船舶机舱综合监控系统可靠性分析及设计

1、船舶机舱综合监控系统可靠性分析及设计             摘要:根据现代轮机监控的发展方向,结合超大型油船机舱综合监控系统,从可靠性的角度分别论述了系统中硬件、软件和网络的设计,并给出了高可靠性的机舱监控系统的网络拓扑结构和相应的软件功能组成.这一设计思想将体现在即将建造的3000 t级海上巡逻船的机舱综合监控部分.         关键词:船舶机舱;可靠性;综合监控;现场总线;系统设计

2、60;        可靠性理论很早就已经被工程界提出并应用于各个领域,它是指设备在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力,包括狭义可靠性、可用性和可维护性.对于大型复杂监控系统,可靠性是与可维修性、实时性、可拓展性紧紧联系在一起的.         当前计算机、微电子技术的持续发展,系统的自动化水平不断提高,对于设备的自动化监控已经成为衡量系统自动化水平高低的一个重要标志,同时也为可靠性研究提出了新的课题.船舶机舱综合监控系统近年来也不断地进

3、行着数字化、网络化方面的探索.船舶不同于其他系统,它具有长期远离陆地的特殊工作条件,需要高效率地完成任务.而对它的监控具有监控点多(如大连造船厂最新建造的大型滚装船,全船监控点多达3000 多个)、被控量形式多、特定时间数据量大、工作条件恶劣(潮湿、高温、震动、噪声、电磁干扰)等特点.这就给设备的可靠性提出了较高要求.         控制系统的可靠性一般体现在以下几方面: (1)工业控制机(简称工控机)本身的可靠性; (2)外设的可靠性和与工控机良好的兼容性以及采取的抗干扰措施; (3)计算机工控系统的软、硬件设

4、计可靠性; (4)控制的实时性. 本文主要以大连造船厂最新建造的30万t 级巨型油船(VLCC)的机舱综合监控系统为例, 分析可靠性技术在船舶机舱监控系统中的应用. 此系统是基于CAN(Controller Area Network)的总线型监控网络,代表了当前船舶轮机自动化发展的最新方向.         1监控系统概述超大型油船是当今航运界发展的重要标志, 它具有高度的自动化程度和集中监控系统.在大连造船重工为伊朗建造的30万t级巨型油船I- RAN DELVAR号机舱综合监控系统采用了现在比较流行的CAN总线

5、型监控网络.这套监控系统可分为三层结构,最底层是集成控制模块和基于CAN总线的控制级网络,中间是光纤局域网及其网络控制器和适配器等网络单元,他们协调工作把传输信号传送至集控室,最上面的为机舱及驾驶台监控机和监控软件.         监控网络采用CAN 总线作为现场设备的数据采集和控制命令下达的传输网络,然后通过一个总线转换接口与微机相连,微机作为上位监控级网络的终端,可以提供显示、存储及参数修改等操作,监控机同时可以传送信号到驾驶台和轮机管理人员房间及公共场所. 在航行中可以实现无人机舱,当有故障发生后,可以通过

6、这些显示终端知道故障发生的类型及地点,以便轮机管理人员及时进行处理.         2可靠性设计         硬件可靠性设计系统的可靠性是建立在组成元件可靠性的基础之上的,并与系统的组成结构有关.在船舶综合监控系统中,采用的现场总线型分布式控制系统, 使控制风险分散到各个控制单元,在单元出现故障时,不会影响整个系统的正常运行,从而使系统更加可靠. 现场总线克服了传统控制技术的一些不可弥补的缺陷,提高了系统的可靠性和实时性.CAN

7、总线是其中比较成熟的一种总线协议,它具有物理性能先进、芯片技术成熟、制造成本低等一系列优点.         基于CAN总线的分布式控制系统应用现场总线技术,把现代计算机的强大处理能力和现代网络通信手段结合起来,构成一个在物理、功能、控制上分布的处理结构,这种结构中各单元高度自治而又通过网络协调工作,为用户提供一个高可靠性的数据采集、存储与处理的综合系统,把控制功能更多地下放到现场工控设备,由工控设备完成数据采集、数据处理、控制计算和控制信号输出的功能.     &

8、#160;   各控制单元采用集成化结构,配有统一标准的网络适配器和硬件接口,为监控网络和执行设备的连接提供了方便标准的硬件兼容性,也给设备的保养和故障维修、系统升级等提供了必要条件.同样,系统中大量采用数字式智能仪表代替过去的电气化仪表和继电器,不仅大大减小了系统的设备组成和体积,也克服了电磁阀等设备容易产生电火花和电磁弧等电磁干扰现象对系统其他设备性能的影响,同时消除了电磁阀等由于机械磨损等造成的可靠性降低,提高了系统的平均无故障运行时间. 在单个硬件的可靠性一定的前提下,采用冗余技术是整个系统可靠性的基本思路.     

9、;    冗余技术可以根据备用机的待机状态分为热备冗余和冷备冗余.在冗余系统中,当主设备由于故障因素不能完成规定功能时,冗余设备自动或手动投入运行,保持连续正确地执行其程序和输入输出功能. 系统应用中一般均采用双机冗余,这样既可以提高系统的可靠性,不至于因为增加了系统复杂性而引发新的不可靠因素,同时又节省了一次性投资,使系统更加经济合理.本系统采用了双CAN 控制器互为热备冗余,在系统的实际运行中,只有一个CAN控制器进行数据通讯,如果其发生故障,监控系统自动发出指令,使冗余CAN卡自动投入工作,同时发出设备故障报警,提醒管理人员进行更换.  

10、       这样的设计,使控制网络由于CAN总线故障而发生控制失效的事故大大减少.集中监控机也同样采用双机热备冗余,可以在故障或检修时,通过自动或手动实现设备切换. 交流电网是电子设备的重要干扰源,在可靠性设计中也是必须考虑的一个重要的影响因素. 通常采用电源变压器加屏蔽,次级绕组加旁路电容接地,并在交流输入端加高频扼流圈和旁路电容的办法.但由于电感不能加磁心以免饱和,线圈的排列也不能太密,否则分布电容会形成高频通道,所以对高频噪声阻流作用不强,在中、小型设备中无法适用.本系统中采用把两线圈都绕在同一磁环上,两组线圈匝数相同,线间排列均匀一致.         由于功率电流通过两绕组所产生的内磁通是互相抵消的,磁心不会饱和,加入高导磁磁心后,