确保在短时间失电的情况下能够继续给系统中提供220V AC和24V DC电源。HUB用于以太网内各个ROS联网。LOS用于在机舱现场对各个DPU模块进行操作，在LOS面板上可以选择和访问挂在同一CAN总线上的任意DPU，例如查看DPU中的过程变量、对所辖设备的现场操作、参数调整和模块自检操作等。MOS是一个特殊设计的移动式操作站，通过MOS面板可以方便地实现各种操作站功能，可用作LOS、ROS或驾驶台值班监视系统的显示单元。DC C20是一个全微机的分布式网络型监控系统，其结构在最大程度上保证了系统的安全可靠和管理维护上的方便。网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自

24、动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率是显而易见的。它有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。4.船舶电气自动化领域展望机电一体化使学科互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解，人工智能和模糊技术的应用使船舶电气自动化领域将更加宽广，必将会对造船和航运业带来重大变革。 新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，将会取得突破性的进展，船舶设备将会进一步向高可靠、节能型方向发展，将会对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革；可编程序控制器和单片机将逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。计算机监控系统正

25、在经历着从集中型计算机监控系统分散型微机监控系统集散型(分布式)多级、多微机监控系统网络型(智能式)计算机监控系统。而这些技术的发展会使船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸得更深入。 随着船舶电气化程度的提高，作为传输信息和能量的电缆品种会增多，纵横交叉、结构复杂，对船用电缆的要求愈来愈高。船舶电缆的安全可靠性，对船舶航行和安全有着重大影响，世界各国对舰船电缆的阻燃防火性能和安全等方面的要求将不断提高。进入新世纪，电缆制造新工艺和新材料的应用将可能有重大突破，如利用高能高压电子加速器对电缆绝缘进行辐照，可以提高电缆的耐

26、温性、阻燃防火性和机械强度，大大延长电缆的寿命。 出于经济性和可靠性的考虑，在今后l0-20年左右，柴油发动机作为船舶原动机具有无可争议的地位。然而，石油面临枯竭，环境污染、生态受到破坏，使柴油发动机的地位受到了冲击。人们有可能通过技术上的突破而获得绿色能源。如太阳能、氢、燃料电池、超导电磁推进等等，但进入船舶实际应用还需要进行大量的研究和试验，要有一个相当长的时间，且初始投资高昂。这些领域也需要积极的探索和开发。5. 总结自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响

27、最大。纵观自动化发展的历程，从1768年瓦特发明蒸汽机，人类开始进入了使用机器的时代。其借助于离心调速装置而使其本身的转速保持稳定。这种离心调速装置就是世界上最早的自动化机器。20世纪40年代，通过美国数学家维纳等人的努力，在自动调节、计算机、通信技术、仿生学以及其他科学互相渗透的基础上，产生了控制论。这一理论对自动化技术有着深远影响。维纳提出的反馈控制原理，至今仍然是控制理论中的一条重要规律。20世纪60年代，随着复杂的工业生产过程、航空及航天技术、社会经济系统等领域的进步使自动控制理论得以迅速发展，自动化技术水平大大提高。两个显著进展是数字计算机得到广泛应用以及现代控制理论的诞生。到了21

28、世纪，自动化技术进入了计算机自动设计（英文：Computer-Automated Design，CAutoD）的年代。近些年，随着经济的发展，我国电气行业的自动化水平在一定程度上有着巨大的提升，尤其是在我国加入世贸组织以后，电气自动化行业不仅发生了质的转变，并在其他领域得到了广泛的应用。电气自动化是研究与电子工程相关的自动控制、实验分析、电力电子技术，信息处理、系统运行、研制开发以及电子计算机等领域的一门科学。随着我国船舶工业的电气自动化程度、性能和技术水平已有了很大程度的提高，不少设备通过引进、消化、吸收国外先进技术，亦已达到了国际先进水平。随着我国科技竞争力的提高，船舶自动化技术势必有不少

29、新的突破。船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展，船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等一体的多功能综合系统，该系统通常由两个工作母站、若干个分控制系统及若干个工作分站组成，通常一个工作母站设在机舱控制室，另一个设在驾驶室。两个工作母站完全独立，可同时或单独操作，并互为备用。分控制系统将根据船舶种类和自动化程度而定，如主机遥控、机舱检测报警、电站管理、泵阀控制、液位遥测和压载控制、冷藏集装箱监控、自动导航等。所有工作母站和分控制系统采用高速传输技术组成一个综合网络系统，在网络上根据需要连接一定数量的工作分站，以达到在船舶重要部位对各设备进行监测和操纵等目的。

30、同时，其工作分站可以作为一个窗口，与船舶对外通信设备联网，借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段，执行岸与船、船与船之间对话，进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动，从而最大程度提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。21世纪将会有越来越多的新建船舶配套船舶综合自动化系统，用计算机进行全船智能管理，保证安全、经济地操作。船舶电气自动化系统发展的趋势，系统监控的综合化由于电气设备已经日趋通用化、计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为统监控的综合化提供了必要的基础。随着数字化技术和总线技术应用已经相当成熟，现场总线是一种互联现场设备（或模块）与

31、控制系统之间的双向数字通信网络。采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网，如：推进系统、管道系统、电力监控系统等独立子网。通过系统的网络化，功能上集各子系统之众，从可靠性出发又是一个分布式系统；在数据采集和控制平台上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作；采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强；具有图像控制功能，人机界面和对话效果。网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率。有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。船舶电气自动化领域展望机电一体化使学科互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解，人工智能和模糊技术的应用使船舶电气自动化领域更加宽广，必将会对造船和航运业带来重大变革。新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应