舰船火灾损管系统的研究

汪晓旭 郑 松

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350016）

舰船火灾损管系统的研究

汪晓旭 郑 松

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350016）

舰船火灾损管系统是舰船机电控制系统的重要组成部分，是舰船作战生命力的重要保障。本文首先分析了舰船火灾损管系统的原理及系统架构；然后介绍了一种新的组态技术，即工业自动化通用技术平台（简称IAP）；最后设计了一套基于IAP控制平台的舰船火灾损管仿真系统，包括仿真平台设计、舱室火灾模型开发、报警阀值设定以及人机界面设计。

舰船；损管系统；仿真平台

在大海上航行的舰船，一旦着火并蔓延，将给舰船造成不堪设想的后果，因此设计一套灭火系统是非常必要的。舰船灭火系统是舰船自动损管系统的重要组成部分，它的作用是实时监测舰船各舱室的环境，采集舱室的温度、烟雾浓度和 CO浓度等信息，辅助预测火灾发生的概率，及时地报警通知船上人员，显示发生火灾的位置，并自动或要求操作员手动地开启联动装置进行灭火。本文应用了一项称为“工业自动化通用技术平台”（简称IAP）的技术设计了舰船火灾损管仿真系统。

IAP控制平台是一种新型的工业自动化系统，包括通用控制站、工业标准的通用网络、跨平台运行的组态软件、分布式的数据结构、面向设备的组态开发工具等。它最独特的特点是向着组态标准化、结构一体化、控制智能化和管理一体化的方向发展［1］。与传统的 DCS控制站只能选择特定的系统硬件不同的是，IAP平台的控制站可以由不同厂家PLC、工控机或类似装置组成，并在其中运行统一的控制组态，可实现同一种控制算法组态在异构计算环境中的运行。

1 舰船火灾损管系统的原理

图1 舰船损管灭火系统原理图

舰船火灾损管系统的工作原理如图1所示，首先传感器检测舱室火情信号（烟雾、温度和相关气体溶度），然后把检测的模拟信号传送给数据采集与设备驱动装置；数据采集装置把模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号并往上传送给数据处理装置和显控台；数据处理设备把处理结果往下传达给设备驱动装置，往上传给显控台并提供相关的辅助决策；设备驱动装置根据数据采集装置和显控台传来的信息对联动装置进行驱动输出［2］。

舰船火灾损管系统一般采用三层分布式控制网络架构，分为监控层、控制层和设备层。显控台、数据处理单元和数据采集与设备驱动装置之间用工业交换机构成一个工业以太网络。其中，显控台是一个人机界面，它能够根据底层上传的信号，显示当前舰船各个舱室的温度、烟雾及气体溶度等参数的情况，并当舰船发生火灾时，发出警报信号，控制远程的执行器来进行灭火。现场设备的传感器（包括手动报警按钮）和执行器连接在一起组成多条探测环路，遍布舰船的各层夹板，并且通过现场总线的方式与数据采集和设备驱动单元连在一起，为此大大减少了接线的复杂度。

2 舰船火灾损管系统仿真平台设计

舰船火灾损管系统仿真平台架构设计如图2所示，该平台采用三层架构的设计，分为监控层、控制层和现场层。

图2 火灾损管系统仿真平台架构图

控制层由一台研华 510H型号的工控机、三台欧姆龙CS1D-67H型号的PLC组成。控制层的PLC作为驱动级的控制设备，内置数据引擎和控制算法组态数据，完成传感数据采集、驱动级控制指令输出和设备级的联锁保护等任务。该型号的PLC为双机系统，带有双机CPU单元、双机电源单元和双机通信单元，极大地提高了系统的可靠性。其中双机CPU单元由两个相同的CPU组成，它们总是运行着相同的用户程序，其中之一为主CPU，另一个为备用CPU，如果正在运行的CPU单元发生了错误或故障，就转换到备用CPU单元并继续操作。工控机运行QNX操作系统，同样也内置相同技术规范的数据引擎，主要是进行数据的处理。由于两种控制设备都内置了数据引擎，确保它们能够在相同的软件结构环境中实现高品质的互联互通。PLC和工控机通过交换机相连组成以太网，并通过 IAPcom通信软件来完成它们之间数据搬移，实现控制层之间的协同互操作。监控层由一台工程师站和操作员站组成，它们分别运行着 IAPplant、IAPlogic、IAPdata和IAPview等IAP控制平台组态软件。这些软件均通过以太网与PLC和工控机中的数据引擎进行实时通讯，以获取它们的实时状态或下达相应的控制指令。现场层采用一台欧姆龙CS1D-67H型号PLC对火灾进行模拟，使用IAPlogic对火灾模型进行建模，通过以太网下载到仿真PLC中，对火灾进行实时仿真。现场层的仿真PLC通过I/O硬接线的方式与驱动级PLC相连接，实现现场模型与控制层的数据交换。PLC控制站的实际接线如图3所示。

图3 PLC控制站接线图

本次设计的仿真平台对舰船上的十个舱室进行火灾监控，其中1号PLC控制站的I/O分配见表1，其主要负责 1—3号舱室的现场环境信号采集和设备驱动，2号PLC控制站主要负责4—7号舱室的火灾监控，3号PLC控制站负责8—10号舱室的火灾监控。

表1 1号控制站的I/O分配表

3 舰船舱室火灾模型开发

本次搭建的仿真平台采用双层区域火灾模型，基本思想是:在火灾发生后，将密闭舱室的空间分为热烟气层和常温空气层上下两层，各层内部的物理参数（空气温度和密度等）均匀，上下层通过燃烧物产生的羽流进行能量和质量交换。根据能量和质量守恒定律推导出烟气层高度和温度随时间变化的规律［3-4］。

舱室内部的热烟气层高度和温度的迭代公式为

式中，Yn为烟气层高度，为羽流流入烟气层的烟气质量之和，为火灾烟气溢流质量，Tu为热气层的温度，T0为环境温度，Af为火灾舱室地板面积，为舱室高度，Cp对流热释放速率；Qv为通风口流出的热速率；Qc为热气对壁的对流热率。

自动水喷淋灭火系统对火灾的控制，实际上是通过洒水控制火源的热释放速率来达到的。细水雾能够通过打湿可燃物表面或水雾蒸发吸收火源的热量，这样来降低可燃物火源的热释放率，本文采用了美国 NIST方程提出的喷头洒水强度和洒水时间与火源热释放速率的数学关系式［5］，即

式中，qs为喷淋系统的喷水密度，单位为 mm/s；为喷淋系统启动时的火源热释放速率；t-tact为喷淋启动后至计算时刻的喷水时间。

以舰船舱室为例进行火灾模拟，假设舱室空间尺寸为 5m×7m×3m，舱壁通风口尺寸为 0.8m× 0.8m，喷淋系统的喷水密度为0.1mm/s。

根据上述推导出的公式，采用IAPlogic进行火灾模型搭建。舱室热烟气层温度数学模型的部分逻辑组态如图4所示。

火源热释放速率数学关系式的逻辑如图 5所示，eTs003元件是惯性曲线运算器，计算公式为

图4 热烟气层温度模型的部分逻辑图

图5 火源热释放速率逻辑图

图6所示为舱室封闭和开启通风口情况下的温度对比曲线图，虚线代表着舱室封闭无喷淋情况下的温度变化曲线，实线代表着打开舱室联通口无喷淋情况下的温度变化曲线，后者比前者的温度略低点，打开通风口有一定的降温效果。

图6 舱室封闭与联通的温度对比曲线图

图7 喷淋系统开启后的舱室温度曲线图

图 7为打开水喷淋系统后的舱室温度变化曲线，从图上可以看出，当传感器检测到火灾发生后，系统自动或人员手动开启水喷淋系统，200s后舱室的温度就会出现急剧的下降，再经300s之后，舱室内的火灾就能够完全被扑灭。温度变化曲线很好地说明了，水喷淋系统对舱室火势的发展具有很好的抑制作用，而此时打开通风口，对舱室降温效果不太，并且烟雾可能通过联通口扩散到舰船的其他位置，因此，在火未完全扑灭时，不建议打开通风口。

4 舰船火灾损管系统的组态设计

本文采用了IAP控制平台的软件工具对火灾损管系统进行了组态设计，其中，IAPlogic软件是控制策略组态软件，IAPview是人机界面组态软件。

4.1 舱室火灾报警阀值设定

火灾发生时，舱室环境会产生较大的变化，空气中的温度、烟雾浓度及CO浓度都会急剧的增高，所以实时监测这3个参数的变化，就能及时地监控舱室内有无燃烧现象的产生。根据这3个参数的值，火灾监控系统设定为3级报警。其中，温度35℃～50℃、烟雾浓度0.3～0.85dB/m和CO浓度10～10× 17-6为A级报警，以此类推设定B级、C级报警。

报警阀值设定的逻辑组态如图8所示，逻辑图中的 HLM元件为高低限报警元件。当输入信号超过报警元件上限或低于下限，输出为True（1），然后对该值进行取反，从而来设定报警阀值及分级报警。

图8 报警阀值及分级设定逻辑图

4.2 舰船火灾损管系统人机界面

IAPview采用了面向设备无脚本组态模式，提高了组态效率，并提供了丰富的组态图形元件库和集成了各类先进的界面技术，为此本节采用IAPview对舰船火灾损管系统进行人机界面的组态。整个人机界面系统由舰船损管系统总监控台、各舱室火灾监控画面和舱室火灾辅助决策系统组成。如图9所示为舰船火灾损管系统总监控台画面，整个监控主界面由十个舱室组成，每个舱室的界面由报警灯和操作按钮组成。当舰船发生火灾时，着火舱室的报警灯会亮，由此确舰船上着火位置，并发出报警信号提示操作员，操作员点击界面上面的 Enter按钮就能进入该舱室的详细的火灾监控界面。

图9 舰船火灾损管系统总监控台画面

图10所示为舱室火灾监控界面，界面主要由火灾处理模块、舱室信息、火灾辅助决策系统、舱室温度历史曲线和现场设备操作窗等画面组成。当发生火灾时，操作员可以通过CCTV视频监控窗确认舱室情况，防止误操作，然后通过火灾处理模块切断舱室电源、打开通风口和喷淋系统进行灭火，可通过设备操作窗对设备手/自动状态进行切换。

图10 舱室火灾监控界面图

5 结论

舰船火灾损管系统是舰船机电控制系统的重要组成部分，本文采用IAP控制平台对其进行了仿真系统设计，充分利用IAP平台的跨平台性，完成了整个仿真平台架构设计、舱室火灾模型的开发以及人机界面的搭建等。

［1］郑松.平台集成控制技术在舰船中的应用［C］//2014中国指挥控制大会，2014.

［2］朱秋红.智能化舰船损管系统研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［3］Quintiere J.Fundamentals of enclosure fire zone model［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1989（1）：68-72.

［4］孟岚，周允基.Two-layer双层区域模型对单室火灾的模拟［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，23（4）：28-32.

［5］李念慈，李悦.自动喷水灭火系统［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

The Study of Ship Fire Damage Control System

Wang Xiaoxu Zheng Song
（College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University，Fuzhou 350116）

This ship fire damage control system，which has the responsibility for guaranteeing ship survivability，is an important part of ship machinery control system.The principle and architecture of ship fire damage control system is analyzed in this paper.And then a new configuration technology，industrial automation general technology platform（IAP），is introduced.Based on the IAP control platform，a ship fire damage control simulation system，which includes simulation platform，the cabin fire model，the alarm value and human machine interface（HMI），is designed.

ship；damage control system；simulation platform

汪晓旭（1990-），男，福建泉州人，在读硕士研究生。