王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

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27 500 m3LNG船電氣自動化K-Chief 700系統(tǒng)研究及應(yīng)用

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

摘要在分析了船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的發(fā)展及國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，著重研究了Kongsberg公司的K-Chief 700系統(tǒng)，包括其系統(tǒng)配置和功能。文章以配備W?rtsil?50DF雙燃料主機的27 500 m3液化天然氣實船為依據(jù)，介紹了K-Chief 700系統(tǒng)的具體應(yīng)用,并對其擴展功能提出了建議，為后續(xù)雙燃料LNG船監(jiān)測報警系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞K-Chief 700天然氣雙燃料監(jiān)測報警系統(tǒng)

0引言

如今，環(huán)境問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點，而船用燃料是全球大氣污染的重要原因之一。為了滿足IMO、Tier III、MARPOL[1]等公約的要求，27 500 m3LNG船采用W?rtsil?50DF雙燃料主機。與以往主機不同，雙燃料主機有兩種運行模式：燃油模式和燃氣模式。為了船舶運行安全，無論在燃油模式、燃氣模式或者切換模式下都要保證主推進系統(tǒng)及電站系統(tǒng)的連續(xù)運行，這就對主機及緊密相關(guān)的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，27 500 m3LNG船采用了在國際市場中占有主導(dǎo)地位的康斯伯格公司的K-Chief 700系統(tǒng)。從“船舶自動化”的概念提出到現(xiàn)在K-Chief 700系統(tǒng)的出現(xiàn)經(jīng)歷了幾十年時間，機艙監(jiān)測報警自動化程度的發(fā)展也可以從四個階段體現(xiàn)：儀表式監(jiān)測報警系統(tǒng)階段、集中型監(jiān)測報警系統(tǒng)階段、集散型監(jiān)測報警系統(tǒng)階段、全分布式監(jiān)測報警系統(tǒng)階段[2,3]。

1機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的發(fā)展及國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的發(fā)展概況

由于船上的大部分動力和輔助設(shè)備都設(shè)在機艙，因此 “機艙的大腦”——監(jiān)測報警系統(tǒng)也就成為人們越來越關(guān)注的焦點。機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)由最初的儀表式監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了四個階段。

(1) 儀表式監(jiān)測報警系統(tǒng)階段。

早在20世紀初期，船上就出現(xiàn)了一些簡單的儀表作為監(jiān)視和報警系統(tǒng)的主要部件。輪機員下到機艙在機旁觀察、記錄儀表上的參數(shù)。此時期的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)各自獨立成為一個單元。這種分散式的監(jiān)控系統(tǒng)自動化程度比較低，既加重了輪機員的工作負荷，又影響各自數(shù)據(jù)間的互通。

(2) 集中型監(jiān)測報警系統(tǒng)。

20世紀70年代出現(xiàn)了集中型監(jiān)測報警系統(tǒng)。其特點是用一臺運算速度快，功能強大的計算機對整個系統(tǒng)進行集中監(jiān)測。送到計算機的信號都是通過電纜傳輸?shù)?，電纜之間的抗干擾能力必須得到充分的保證。為此采用屏蔽電纜使得經(jīng)濟成本急劇增加。且監(jiān)測報警中心的計算機一旦故障癱瘓，整個監(jiān)控系統(tǒng)就會失靈，導(dǎo)致船舶失去控制。這時，救援船不能及時趕到，后果將不堪設(shè)想。

(3) 集散型監(jiān)測報警系統(tǒng)。

為了克服一臺計算機失控導(dǎo)致全船遇險的問題。20世紀80年代，人們開發(fā)了集散型監(jiān)測報警 系統(tǒng)。將監(jiān)測任務(wù)分散到多個子系統(tǒng)內(nèi),再由主機進行集中管理。整個監(jiān)測報警系統(tǒng)由多個微型處理機組成。上位機負責集中監(jiān)視和操作，下位機(控制站)負責將下層信號處理單元采集的數(shù)據(jù)進行顯示和管理，并送到上位機。上位機與下位機之間通過網(wǎng)絡(luò)線連接，從而顯著減低了電纜敷設(shè)成本以及施工的麻煩。但控制站與信號采集單元之間仍然采用4～20 mA的模擬信號進行通信。實則控制站這個中間層的作用類似于集中型監(jiān)測報警系統(tǒng)的監(jiān)控中心，如果出現(xiàn)任何問題，整個系統(tǒng)也將會失去監(jiān)測報警功能。

(4) 全分布式監(jiān)測報警系統(tǒng)。

全分布式監(jiān)測報警系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線監(jiān)測報警系統(tǒng)(簡稱FCS)。20世紀90年代后期，機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)采用日漸成熟的現(xiàn)場總線，這種高度開放、互操作與互用性強、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散、現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性好的控制網(wǎng)絡(luò)將各個單元連接起來。這樣可以很好地實現(xiàn)各個單元之間的資源共享，更加增強整個系統(tǒng)的可靠性[5]?，F(xiàn)場總線全分布式系統(tǒng)的出現(xiàn)推動整個船舶機艙綜合控制信息系統(tǒng)向更加自動化的方向發(fā)展。

1.2機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)主要由高校和研究所聯(lián)合開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品有：STL-06A集中監(jiān)測報警系統(tǒng)；基于無線以太網(wǎng)技術(shù)的船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)；研究所獨立研發(fā)的CY8800網(wǎng)絡(luò)型機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)；基于LonWorks現(xiàn)場總線的STI-VC2100MA；企業(yè)獨立開發(fā)的基于CAN總線的CJBW3100系列船用監(jiān)測報警系統(tǒng)。

國外的相關(guān)產(chǎn)品主要集中在日本、德國、挪威。例如日本的CAT系統(tǒng)；德國的SISHIP IMAC 系統(tǒng)；挪威的K-Chief 系列產(chǎn)品。其中，以挪威Kongsberg公司的監(jiān)測報警控制系統(tǒng)最為世界矚目。從最初的DataChief C20監(jiān)測報警系統(tǒng)到后來的K-Chief 500、K-Chief 600、K-Chief 700，逐步朝著網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、智能化、綜合化[6]的方向發(fā)展。

2K-Chief 700系統(tǒng)概述

K-Chief 700分布式監(jiān)控系統(tǒng)是當前最安全最可靠、功能最為強大的船舶自動化系統(tǒng)之一。它基于AIM-2000軟件。系統(tǒng)有自我診斷功能，可以連續(xù)地監(jiān)測所有的系統(tǒng)組件和網(wǎng)絡(luò)通訊。一旦出現(xiàn)故障，就會產(chǎn)生報警和糾錯的動作。它還具有大量的現(xiàn)場回路及接地故障監(jiān)測功能。同時，K-Chief 700分布式監(jiān)控系統(tǒng)支持多層面的冗余，例如電源、I/O模塊、通訊網(wǎng)絡(luò)等。K-Chief 700系統(tǒng)在K-Chief 600系統(tǒng)的基礎(chǔ)上更加注重集成化和模塊化技術(shù)的提高，可與Kongsberg的K系列產(chǎn)品(K-Pos、K-thrust、K-Gauge、K-Safe、K-Pro)進行無縫對接。由于系統(tǒng)內(nèi)部由模塊化硬件和模塊化應(yīng)用軟件組成，可以為用戶提供標準化接口和直觀用戶界面。模塊之間均可任意組合，可將其放到分站，也可以放到第三方的控制箱里，從而為船舶的特殊要求提供最佳的解決方案。這種強大的可定制的功能能滿足復(fù)雜船只的特殊要求，如鉆井船和勘探船、液化氣船、大型游艇和巡航船，以及浮式儲運生產(chǎn)裝置等[7]。K-Chief 700系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。其主要配置如下。

2.1操作站

通常不止一個操作站(Operator Station,簡稱OS)安裝在自動化系統(tǒng)里。他們和通訊網(wǎng)絡(luò)、過程網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)相連。收集和顯示來自于各個分站的數(shù)據(jù)，并備份分站的數(shù)據(jù)。操作站主要由計算機、顯示器、操作面板和打印機等組成，可以集中控制和監(jiān)測船上的設(shè)備。對現(xiàn)場設(shè)備進行遙控控制，及時地進行故障應(yīng)答，系統(tǒng)參數(shù)修改等。標準配置是集控室2臺，駕駛室1臺，其他艙室根據(jù)具體要求配備。

2.2分站

分站(Field Station,簡稱FS)由遙控控制(RCU)模塊和遙控輸入輸出(RIO)模塊滿足特定需求組合而成。RIO負責現(xiàn)場設(shè)備信息的采集，提供現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)之間的信號連接。而RCU負責對應(yīng)用數(shù)據(jù)進行處理。RIO模塊之間通常由冗余的RBUS總線連接，而RCU模塊是RIO與操作站之間的接口，可以連接到以太網(wǎng)、Profibus或RBUS。

RBUS是基于RS-485的串行通信總線。具有大約6 Mbit/s的通訊速度。并且要求中繼器之間的距離必須大于300 m。

2.3網(wǎng)絡(luò)

K-Chief 700分布式監(jiān)控系統(tǒng)采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)連接操作站和分站，不同物理區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)分別和網(wǎng)絡(luò)分配單位(NDU)連接以確保實現(xiàn)冗余設(shè)計。NDU采用壁式安裝，包括轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)關(guān)和接線板?？梢院凸饫w，屏蔽雙絞線網(wǎng)絡(luò)電纜之間進行簡單有效地聯(lián)系。

K-Chief 700分布式監(jiān)控系統(tǒng)雙冗余網(wǎng)路必須具有以下重要特點。

圖1　K-Chief 700 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

(1) 重要的信息必須發(fā)送到兩個網(wǎng)絡(luò)。

一旦一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)電纜損壞、網(wǎng)絡(luò)交換機故障、網(wǎng)絡(luò)接口異常等情況，不會影響剩余網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

(2) 網(wǎng)絡(luò)電纜按防火分區(qū)分開敷設(shè)，以至同一區(qū)域失火不影響整個網(wǎng)絡(luò)正常通信。

(3) 其中一個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，剩余網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不會延遲。

(4) 來自于操作站的管理數(shù)據(jù)通信使用第三方網(wǎng)絡(luò)連接，獨立于雙冗余網(wǎng)絡(luò)。

2.4歷史工作站

歷史工作站是一臺連接到網(wǎng)絡(luò)的計算機。它包括操作站軟件，也包括過程處理儲存的數(shù)據(jù)庫。歷史工作站除了可以和過程網(wǎng)絡(luò)連接外，還可以連接到管理數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，從而提供了一個和其他系統(tǒng)和裝置的連接接口。

2.5信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)使用標準工業(yè)接口能交換船岸上的信息?？梢栽u估管理網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)。自動化系統(tǒng)中產(chǎn)生的報告可以發(fā)送到船上的辦公網(wǎng)絡(luò)、船上的郵件系統(tǒng)以及岸上。

2.6打印機

一些操作站可以直接和打印機相連用于打印事件和報警信息。操作站也可以連接到一個或者更多的網(wǎng)絡(luò)打印機。具備彩打功能的網(wǎng)絡(luò)打印機能清晰地打印出操作站上當前的報警圖像。

327 500 m3LNG船監(jiān)測報警系統(tǒng)

3.1船舶簡介

SOE DRAGON 27 500 m3系列液化天然氣(LNG)運輸船，是由兩臺W?rtsil?50DF雙燃料主機配以調(diào)距槳驅(qū)動的LNG運輸船，具有世界上最大的獨立C型雙體罐，采用Kongsberg的K-Chief 700綜合自動化系統(tǒng)，簡稱IAS(Integrated automation system )，如圖2所示。

該船獲得EP, Green Passport入級符號，符合EEDI以及最嚴格的NOx和SOx Tier III的要求。按BV現(xiàn)行規(guī)范規(guī)則設(shè)計、建造、并受之檢驗，取得BV船級符號。船舶基本參數(shù)如表1所示。

3.2K-Chief 700系統(tǒng)在27 500 m3LNG船上的應(yīng)用

K-Chief700系統(tǒng)作為全船的中央監(jiān)測報警系統(tǒng)，整合船舶區(qū)域與液化天然氣貨物區(qū)域的監(jiān)測報警功能于一體。拓撲圖如圖3所示。

圖2　27 500 m3 LNG 運輸船總圖

總長Loa178.00m設(shè)計吃水Td8.30m垂線間長Lpp168.40m結(jié)構(gòu)吃水Ts9.40m型寬B26.60m服務(wù)航速～16nm型深D17.80m續(xù)航力(燃油模式)23d續(xù)航力(天然氣模式)26d總噸位GT22887航區(qū)無限航區(qū)凈噸位NT6866干舷5.41m

圖3　27 500 CBM K-Chief 700系統(tǒng)拓撲圖

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此系統(tǒng)一共采集報警和控制點近2 500個，其中Modbus IO信號1 580點(主要包括主機、發(fā)電機的Modbus TCP/IP IO點1 346個、壓載水處理裝置Modbus RTU IO點23個等 )，硬點信號874個(主要包括配電板信號點266個、遙控閥信號點136個、96點液位顯示及設(shè)備的報警信號等)。由7個自動化操作站(Operator)(駕駛室1個、貨控室2個、集控室2個、船長辦公室1個、輪機長辦公室1個)，10個監(jiān)測報警處理分站(Field Station)，以及延伸報警單元等組成。全船的所有數(shù)據(jù)都通過監(jiān)測報警處理分站(位于集控室、貨控室、機艙A平臺、機艙B平臺、機艙底層)中的信號采集模塊收集并處理。分站通過TCP/IP協(xié)議與工作站之間通訊，將信息送到工作站，工作站再通過已經(jīng)編輯優(yōu)化好的軟件對收集的數(shù)據(jù)進行處理。最終，通過所在操作站的MIMIC圖顯示出來。操作者可以用鼠標點擊關(guān)注事件實現(xiàn)諸多功能。例如，電站自動化、機艙監(jiān)測報警、液位監(jiān)測以及液貨系統(tǒng)中對泵、閥、壓縮機、加熱器和液化氣罐的液位控制和監(jiān)控功能等。

K-Chief700系統(tǒng)具有整合第三方的強大功能。本船將輸入輸出模塊安裝在配電板以及閥門遙控箱內(nèi)。因此系統(tǒng)不僅用于機艙監(jiān)測報警控制，還綜合了閥門遙控、液位遙測、延伸報警、橋樓報警、輪機員安全報警以及功率管理系統(tǒng)(PMS)等功能，進一步提高了全船的自動化程度，真正地實現(xiàn)了船舶數(shù)據(jù)共享、實時控制、數(shù)據(jù)備份、控制功能冗余的設(shè)計理念。同時，因為K-Chief 700系統(tǒng)自帶權(quán)限設(shè)置功能，系統(tǒng)內(nèi)7個操作站由于各自功能職責不同權(quán)限也不盡相同，根據(jù)自身不同的權(quán)限等級實現(xiàn)以上功能，從而既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，又能實現(xiàn)有序控制。

4結(jié)論

船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)展到今天的K-Chief 700已經(jīng)不只局限用于機艙。正朝著“駕機合一”、“船岸一體化”發(fā)展。正由于K-Chief 700系統(tǒng)功能十分強大，目前商船應(yīng)用還很少。該系統(tǒng)在27 500 CBM雙燃料液化氣船上的應(yīng)用尚需進一步開發(fā)。例如可以將CCTV系統(tǒng)、火警和氣體探測系統(tǒng)整合到K-Chief700里，使船舶自動化程度得到進一步提高。

參考文獻

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Research and Application of Electrical Automation K-Chief 700 System in 27 500 m3LNG Ship

WANG Dan-dan

(Sinopacific Offshore & Engineering, Shanghai 200052, China)

AbstractBase on analyzing the development and researches at home and abroad of engine room monitoring & alarm system, focusing on studying the K-Chief 700 system of Kongsberg Company, including system configuration and function. The article is based on W?rtsil? 50DF dual fuel engine 27 500 m3 LNG, introduces the application of K-Chief 700 system and proposes the proposal of extent function of K-Chief 700. This research will provide certain reference for other monitoring and alarm system of dual fuel engine LNG carriers.

KeywordsK-Chief 700Natural gasDual fuelMonitoring & alarm system

中圖分類號U665

文獻標志碼A

作者簡介：王丹丹(1983-)，女，工程師，主要研究方向為船舶電氣詳細設(shè)計。