舰船日用水系统集中监控技术研究

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(中国舰艇研究设计中心，武汉 430064)

现代舰船是一个多系统、多结构、多设备、多组件的综合平台[1]。随着船舶大型化、智能化的发展以及舰员生活保障水平的不断提高，舰船日用水系统的功能由单一的造水、储水、供水、排水向复杂的多功能船舶保障方向发展。

目前，国内许多舰船仍然采用人员值守加重点巡查的方式管理日用水系统，对全舰设备和主要阀件采用全手动操作方式，存在操作时间长、舰员工作强度大、信息沟通困难等问题。

现代舰船在以提高舰船综合性能为目标、使用需求为牵引、作业流程为主线以及在满足功能要求的前提下，综合运用软硬件集成、信息共享、技术创新等手段，使全舰以最优的配置、最少的人员、最低的资源消耗，实现全舰综合效能的全面提升。在系统集成优化的设计理念的指导下，开展日用水系统集中监控能极大地提高日用水系统智能化、信息化水平，对于改善大型船舶船员的工作环境，降低劳动强度，提高劳动效率都有十分重要的意义[2]。

日用水系统集中监控技术主要是利用成熟的计算机技术、监测报警技术、远程控制技术、传感器技术以及通信技术，实现对全舰水资源的集中管理。日用水系统集中监控技术包括以下主要部分。

1)淡水舱、造水机、海补、生活用水、机械设备运行状况等的集中监测。

2)水质及重要设备故障的集中综合报警。

3)主要设备和阀件的远程控制。

4)紧急情况下辅助决策。

5)对全舰日用水系统数据统计、分析、查询等现代化管理。

1 日用水系统集中监控技术设计

在舰船停靠码头时，可以利用岸接水资源，舰船的淡水、冷却水供应，污水排放等是可以充分地得到保证的。但当舰船满足远洋航行时，作为一个孤立的海上平台，就必须对全舰水资源进行有效的控制和管理，以满足不同时段、不同对象对日用水资源的特殊要求，保证远洋任务的执行。

1.1 集中监控装置组成

日用水系统集中监控技术是通过安装于各设备上的监控模块将监测信号收集到区域监控箱上，经区域监控箱分析处理后，再集中发送到全舰的集中监控台上，达到全舰信息集中显示、集中控制的目的。集中监控装置主要由集中监控台、区域监控箱和监控模块(含配套软件)等三大部件组成。

1)集中监控台。主要由显示设备、操控设备和集中监控软件等组成。其主要通过监控界面、状态显示、综合报警、实时数据信息和历史数据查询，实现全舰监测信息集中显示、综合分析以及远程控制功能。舰员在一个监控台上就能实时掌握全舰日用水资源的情况及系统全部设备的状态，并通过监控台发送控制指令，完成操作。集中监控台是集中监控系统最为核心的装置。

2)区域监控箱。主要由数据传输控制箱、监控模块供电单元和区域监控软件等组成，包括监测信息输入接口和控制信号输出接口。区域监控箱的主要功能是收集区域内监控模块采集到的信息，将各离散的监测信息集中处理后发送到集中监控台，并能分析集中控制台发出的控制指令对指定设备进行远程控制，是一个承上启下的中间装置。

3)监控模块。主要由现场采集模块和采集软件等组成。其功能是采集监控设备的信号并完成集中监控台下达的控制指令，是集中监控系统实现具体功能的末端装置。

日用水系统集中监控技术结构设计见图1。

图1 日用水系统集中监控技术结构设计

1.2 集中监控技术的工作原理

集中监控台和数据中心位于管理控制层，是日用水系统集中监控技术的最顶层设备，向下通过以太网端口接入平台网，实现日用水系统的集中监测、远程控制、综合故障报警和状态信号查询等。

集中监控台采用装有组态软件的工控计算机，区域监控箱采用PLC集成，集中监控台和区域监控箱之间通过平台网连接，通信采用TCP/IP协议。

区域监控箱位于数据传输层，由监测设备的数量统一分区部署。区域监控箱向上通过以太网端口接入平台网，向下通过工业以太网端口与现场采集层设备相连，实现区域内监控信号的集中转发。

区域控制箱集成有可编程逻辑控制器PLC，负责处理、分析和传输监控信号。PLC是一种电子装置，以可编程内存来储存指令，用微处理器来执行指令及运算，以达到控制各种船舶设备的目的。PLC的控制指令需包括：逻辑、顺序、计时、计数以及算式运算等功能。从结构上而言，PLC为一种特殊用途的计算机，其主要的构成部分为程序书写器、中央处理单元(CPU)、内存、输入模块、输出模块与外围扩充模块[3]。

监控模块位于传输采集层，根据设备监控点的位置，并按区域化采集的需求分船体水密区布置，实现区域内现场空调通风设备监控信号输入输出，向上通过CAN总线与区域监控箱通信，向下采用电缆线与现场设备控制箱连接。

CAN总线由于具有良好的可靠性、实时性、抗干扰能力及检错能力，因此广泛地应用于船舶的远程控制系统中。现场采集的信号通过CAN总线输送给集成有PLC区域控制箱，经PLC的CPU处理后通过网线传输给集中监控台，同样集中监控台发出的控制指令也是通过网线传输给区域控制箱，区域控制箱PLC的CPU处理后通过CAN总线传给远程I/O模块控制现场设备的动作。

日用水系统集中监控技术原理见图2。

图2 日用水系统集中监控技术原理示意

2 集中监控技术的主要功能

日用水系统集中监控技术主要是对舰船造水、贮水、供水和用水全过程进行状态追踪和控制。造水和贮水阶段主要实现对全舰淡水舱液位的实时监测和高低位的超值报警，设备的运行状态显示及故障报警，对海补岸补注入、造水注入、淡水调驳等进行综合报警和远程控制，监控系统主要阀件的工作状态；供水和用水阶段主要对全舰人员依据职务和岗位采取淡水定量分配，水质监测，系统主要设备运行状态显示及故障报警。

日用水系统集中监控技术需达到以下三个功能：①集中监测、报警功能；②自动控制功能；③综合管理功能。

2.1 集中监测、报警功能

对全舰淡水舱液位信息的集中监测，将检测到的信号传输到全舰的集中控制台上。舰员通过集中控制台显示器能实时查得各淡水舱的水量。实现对全舰液位舱的高低水位超值报警，整体反映全舰淡水资源的贮存情况。

对淡水注入、调拨管路上的主要阀门进行开闭状态监测，并且通过动态模拟识别板显示监测信息。对全舰淡水系统的海补岸补注入、造水机造水量、淡水调驳等信息进行集中监控，并对异常现象进行综合报警。

对淡水制备、调驳及消毒系统的主要设备，如反渗透海水淡化装置、矿化装置、海水供水泵、淡水调驳泵、水质处理装置、消毒杀菌装置等进行运行状态监控和综合故障报警。

对淡水舱水质进行在线监测，能实现淡水水质细菌超标报警。

发生故障时，区域监控箱和集中监控台都能进行声光报警，同时在集中监控台上进行记录，以便查询。

2.2 自动控制功能

通过淡水舱监控系统的采集信息，根据全舰淡水资源情况，自动启动(或人为控制)造水设备并开启管路阀件，及时补充淡水资源。通过远程控制淡水舱和淡水管路上的主要阀件，实现在集中监控台上操控淡水海补注入、岸补注入，淡水调驳等工作。图3为某典型日用水集中监控系统原理图。此集中监控系统包括两个主要系统：淡水监测管理系统及淋浴管理系统。

图3 某典型日用水集中监控系统原理示意

日用水系统自动控制原理图中设有2个淡水舱，2台淡水泵。2台泵其中一台作为供水泵，以变频恒压方式向用户供水；另一台作为淡水驳运泵，用于两个淡水舱淡水驳运或淡水舱消毒工作模式。各主管路上设有流量传感器，分别监测各用户主管路上的淡水流量、造水注入流量、海补、岸补注入流量、矿化注入流量等，并通过控制设备的启停和调节管路上的电磁阀，实现以上功能。

由于舰船上主要的淡水消耗为淋浴用水，对淋浴系统进行监控能够有效地管理淡水资源的使用，提高淡水使用效率。淋浴管理系统通过各支管上的流量计记录各淋浴头淡水的使用情况，并通过各支管上的电动阀，控制每名舰员淋浴水的用量，超过用量就自动停止供水。

自动控制系统能够控制日用水系统内的所有主要设备。被控设备应具有本地控制和遥控两个功能。设备的机旁控制箱能够在本地控制，并且具有“紧急停止/启动”功能。机旁控制箱能够接收由集中监控室发送的遥控信号，受集中监控室统一监控。

2.3 综合管理及辅助决策功能

日用水系统集中监测技术能够将全舰的日用水资源情况集中反映到监控台上，通过软件的综合分析和计算，可以为全舰日用水资源管理提供辅助决策，帮助舰员合理制定人员配合和管制时间，最大限度提高系统的效率。

要做好舰船日用水资源的使用管理，需要考虑以下几个方面的因素。

1)不同人员的供水额度。针对不同类型的人员，采用不同的供水量。

2)不同工况下的淡水控制。舰船在执行不同任务时，受不同因素的影响，淡水供给受到了限制，如：舰船停靠污水零排放区域，淡水使用量受到了限制；舰船执行任务时，造水设备故障维修时；舰船岸泊、锚泊、航渡、战斗等状态下淡水供应量有差别，必须采取相应的控制措施。

3)适时了解全舰淡水舱淡水储存量，合理调配各淡水舱淡水供给，淡水调驳方案，制定合理的淡水补给或造水计划。

4)监测淡水主要用户供水情况，科学有效地控制和避开机械和人员的用水高峰。

5)进行淡水使用量统计，掌握淡水消耗规律。

舰船日用水系统设备发生故障并发送报警信号时，在彩色液晶显示器上应能清晰示明设备部位和时间，并经查询能将其信息翻转至发生故障的这一页。同时在彩色液晶显示器上应能清晰显示相关的信息资料，指导舰员用最短的时间了解故障设备信息和部位，尽快处理故障。彩色液晶显示器显示的信息可通过打印机打印。

集中监控台自带硬盘能够对全舰日用水系统的测点数据进行存储，并且可以对存储的数据进行二次处理，得出全舰实时用水数据、全天用水数据、剩余用水时间等数据，整理出相应的图表，显示上述信息。

3 结束语

本文分析了舰船日用水系统集中监控技术设计方法，包括日用水系统集中监控装置组成和工作原理。针对舰船的日用水系统的特点，分析了集中监控技术所要实现的主要功能以及实现方法。

舰船日用水系统集中监控技术是舰船日用水系统的重要组成部分，其实现对全舰日用水资源的集中监测、控制及综合报警功能。在统筹优化监控资源的基础上，完成全舰淡水资源的自动调节，可加强对全舰日用水资源和系统主要设备的监测及运行管理能力，简化舰员操作流程，减少巡视及工作强度，提升各设备运行效能、故障响应速度和保障能力，对提高全舰信息化水平有积极的作用。

[1] 李兴林.船舶监控技术的应用[J].中国航海，2007(4)：59-61.

[2] 林 锐,张时农,曾 勇.船舶淡水监控管理系统研究[J].船舶,2010(6)：36-37.

[3] 涂海川.船舶网络监控系统的设计与研究[D].上海：上海交通大学，2006.