刘毅，潘锦平

(中国船艇设计中心，武汉 430064)



大型船舶日用水集中监控系统方案

刘毅，潘锦平

(中国船艇设计中心，武汉 430064)

结合大型船舶日用水系统设备信息化和自动化管路的需求，提出一种适用于大型船舶的日用水集中监控系统方案，分析系统设备组成、功能、性能、架构和接口，该方案能有效提高全船水资源的管理能力，减少船员的工作强度，提升全船的信息化和自动化水平。

大型船舶；日用水；监控；方案研究

船舶动力装置需要消耗大量淡水，主要用作柴油机冷却水、锅炉给水、蓄电池用水等。这些淡水一般采用专用水舱储存，但是对于大型船舶，由于连续航行时间长，与补给基地相距远，要储备足够的淡水；远洋船舶航行也要求能源源不断地补充淡水[1]。

目前大型船舶已经实现对重要辅助机电设备(如发电机、舵机等)的监测、报警和控制，但未能对日用淡水系统日常使用较多的设备进行监控管理。日用淡水系统设备分布在全船的不同部位，尤其集中在机舱、泵舱等人员不易到达的部位。设备对船舶淡水系统的安全性有着或大或小的影响，一旦发生故障，需要及时处理。传统的管理办法是安排船员值班巡视，记录每台设备的运行状态，排查故障。但是对于大型船舶，船员编制有限，设备数量大，对于信息化和自动化需求愈发迫切，这种传统的管理方式逐渐趋于落后，因此需要建立一套自动化程度较高的日用水集中监控系统。

1 监控系统

鉴于日用水系统设备的分布特点，集中监控系统可采用典型的分布式测控架构，分层采集和控制，实现统一管理。

全船设置1台集中管理的数据监控箱，实现对日用水系统设备运行状态的监测、故障报警和控制，下设监控模块。监控模块可按照防火区或水密区设置，实现区域内监控信息统一采集转发。监控模块根据设备布置为现场均布，还可作为区域监控中继设备，用于解决因设备与监控模块之间距离过远而造成的信号衰减问题。另外在管路上设置电液式阀门，实时监控系统运行的状态，并对水量、水质等重要指标进行监测存储。

日用水集中监控系统由数据监控箱、监控模块、淡水补给控制箱、电液式阀门、水量监测模块和水质检测模块组成。

1)数据监控箱。数据监控箱由电源模块、数据采集模块、数据输出模块、以太网通信模块、CAN通信模块、显示模块、操控界面、CPU模块、接线端子及箱体等组成。全船一般设置1台数据监控箱，监控箱布置在机电集控中心，集中实现日用水集中监控系统监测、报警和控制功能。

2)监控模块。监控模块由电源模块、数据采集模块、数据输出模块、CAN通信模块、RS485通讯模块、操控界面、CPU模块、接线端子及箱体等组成。监控模块全船均布，其数量根据日用水集中监控系统分区确定，一般一个监控区设1台监控模块。

3)淡水补给控制箱。淡水补给控制箱由电源模块、数据采集模块、数据输出模块、RS485通信模块、操控界面、CPU模块、接线端子及箱体等组成。淡水补给监控箱一般设置在露天平台岸补、海补接口处和造水机附近，其数量根据补给处所和造水机舱室数量确定。

4)电液式阀门。电液式阀门由驱动头、阀门、15 m线缆和接线盒组成。电液式阀门主要用于液舱进出水控制，供水及调拨总管的控制等，其数量根据淡水舱数量及淡水总管数量确定。

5)水量监测模块。水量监测模块由电磁流量计、通信模块、数据采集模块组成。数量监控模块主要用于采集系统的耗水量，其数量根据供水装置的数量确定。

6)水质检测模块。水质检测模块由余氯传感器、浊度传感器、信号变送器、电源模块、显示模块、数据通信模块、水样采集模块、设备支架以及数据采集、处理及通讯软件组成。主要用于检测全船淡水的水质[2]，一般全船配置1台。

2 功能

2.1 系统功能

日用水集中监控系统主要用于对全船的洗涤冷水系统、洗涤热水系统、饮用水系统、舱底水系统、淡水制备系统、淡水闭式循环冷却系统及甲板漏水系统进行集中监测、报警和控制。

日用水集中监控系统通过设置的1台数据监控箱和每个区域内设置的监控模块采集本区域内设备运行状态和综合故障报警、淡水消耗量、阀门开闭状态和综合故障报警等信息，并执行部分设备的遥控、阀门遥控开闭等控制。监控系统功能流程见图1。

2.2 主要设备功能

1)数据监控箱。数据监控箱通过平台网络以双冗余以太网形式接收淡水舱、舱底油污水舱等液舱的液位信息，并进行显示。数据监控箱具有系统内部分设备的远程遥控控制，具有系统内电液式阀门开闭的遥控控制，以实现淡水补给、调拨、水舱取水等控制功能。

数据监控箱通过双冗余CAN总线接收各监控模块采集的电动疏水泵、凝水排放装置、热水装置、水质调节装置、循环过滤装置、水量监测模块、海水/淡水板式换热器、变频供水装置、反渗透海水淡化装置、水质后处理装置、矿化装置、消毒剂投放装置、淡水泵，淡水舱、消毒剂投放、循环过滤控制阀，海水/淡水板式换热器、油污水收集舱控制阀、电动疏水泵、电动柱塞泵等设备的状态信号、故障报警，淡水消耗量，淡水循环泵出口水质(浊度和余氯)及电液式阀门的启闭状态及故障报警等信息，并进行显示。同时接收淡水补给控制箱的阀门遥控启停指令，进行相应阀门启停控制。

数据监控箱能通过监控模块对热水装置、海水/淡水板式换热器、变频供水装置、反渗透海水淡化装置、淡水舱控制阀、淡水泵，消毒剂投放、循环过滤控制阀，电动疏水泵、矿化供水泵进行远程遥控。

2)监控模块。每台监控模块分别采集相应区域内设备的运行状态及故障报警、淡水消耗量、淡水循环泵出口水质(浊度和余氯)及电液式阀门的启闭状态及故障报警等信息，并通过双冗余CAN总线传输给数据监控箱，并在数据监控箱上进行状态及报警显示。

监控模块通过RS485通信接口、和开关量输入接口采集对应区域内设备和电液式阀门的状态和综合故障报警信息，并通过双冗余CAN总线将采集对应区域内设备的运行状态和综合故障报警信息，以及淡水补给控制箱的阀门遥控启停指令发送给数据监控箱。

监控模块通过双冗余CAN总线接收数据监控箱发送的控制指令实现系统内部分设备的远程遥控控制和系统内电液式阀门开闭的遥控控制，以实现淡水补给、调拨、水舱取水等控制功能。

监控模块通过RS485通讯接口采集淡水补给控制箱的阀门遥控启停指令。

3)淡水补给控制箱。淡水补给控制箱具备系统内各电液式遥控阀门的遥控启停控制功能：通过RS485通信接口发送阀门启停控制指令给对应的监控模块，再由监控模块将阀门启停控制指令通过CAN总线发送给数据监控箱，最后由数据监控箱向对应区域的监控模块发送指令实现控制。

淡水补给控制箱具备日用水系统中各淡水舱的液位显示功能。

4)电液式阀门。电液式阀门接收监控模块的控制信号，实现相应管路的通断控制。

5)水量监测模块。水量监测模块对各变频供水装置的淡水输出量进行测量，并将信息传输给监控模块。

6)水质监测模块。水质监测模块对淡水循环泵出口水质(浊度和余氯)进行监测，并将信息传输给监控模块。

3 性能

1)数据监控箱。①船供AC220 V/50 Hz三相电源；②以太网：10～100 M自适应；③RS485通信接口；④具备加固显示屏显示及远程遥控功能。

2)监控模块。①船供AC220 V/50 Hz三相电源；②RS485通信接口。

4 架构

日用水集中监控系统采用分布式构架[3]，系统的组成设备分为3层，分别为监控管理层、区域采集控制层和现场设备层，见图2。

监控管理层设备由集中监控台组成，是日用水集中监控系统的上级系统：辅机集中监控系统的人机交互的接口，通过总线以太网获取各区域的辅机监测数据，以友好人机界面的形式，显示全船辅机的启停运行状态，对故障进行声光报警，实现对辅机的远程控制操作。

区域采集控制层是日用水集中监控系统的中间层，由数据监控箱、监控模块及区域子网组成，区域子网是现场总线网络，数据监控箱与监控模块通过总线相连，将区域内设备及阀件的监控信息集中处理，现场采控模块根据设备的分布现场布置，可解决设备位置分散的问题。这种区域子网的结构形式可提高总线主干网的网络传输效率，避免接入点过多而信息量小，同时还满足分布式的测控需求。

现场设备层主要是分布在管路上的淡水补给控制箱、电液式阀门、水量监控模块和水质监控模块，为系统提供设备运行状态信号和控制接口，如提供开关量、模拟量信号或通信的输入输出。开关量规格为DC24 V，模拟量规格为4～20 mA，通信接口可统一为RS485，可以覆盖大多数的传感信号和监控信号。

5 接口

日用水集中监控系统的接口可分为2类：一类通过硬线连接；一类通过通信线连接。

1)与上级系统接口。日用水集中监控系统数据监控箱通过平台网与上级系统的集中监控台进行通信，向上级系统(辅机监控台)发送采集到的日用水系统设备状态和报警信息，并向日用水系统设备发送辅机监控台的控制信号。

2)与日用水系统接口。日用水集中监控系统采集模块通过CAN总线、RS485总线、触点信号、模拟量信号等方式与日用水系统设备进行通讯，采集日用水系统设备状态和故障报警信号，同时把日用水集中监控系统数据监控箱和上级系统集中监控台的控制信号传输给日用水系统设备。

3)与配电系统接口。

数据监控箱。三相三线AC220 V(+10%～-10%)，频率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

监控模块。三相三线AC220 V(+10%～-10%)，频率(50±5%)Hz，功率3 000 W。

淡水补给控制箱。三相三线AC220 V(+10%～-10%)，频率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

4)人机操作接口。日用水集中监控系统人机操作接口通过软件实现，在日用水集中监控系统数据监控箱和上级系统集中监控台可集中处理日用水系统设备的监控报警信息，软件可按分系统进行界面划分，以便于不同系统的集中管理。

日用水集中监控系统洗涤冷水主控界面如图3所示，可实现不同供水工况的选择与转换，进行高、低区管网监控界面转换等控制功能。

日用水集中监控系统洗涤冷水管网监控界面如图4所示，可实现电液式阀门控制及各水量的实时动态数据观察。

依照变频供水系统的基本特性[4]，日用水集中监控系统不仅可以监测全船耗水量，还能够显示实时供水装置出口流量曲线和装置出口流量分布统计数据。变频供水装置出口流量曲线和出口流量分布统计见图5和图6。

6 结论

基于日用水系统的特点和设备功能，通过对系统设备组成、功能、性能、架构和接口的分析研究，提出一种适用于大型船舶的日用淡水集中监控系统方案。该系统采用典型的分布式测控架构，分层采集和集中控制，实现统一管理，有利于提高对全船水资源的管理能力，提高日用水系统设备的运行效能和故障保障能力，减少船员的工作强度，提升全船的信息化和自动化水平。

[1] 宋玮,船用反渗透海水淡化装置的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2007.

[2] 杨俊.船舶淡水浑黄案例分析[J].中国水运,2013,13(9):115-116.

[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.

[4] 朱玉堂.变频恒压供水系统的研究开发及应用[M].杭州：浙江大学，2005.

On Monitoring and Controlling System of Daily Water System for Large Ship

LIU Yi, PAN Jin-ping

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

According to information and automation development needs, a scheme of monitoring and controlling system of daily water system for large ship was proposed. The equipment composition, function, performance, structure and interface of the system were analyzed. The system can improve the management ability of water resource for the ship, reduce the working strength of crew, improve the level of normalization and automation for the ship.

large ship, daily water, monitoring and controlling, schematic studies

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.015

2017-01-18

国家部委基金资助项目

刘毅(1985—)，男，硕士，工程师

研究方向：船舶保障系统

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0066-04

修回日期：2017-03-07