船舶机舱自动化发展趋势分析

船舶机舱自动化发展趋势分析摘要：船舶机舱监测和控制自动化是船舶技术发展的重要方向，它通过集成传感器、控制系统、通信网络和数据处理技术，实现对机舱内各种设备和系统的实时监控、自动调节和故障诊断。随着自动化技术的不断进步，船舶机舱监测和控制自动化系统已经从最初的单一控制发展到现在的集成化、网络化和智能化水平。这些系统不仅提高了船舶的运行效率和安全性，还减少了人为操作的复杂性和出错概率。关键词：船舶机舱；自动化；智能化；控制管理1、引言随着全球航运业的快速发展，船舶的规模和复杂程度不断增加，对机舱监测和控制系统的要求也越来越高。船舶机舱监测和控制自动化的发展，旨在提高船舶的安全性和运行效率，减少人为操作错误，以及降低船舶的运营成本。传统的船舶机舱监测和控制依赖于人工操作和简单的自动化设备，存在着响应慢、精度低、可靠性差等问题。随着自动化技术的不断进步，特别是计算机技术、传感器技术和网络通信技术的发展，船舶机舱监测和控制自动化系统已经取得了显著的进步。现代船舶机舱监测和控制自动化系统能够实时收集机舱内各种设备的工作数据，通过先进的算法和模型分析，自动调整设备的工作状态，实现最佳的性能和效率。同时，这些系统还能够及时诊断和预报潜在的故障，为船舶的维护和管理提供科学依据。随着人工智能、大数据和物联网等新技术的应用，船舶机舱监测和控制自动化将进一步提升船舶的智能化水平，实现更加高效、安全和环保的航运。2、船舶机舱自动化的概念船舶机舱自动化是指利用先进的自动化技术和设备，对船舶机舱内的各种机械设备和系统进行实时监测、自动控制和智能管理的过程。这一概念的核心在于通过减少人工干预，提高船舶机舱的运行效率和安全性，同时降低运营成本。船舶机舱自动化涉及到多个方面，包括动力系统的自动控制、机械设备的自动监测、故障诊断与预测、以及机舱内环境参数的自动调节等。这些自动化系统通常由传感器、执行器、控制器、通信网络和数据处理中心等组成，它们协同工作，实现对机舱内各种设备和系统的全面监控和管理。船舶机舱自动化的实现，不仅能够提高船舶的运行效率和可靠性，还能够减轻船员的工作负担，提高船舶的安全性和环保性能。随着科技的不断进步，特别是计算机技术、传感器技术和网络通信技术的发展，船舶机舱自动化系统将进一步提升船舶的智能化水平，为航运业的可持续发展做出重要贡献。3、船舶机舱监测和控制自动化发展分析3.1船舶机舱监测自动化发展分析3.1.1船舶机舱监测自动化发展现状实现船舶机舱的监测自动化是船舶机舱自动化发展中最重要的一个环节，是不可或缺的一部分。要实现船舶设备和装置自动控制的关键在于对于机舱设备和装置的运行参数进行有效的监测和报警。在船舶机舱中自动化监测主要包括对于装置和设备的重要参数的监测和船舶机舱监测和报警系统。（1）船舶机舱监测和报警系统一般地，现代化远洋船舶都为“无人机舱”，实现“无人机舱”的前提是船舶机舱监测与报警系统的应用和完善。船舶机舱报警系统有报警、参数和状态的记录打印、参数的分组显示、数据趋势分析、延伸报警、闭锁报警、自检功能等，其航行时船舶机舱设备的运行状态、运行参数及报警信息分析等都会集中显示在远程操作站的操作面板中，报警信息还延伸至轮机员休息室、轮机长及其驾驶台等部位。其中自检功能只局限与对监测系统本身的元器件进行自检。（2）基于CAN总线和工业以太网船舶监测和报警系统随着现场总线技术的不断完善，船舶工业中开始广泛应用现场总线作为现场控制网络，上层网络采用工业以太网构成局域网，形成全分布的网络型监测系统。CAN总线是到目前为止应用在船舶监测系统最广泛的一种总线形式,目前在船舶工业领域应用的趋势只增不减。①现场总线技术现场总线是一种基于自动化控制底层的工业数据总线及其数据通信网络，用于解决船舶机舱控制器、执行器以及智能仪表等机舱现场设备间的数字通讯，还有集控室与机舱设备控制系统的信息通讯，监测系统以串行通信网络的方式对船舶机舱设备及控制器之间实现数据通讯，主要是监测、控制等信息传递，以完成自动化控制、监测和管理的功能REF_Ref4789\w\h]。现场总线具有多种标准和多种协议，船舶工业领域应用广泛的CAN总线和Profilbus总线就是现场总线的一种。现场总线技术有以下特点：①通信的公开性；②设备之间相互的可操作性；③智能化，是智能诊断发展重要的契机。③高度的分散性；③具有较强环境自适应力。所以在船舶机舱被广泛应用。②CAN总线CAN是控制器局域网络，国际上应用最广泛的现场总线之一，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络，数据通信具有抗干扰性、实时性等特点。有以下优点：①CAN总线网络通信具有智能化；②机构简单，开发周期短，性价比高；③高可靠性和智能化诊断能力。所以CAN总线能适应环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的船舶机舱现场，被广泛应用到船舶工业领域。③工业以太网工业以太网是基于IEEE802.3的网络，其主要由网络部件、连接部件和通信介质构成，其通信介质的材质为工业双胶线和光纤，工业现场的控制器的通信处理器等都能满足工业现场的要求。工业以太网主要用于工业现场现场控制，其主要有以下优点：①应用广泛；②可以远程进行对工业现场的访问以及远程对工业现场设备进行诊断；③通信速率高，网络速度快。但在实际工业现场应用中，工业以太网还能够有效解决实时性和确定性问题。（3）典型的船舶机舱监测和报警系统目前在船舶自动化领域，挪威Kongsberg公司研发了好几种类型的船舶机舱监测和报警系统，首先有基于CAN总线的DataChiefC20型船舶机舱监测和报警系统，并在船舶工业领域得到了比较广泛的应用，此后Kongsberg公司研发了K-Chief型系列船舶机舱监测和报警系统，其中比较典型的监测系统为K-Chief500型监测和报警系统。监测系统和K-Chief500系统是比较典型的船舶机舱监测和报警系统，研究分析船舶机舱监测和报警系统关键技术发展，其两个系统网络结构都是基于CAN总线和工业以太网。①DCC20监测和报警系统监测系统主要有远程操作站、现场操作站、分布式处理单元(DPU)、系统网关（SGW）、双处理通信控制器（dPSC）和值班呼叫系统组成。DPU是该系统的核心单元，连接现场传感器，实现模拟量或数字量的输入，然后通过CAN总线输送到系统网关，以更新ROS的数据库，而dPSC主要是处理子CAN总线的信息，连接系统网关和dPSC是工业以太局域网，以此完成监测作用。该系统主要的特点是是DPU的模块化设计，智能I/O模块。该系统除了监测报警功能，还有综合控制功能，能够实现机旁控制。②K-Chief500K-Chief500船舶机舱监测和报警系统的结构如图3-1所示，其结构组成和系统功能与DCC20系统基本相同，只不过在操作站和人机接口做了改进。集控室是CAN与以太局域网的系统网关，用dPSC将主机控制系统、机舱监测与报警系统等连在两条网线上。船舶内部通过主管信息系统与管理层，或与岸上以太网，或通过卫星通信与公司互联，实现远程监控图3-1K-Chief500系统（4）船舶机舱监测自动化关键技术分析①传感器技术传感器技术涉及多个学科领域，其利用物理定律或物质的物理、化学、生物特性，将非电信号转换为电信号。近年来随着传感器工艺、新特性物质的不断研发，加上计算机监测技术的进步，其检测能力和精度得到了快速的提高，还有极高温、极低温、微压差以及超高压等的检测方法都有较为理想的进展。商品化的光电式传感器、电祸流传感器、超声波检测技术、红外检测技术等作为新型传感器的代表被广泛用于工业、军事及医疗等领域，代表着非接触式传感技术的成熟。微处理器及微控制器等大规模集成电路的成本和价格不断降低，功能和集成度不断提高，智能传感器的研究也就成为了近年来传感器发展的重要方向。智能传感器是指传感器内部集成了智能控制芯片，使其具备了故障自检、自调零、自校准、自补偿、自动选择等智能功能，智能传感器的另一特性是其具备的强大数据处理能力和远距离数据传输能力，可配置各种数字通信接口，因此更方便采用计算机集成监控技术对系统进行集成和远程监视等领域的应用。目前国内外众多学者正在致力于探索新现象、新理论，采用新技术、新工艺、新材料研发新型传感设备，或提高现有传感器的转换效能、转换范围以及其它技术及经济性指标。传感器的研究未来的发展方向将向着高精度、集成化、微型化及智能化方向不断发展。②实时通信技术实时性技术是工业监控的基本要求，增强实时网络通信的确定性和实时性，一般可以同时采取多种措施，如扩宽信道带宽、采用交换路由技术、优化网络拓扑结构、选择合适的传输控制协议等，现代工业化技术一般可以保证在网络畅通情况下数据传输的确定性和实时性指标。③信息采集技术信息采集技术是指利用计算机软件技术，针对定制的目标数据源，按照事先约定的通信协议将传感器转换好的标准电信号进行标准数据格式封装，通过专用信道传输到计算机进行显示、抽取、挖掘及处理，从而为各种数据服务程序提供输入数据的过程。信息采集的关键是数据通信模块的研制，包括模拟量模块、数字量模块等，还有一些特殊的物理量，如脉冲信号等则需要专用的采集模块。船舶常用的通信协议一般为及总线协议，因此根据不同的协议类型需要设计对应的总线数据采集模块。3.1.2船舶机舱自动化监测研究现状（1）在产品研发方面国外船舶机舱自动化监测系统工业产品研发有德国的SISHIPIMAC系统和日本的CAT系统，近些年来Kongsberg公司通过对K-Chief500系统的升级改进，如K-Chief700系统更加注重模块化和集成化，相较于以前的系统模块安装更具有灵活性和综合性。目前国内船舶机舱监测和报警系统目前也有众多研发比较成熟的监测系统，例如交通部上海船舶运输研究所研发的Y8800网络型机舱监控系统和Lonworks网络的STI-VC2100MA舰船监控报警系统，企业研发的基于TCP/IP协议的以太网LAN与CAN现场总线的CJBW310系列船用监测报警系统和基于以太网的船舶监测控制系统等。（2）机舱监测自动化未来的研究方向在21世纪微电子、信息技术、计算机通信及网络技术的发展，出现了许多新兴技术产业，影响着我们的生活及个股领域，船舶工业领域势必也将会收到影响，特别地，近几年在船舶监测自动化方面有出现基于物联网、云计算的船舶监测和报警系统设计与研究以及基于嵌入式系统的船舶监测和报警系统设计与研究。所以船舶监测自动化在未来势必受到以下影响或有一定的发展趋势：①嵌入式系统嵌入式系统是以中央处理器为核心、软件和硬件与集合一体的以及可独立工作的专用计算机系统。其在近些年微电子技术以及芯片技术的快速发展下，嵌入式系统的功能越来越强，其在工业控制、信息化家电等技术领域快速发展和广泛应用。嵌入式系统具有以下优点：小型化，其主要结构集成在芯片内部；可靠性高；实时性好；环境恶劣的工业控制现场适应性好等特点。由于船舶机舱的特殊性，以及对于自动控制系统的可靠性、数据传输的实时性等要求，特别是船舶机舱监测系统的发展对于数据的实时性具有更高要求，所以嵌入式系统在船舶机舱自动化领域有着广泛的应用和发展前景，其体积小和实时性都具有其他计算机没有的功能。②云计算和物联网云计算是大数据和信息化飞速发展的时代的产物，云计算是将许多计算资源整合起来，通过软件实现自动化管理，在互联网的基础上，以网络形式进行云计算服务和数据出处，以达到数据的共享。其具有虚拟化、高效的运算能力、灵活性高、可靠性高以及可扩展性等特点。在船舶机舱领域乃至船舶工业具有较大的潜力。物联网是指利用各种传感器、红外线感应器等设备，采集声、光、位置、温度、电力等信息，通过网络技术实现物质之间与人物之间的信息和管理，进一步延展了互联网的功能，在工业、农业、交通等领域应用，推动了智能化发展。相信在船舶机舱自动化领域有一定的发展趋势。3.1.3船舶机舱监测自动化发展分析总结通过分析船舶机舱监测发展现状和研究现状以及对其关键关键技术的研究，船舶监测自动化（1）现场总线技术在船舶工业领域仍是主流应用趋势。未来几年乃至未来很长时间里，现场总线技术在船舶工业领域仍被广泛应用，其中CAN总线和工业以太网在船舶机舱监测自动化方面为主要发展方向，且改变只会在现场总线和网络技术的前提下进行优化改良。（2）船舶机舱监测硬件等趋于智能化、集成化、模块化和高精度化。随着计算技术、电子技术和数据算法的发展和优化下，船舶监测向着集成化、智能化和高精度的方向发展，提高船舶监测的可靠性和安全性。（3）云计算、物联网和嵌入式系统等新兴技术是未来主要的研究和应用方向。以云计算、数据库、物联网等技术发展为前提，实现船岸信息一体化，实现数据共享。3.2船舶机舱控制自动化发展分析船舶机舱控制自动化是指船舶主动力推进装置、船舶辅机等设备或装置的自动化。船舶机舱辅助设备众多，需要对应的控制系统加以控制，有开环控制、闭环反馈控制、PLC控制等，船舶柴油机是船舶机舱的心脏，所以以船舶智能柴油机控制系统为例，分析智能柴油机控制系统的发展和应用，透析船舶机舱控制自动化的发展。3.2.1船舶智能柴油机控制系统发展和研究现状为了更好的实现对柴油机的运转控制，人们将电子计算机控制技术应用于柴油机，形成了一种新型的电子控制式柴油机，也称之为智能柴油机。它将燃油喷射、气阀启闭以及柴油机的起动、换向、停车和气缸润滑等功能全部由智能柴油机控制系统实现。智能柴油机控制系统可以根据柴油机不同的工况，对相关的参数进行及时设定和调整，使柴油机始终保持在最佳工作状态下。（1）发展现状在当今飞速发展的时代，船舶柴油机技术的要求也在不断提升，主要体现在：①要有较高的经济型；②IMO对于船舶废气排放含硫量的限制和排放控制；③较高的可靠性和安全性；在船舶发展中探索，船舶发展要顺应时代发展，所以以MANB&W公司和瓦锡兰公司为代表的大型船舶且也开始寻找新的发展方向，在自动化技术发展下，开始了以智能柴油机为主题的研究。船用柴油机工况和如何得到有效监控，如何提高和保持船舶柴油机燃烧和工作性能，如何满足船舶柴油机在运行的灵活性和可靠性等方面。MANB&W公司研制并生产的ME型智能柴油机控制系统，采用了电液电控技术，采用电控共轨的控制技术。瓦锡兰公司研制并生产的RT-flex型智能柴油机控制系统，采用凸轮轴控制的全电控式控制系统（2）研究现状近年来，人工智能开始研究并应用到船舶机舱控制自动化上。人工智能算法能模拟并延伸人脑搜索、认知、抽象和推理等思维方式，具有强大的信息处理能力。因在柴油机运作时由于柴油机具有快速时变等的动力学特性，并且考虑到其运行工况和外界环境的不确定性，进一步增加了船舶柴油机的控制难度。因此，近些年来国内外许多研究团队将人工智能算法与船舶柴油机控制相结合开展相关研究，以便实现船舶柴油机更好的控制效果。通过研究各种改进的自适应模糊PID控制器也被广泛地应用于柴油机怠速控制和调速控制等具体的应用场景中，获得了响应速度、稳定性、超调量和自适应性的提升。两种常用于自适应控制器设计中调节控制系统相关参数的智能控制算法分别为模糊逻辑算法和神经网络算法。3.2.2典型船舶智能柴油机控制系统的对比分析（1）RT-flex系列柴油机智能控制系统其系统由主机信息控制单元、主机控制单元、辅机控制单元、燃油控制阀、起动空气阀、和气缸注油器、主操作面板、网络通信组成，由一组多用途控制器构成，使得系统硬件结构上通用性好，备件管理方便。（2）ME系列柴油机柴油机智能控制系统其控制系统的核心单元是WECS-9500,主要有主控制器和多个气缸电子控制单元。WECS-9500控制系统的主要作用是对共轨的燃油压力、伺服油压力进行控制，以及主机、气缸相关的功能管理，其中包括对主机的状态检测，参数的调整，控制气缸的喷油时间等，使主机处于最佳工作状态，还有与主机遥控系统、船舶报警等系统的通信。通过对比发现，现代船舶机舱控制自动化发展有两个特点：①船舶机舱自动化发展中，船舶自动化控制越来越注重船舶设备和装置的节能减排和提升船用设备可靠性和安全性。②船舶机舱自动化控制系统中，模块化和硬件集成化成为了发展趋势，结构简单，能够减少布线，提高经济型。3.2.3船舶机舱控制自动化发展分析总结智能柴油机控制系统是船舶控制自动化重要的一部分，且智能化是船舶自动化发展的主流趋势，所以基于智能柴油机控制系统的分析符合船舶机舱控制自动化。以