溢油回收船能效實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 晉, 劉夢(mèng)覺

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溢油回收船能效實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 晉, 劉夢(mèng)覺

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

電力推進(jìn)系統(tǒng)共用一個(gè)船舶電網(wǎng)，具有節(jié)能環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，又能有效減少動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)船舶空間的占用。與此同時(shí)，全電推系統(tǒng)和大功耗高科技設(shè)備的配備對(duì)電能質(zhì)量安全和能量管理帶來了更大風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。為此，本文首先介紹了CCS最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)智能船舶能效在線智能監(jiān)控的一般性要求，并基于此設(shè)計(jì)了滿足溢油回收船實(shí)際需求的船舶能效實(shí)時(shí)在線綜合監(jiān)控系統(tǒng)（EOM），詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的硬件組成、工作流程、監(jiān)控方法和界面設(shè)計(jì)過程。

萬噸溢油回收船 能效實(shí)時(shí)監(jiān)控 EOM

0 引言

電力推進(jìn)船舶所有設(shè)備連接一個(gè)主電網(wǎng)，使得發(fā)電機(jī)電能匯集到主配電板再通過變壓器支路分配到低電壓等級(jí)子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全船推進(jìn)及各負(fù)載的電能供給，具有自動(dòng)化程度高、電站統(tǒng)一分配、便于集約化管理的優(yōu)點(diǎn)。

然而，隨著裝艦電氣設(shè)備數(shù)量的增多和功率的提升，對(duì)全船航行尤其對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)帶來了更多不可控性。因此，對(duì)航行中海況、艙室環(huán)境、電站、用電設(shè)備進(jìn)行在線能效監(jiān)測(cè)[1-2]以實(shí)現(xiàn)船舶最優(yōu)經(jīng)濟(jì)和安全航行具有十分的必要性。EOM通過對(duì)航行海況和能耗設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)自動(dòng)采集、在線監(jiān)測(cè)、智能感知等方式通訊傳感發(fā)送至艦船端和岸基端處理器進(jìn)行后數(shù)據(jù)處理，可為能耗影響因素的分析、航運(yùn)管理的完善[3-5]以及船舶的優(yōu)化航行提供更為堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)保證。

1 溢油回收船概述

萬噸溢油回收船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)包含4臺(tái)2600 kW主發(fā)電機(jī)、1臺(tái)400 kW停泊發(fā)電機(jī)及1臺(tái)150 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，由兩條主推進(jìn)支路、兩條消防泵支路及兩條側(cè)推進(jìn)支路組成。為了保證推進(jìn)系統(tǒng)的獨(dú)立性和可操作性，兩條主推支路以及側(cè)推支路分別由四套相互獨(dú)立的電推控制系統(tǒng)單獨(dú)控制，如圖1所示：

2 智能船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

2.1 智能船舶功能

智能船舶指基于傳感器、通訊等各種技術(shù)手段的運(yùn)用，探測(cè)感知并主動(dòng)獲取船舶自身、口岸、所處航行環(huán)境等方面的信息和數(shù)據(jù)，并綜合應(yīng)用自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)分析、大數(shù)據(jù)處理等先進(jìn)技術(shù)，在船舶的正常航行、后期維護(hù)和運(yùn)輸保養(yǎng)等各維度實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶，具有使船舶更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，包含圖2示6大功能：

2.2 智能能效管理

智能能效管理是指能夠通過對(duì)船舶航行狀態(tài)、耗能狀況的在線監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，對(duì)船舶能效狀況、航行及裝載狀態(tài)等進(jìn)行評(píng)估，并通過大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值分析及優(yōu)化技術(shù)，為船舶提供數(shù)據(jù)評(píng)估分析結(jié)果和輔助決策建議，以及航速優(yōu)化、基于縱傾優(yōu)化的最佳配載等解決方案，實(shí)現(xiàn)船舶能效實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]、智能評(píng)估及優(yōu)化，以不斷提高船舶能效管理水平。一般而言，智能能效管理應(yīng)具有如下功能：

1）船舶航行狀態(tài)、能效及耗能狀況在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，以及氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的獲得；

2）對(duì)船舶能效及耗能狀況進(jìn)行評(píng)估、報(bào)告和報(bào)警；

3）根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果，為船舶能效提供輔助決策建議；

4）結(jié)合航行特點(diǎn)、燃料消耗、經(jīng)濟(jì)效益等評(píng)估結(jié)果，提供基于不同目標(biāo)的航速優(yōu)化方案。

2.3 EOM一般要求

能效在線智能監(jiān)控應(yīng)能對(duì)船舶主要耗能設(shè)備、船舶航行狀況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析，并對(duì)船舶能效和能耗等技術(shù)指標(biāo)予以評(píng)估和分析；能定期進(jìn)行船舶能效狀況綜合評(píng)估，提供能效優(yōu)化和改進(jìn)的輔助決策建議；能基于能效及能耗數(shù)據(jù)等的監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)估結(jié)果，根據(jù)需要提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)或分析評(píng)估報(bào)告，船舶能耗系統(tǒng)典型模型如圖3所示：

EOM應(yīng)對(duì)下述設(shè)備的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[5]：主要耗能設(shè)備、軸功率監(jiān)測(cè)設(shè)備、燃料計(jì)量裝置、風(fēng)速風(fēng)向儀、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、計(jì)程儀、電子傾斜儀、測(cè)深儀、船舶吃水測(cè)量設(shè)備等，對(duì)以上各設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括但不限于：主要耗能設(shè)備的功率、壓力、溫度參數(shù)；主要耗能設(shè)備燃料消耗參數(shù)；主機(jī)軸功率參數(shù)；風(fēng)向、風(fēng)力參數(shù)；船位、航向、航速參數(shù)；對(duì)水速度參數(shù)；船舶傾斜角度；水深值；船舶吃水值；涌浪參數(shù)等。

3 EOM硬件設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

能效管理系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集、綜合航行監(jiān)測(cè)、推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、能耗監(jiān)測(cè)、視頻圖像監(jiān)測(cè)、岸基管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析等功能，如圖4。

數(shù)據(jù)采集是EOM系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過遍布全船的軸功率監(jiān)測(cè)設(shè)備、燃料計(jì)量裝置、風(fēng)速風(fēng)向儀、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、計(jì)程儀、電子傾斜儀、深測(cè)儀、船舶吃水測(cè)量設(shè)備、GPS等各類傳感器將能效系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集并集中，經(jīng)通訊系統(tǒng)傳送至艦船各監(jiān)測(cè)臺(tái)、船上和岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。采集信息包括推進(jìn)變壓器、變頻器、電機(jī)、聯(lián)軸器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)信息，電站的開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、燃料供給情況信息，操舵監(jiān)測(cè)的控制方式、液壓故障、電源失電等報(bào)警信息，監(jiān)測(cè)本船當(dāng)前位置、航向、水深、風(fēng)速、浪涌、船舶傾斜角、海洋氣象參數(shù)信息，全船管路、水壓、氣壓、蓄能器及閥件工作狀態(tài)，能耗設(shè)備的功率、壓力、溫度、燃料消耗等信息。

綜合航行監(jiān)測(cè)涵蓋圖像、語音和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)三類途徑，可以對(duì)集控室、駕駛臺(tái)、海圖室、舵槳損管系統(tǒng)等各方面參數(shù)予以監(jiān)測(cè)記錄，最大限度保障船舶的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為航行時(shí)可能出現(xiàn)的各類突發(fā)狀況提供處置依據(jù)。

推進(jìn)系統(tǒng)作為全船最大的用電子系統(tǒng)，主要對(duì)推進(jìn)支路上的移相變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、全回轉(zhuǎn)舵槳等部件的各項(xiàng)物理指標(biāo)和運(yùn)行情況實(shí)施監(jiān)測(cè)報(bào)警。

設(shè)備能耗主要監(jiān)測(cè)全船主要耗能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括自動(dòng)電站、各發(fā)電機(jī)組及各電壓等級(jí)負(fù)載的實(shí)時(shí)運(yùn)行及耗能情況。此外，還對(duì)全網(wǎng)發(fā)電功率、母排電流、主開關(guān)分?jǐn)酄顟B(tài)等實(shí)施監(jiān)控，結(jié)合機(jī)組不同工況下的發(fā)電效率，進(jìn)行最合理的電網(wǎng)配置，確保全船的用電安全。

岸基管理的主要作用是岸基數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在岸上實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航行狀況的把控，對(duì)船上所有實(shí)時(shí)運(yùn)行信息進(jìn)行遠(yuǎn)程掌控，以便在特殊狀況下獲得遠(yuǎn)端的技術(shù)力量支持。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分船上和岸基兩種方式：船上數(shù)據(jù)庫將上述信息匯總存儲(chǔ)，為方便信息的管理和安全，各監(jiān)測(cè)臺(tái)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)取顯示而非直接將采集信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)臺(tái)，受船上資源所限，船上數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)限期保留的方式；為了保證數(shù)據(jù)庫的可靠性和完整性，岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用冗余方式設(shè)計(jì)，定期更新發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增量備份處理，可最大限度節(jié)省空間和時(shí)間資源?；诤叫袝r(shí)各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和能效指標(biāo)，通過對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理可分析能效影響因素，為智能船舶研究提供有效數(shù)據(jù)，明確最佳能源管理方案，提高整體運(yùn)行效能。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件配置由多臺(tái)計(jì)算機(jī)及各種類型探測(cè)設(shè)備組成，邏輯上采用三層模型架構(gòu)，自上而下分別為管理層、控制層以及數(shù)據(jù)層。

管理層由岸基監(jiān)測(cè)臺(tái)、船基綜合航行監(jiān)測(cè)臺(tái)、電力推進(jìn)監(jiān)測(cè)臺(tái)、能耗設(shè)備監(jiān)測(cè)臺(tái)以及視頻監(jiān)測(cè)臺(tái)組成，通過圖形化的方式實(shí)時(shí)顯示能效管理系統(tǒng)的在線狀態(tài)，并能向現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備下達(dá)控制指令達(dá)到人機(jī)交互的作用。

控制層主要指船基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集工作站、岸基數(shù)據(jù)分析工作站、岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和雙邊信號(hào)收發(fā)臺(tái)等設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)全船采集信息的存儲(chǔ)和分析，是核心的處理設(shè)備。

數(shù)據(jù)層包含分布在全船各艙室的各類終端設(shè)備，具備到本船有GPS、導(dǎo)航雷達(dá)、陀螺羅經(jīng)、各類傳感器、攝像頭、水平儀、測(cè)深儀，風(fēng)速風(fēng)向儀、計(jì)程儀等，如圖5所示：

數(shù)據(jù)采集工作站通過數(shù)據(jù)層各信息采集裝置采集全船所需信息，而后將其轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以減少服務(wù)器壓力。同時(shí)，為了確保服務(wù)器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將部分實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)直接傳送到相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)臺(tái)。岸基工作站在接收到數(shù)據(jù)后先將其存入岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，隨之岸基監(jiān)測(cè)臺(tái)讀取重點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，觀察船舶航行狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行情況，采用C/S典型架構(gòu)。

4 系統(tǒng)軟件

4.1 軟件開發(fā)

EOM系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要涵蓋開發(fā)平臺(tái)、監(jiān)測(cè)面板、控制單元及數(shù)據(jù)庫幾個(gè)方面：

本系統(tǒng)通過WinCC上位平臺(tái)進(jìn)行船上監(jiān)測(cè)臺(tái)及觸摸面板的軟件開發(fā)，管理層各監(jiān)測(cè)臺(tái)之間通過WINCC支持的OPC協(xié)議進(jìn)行通訊，以客戶端/服務(wù)器的模式能保障各種通訊方式的適用性和軟件開發(fā)的效率。

VS2010項(xiàng)目管理采用層次結(jié)構(gòu)，最上層是解決方案，中間層為項(xiàng)目文件，下層為資源文件，通過其提供的良好可視化開發(fā)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理軟件的開發(fā)，可有效保證保障后期數(shù)據(jù)處理功能的可更改性和適用性。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)選用ODBC數(shù)據(jù)源作為SQL Server數(shù)據(jù)庫對(duì)外聯(lián)系的紐帶，通過SQL Server 2008進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)以保障大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性、可靠性和易用性。

4.2 界面設(shè)計(jì)

EOM系統(tǒng)基于Windows平臺(tái)的Wincc上位平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)人機(jī)交互界面，在管理層監(jiān)測(cè)臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示全船信息的后臺(tái)監(jiān)控功能和集成顯示畫面，包括用戶登錄界面、能效監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析主界面。其中，能效監(jiān)測(cè)界面位于船基端，數(shù)據(jù)分析界面位于岸基端，兩主界面又因萬噸溢油船實(shí)際功能需求內(nèi)含若干子界面，如圖6所示：

能效監(jiān)測(cè)界面包含5個(gè)子界面，各子界面間可任意切換，分別顯示相對(duì)應(yīng)的信息。實(shí)時(shí)能耗子界面設(shè)計(jì)了溢油回收船各臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率、兩條推進(jìn)支路總功耗、消防泵支路功耗及能耗效率等，典型溢油回收工況下的能耗監(jiān)測(cè)界面如圖7示，日用總負(fù)荷為690 V負(fù)載、400 V負(fù)載及230 V負(fù)載的總和。

圖7 溢油回收工況EOM能耗界面

數(shù)據(jù)分析可根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)建立分析表，調(diào)用岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)，如圖8示：

圖8 EOM系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢界面

5 數(shù)據(jù)分析

該船采用電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，具有消防、溢油回收、正常航行、進(jìn)出港、DP2等多種工況，根據(jù)EOM采集到的機(jī)組發(fā)電功率及690V、400V、230V各電壓等級(jí)實(shí)時(shí)負(fù)載，匯總各典型工況數(shù)據(jù)如表1所示(功率單位：kW)：

以上各典型工況中，單軸推進(jìn)工況1臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)，全速航行工況3臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)，其余工況均為2臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)。以溢油回收工況為例，采用ETAP12.6諧波計(jì)算分析軟件輸入上表工況數(shù)據(jù)及參數(shù)得到全網(wǎng)諧波分析結(jié)果如圖9-10示。

圖9 溢油回收工況諧波分析

圖10 溢油回收工況母線電壓

兩圖中，紅色曲線為690 V電網(wǎng)數(shù)據(jù)，綠色為400 V電網(wǎng)數(shù)據(jù)，藍(lán)色為230 V電網(wǎng)數(shù)據(jù)。圖9縱坐標(biāo)為各電壓等級(jí)諧波值，其中690 V子網(wǎng)諧波量2.7，400V子網(wǎng)諧波2.08，230 V子網(wǎng)諧波1.27，均在CCS規(guī)范要求的5%以內(nèi)；圖10縱坐標(biāo)為各母排電壓標(biāo)幺值。分析結(jié)果確保了萬噸溢油回收船采用電推方式的優(yōu)越性，也證明了針對(duì)該船EOM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

6 總結(jié)

針對(duì)環(huán)保能耗要求的日益嚴(yán)苛和船舶自動(dòng)化程度的不斷提升，本文針對(duì)萬噸級(jí)溢油回收船工況多、負(fù)載多、電網(wǎng)復(fù)雜的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足實(shí)用性要求的能效實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)敘述了EOM系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)過程，并以EOM系統(tǒng)采集的溢油回收工況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的全網(wǎng)諧波情況為例，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

[1] 夏偉,謝坤,陽世容. 船舶分布式智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]. 機(jī)電工程, 2013, 30(8):1020-1024.

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[5] 陳蟒,許頡溫,于洋,馬振淼,朱琇瑋. EOM附加標(biāo)志申請(qǐng)與系統(tǒng)安裝綜述[J].船舶與海洋工程, 2016, 32(6):59-67.

Design of EOM System for Oil Spilling Recovery Ship

Zhang Jin, Liu Mengjue

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM721

A

1003-4862（2017）07-0072-05

2017-03-15

張晉（1989-），男，碩士。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。