船舶电气自动化系统设计思路与保障技术研究

谢罡华 广东新船重工有限公司

随着我国科学技术水平的提升，船舶电气自动化系统设计已成为时代热点，积极建设船舶电气自动化系统，科学引入能够稳定系统运行的保障技术，进一步强化电气设备运行能力，以从根本上保证我国社会生产力的高速发展。因此在系统设计过程中，技术人员须严格遵照船舶行业电气自动化需求，根据工业实际来选取合适的设计思路，从降低电磁干扰，优化系统运行，稳定数据储存等多个方面对船舶电气自动化系统运行提供可靠保障。

1.船舶电气自动化系统设计思路

设计人员应该以实现船舶精细化管理、自动化管理为目的，以计算机微处理为核心，科学合理地进行船舶电气自动化系统设计。同时设计人员须综合考虑船舶电气设备的结构特点、运行能力及产品质量等因素，并结合船舶电气自动化系统的设计要求以及企业的生产需要，以保证船舶电气自动化系统设计的合理性。同时船舶电气自动化系统须拥有多模块协作、智能网络管理等功能，并且尽量采用计算机微处理技术，以便于后续安装，同时利于设计人员对其进行后台应用管理，保证现船舶电气自动化系统的运行效率，并有效提升船舶电气设备的工作性能。在此基础上设计人员须重点关注系统功能模块的优化配置，保证各模块之间能够正常协作，以真正实现船舶电气系统的自动化、效率化，从而降低工作人员的工作难度。

1.1 船舶电气自动化系统设计

1.1.1 组合法设计思路

组合法是目前我国一种应用普遍的船舶电气自动化系统设计方法，尤其适用于船舶数控设备电气自动化系统设计。组合法通过利用高新技术手段，将各类功能模块进行连接组合，以实现船舶电气自动化系统设计，合理利用组合法进行船舶数控设备电气自动化设计，可以保证船舶数控设备功能多样化，并提高设备的运行能力。同时组合法具有多模块组合设计的优势，系统功能齐全，可以在现有的船舶电气自动化系统基础上进行设计改装，将各类功能模块进行合理整合，设计方案操作难度小，设计思路清晰明了，且设计耗时较短，可以较好地实现船舶电气设备的自动化控制。但是在船舶电气自动化系统设计时，需要配置大量性能迥异的功能模块，因此设计人员在利用组合法进行船舶电气自动化系统设计时，须结合船舶电气设备的实际生产需求来进行功能模块的组合连接，保证各功能模块之间不会产生运行冲突，避免影响船舶电气自动化系统设计进程。

1.1.2 取代法设计思路

取代法是一种应用广泛的船舶电气自动化系统设计方法。通过取代法将电子线路与船舶机械设备的控制结构进行替换，有效解决工作模式单一的问题，以达到对船舶电气设备的自动化控制效果，因此与组合法相比，取代法更适用于对电子化程度要求高的船舶电气自动化系统当中。同时利用取代法进行船舶电气自动化系统设计时，设计人员须合理利用计算机网络的相关技术，以保证精确完成电子线路的替换工作。需要注意的是，取代法设计思路下的船舶电气自动化系统除了可以有效提高船舶电气设备的工作性能外，还可以实现对系统运行数据的实时采集，以便设计人员对电气自动化系统的工作状态进行科学分析，并根据工作状态对设计方案进行及时优化，对保证船舶电气自动化系统的设计效果具有重要意义。

1.1.3 整体法设计思路

整体法与取代法的设计思路较为相似，但是整体法须将电子线路与船舶机械结构进行合理融合，以此实现船舶电气自动化控制设计。通过整体法设计，可以让船舶电气自动化系统具备较多功能，但是需要注意的是，通过整体法进行船舶电气自动化系统设计，要求设计人员具备较高实操能力，同时设计时间较长，需要大量科研资金，因此设计成本远高于其他两种设计思路，但通过整体法设计思路对船舶电气自动化系统进行相应研究，有利于现代自动化控制理论的发展。在进行船舶电气自动化系统思路选择时，技术人员须实时观测船舶电气自动化系统运行实况，对三种方式进行适当模拟，以此保障船舶电气设备的工业运行能力，从而有效提高企业工业化水平。

1.2 自动化算法设计思路

船舶电气自动化系统利用微型计算机和集成电路板中的间隔模块，对电气设备的运行数据进行实时采集，并通过滤波器对采集到的数据进行加工，最终通过计算机模块中的内置算法，对滤波过后的运行数据进行有效处理，以对电气设备重点保护参数进行实时计算，保证系统自动化功能的时效性、安全性。现阶段船舶电气自动化系统的内置算法种类较多，但较为常用的两类算法是基于标准正弦波的半周期积分算法，和基于周期函数的傅里叶算法。由于标准正弦波在任意周期的积分绝对值都为固定值，且数据窗长度为0.1s，因此通过半周期积分算法，船舶电气自动化系统的内置模块可以有效消除电气设备中的高次谐波干扰，同时由于船舶电气自动化系统的数据采集功能强大，采样频率高，因此该算法所需CPU占比较低，可以有效控制船舶电气自动化系统的能耗问题。但是需要注意的是，半周期积分算法无法消除电气设备运行数据中的固定直流分量，必须借助数字滤波器降低直流信号对数据采集的干扰。

通常情况下，船舶电气自动化系统采集到的电气设备运行数据是较为标准的正弦信号，但当系统发生故障时，电气设备的输出信号将严重变形，导致数据采集过程中出现严重的信号干扰，影响数据处理结果，因此当电气设备发生故障时，须启用系统内置的傅里叶算法，以消除高次谐波周期信号对数据处理的干扰，实现船舶电气自动化系统的保障功能。

1.3 硬件系统设计思路

船舶电气自动化系统主要包含控制模块、信号采集模块、开关量模块、通信模块、显示模块和电源装置等硬件系统。电源装置主要起到稳定船舶电气自动化系统电压电流的作用。控制模块可以实现对电气自动化系统各项数据的计算处理功能，并根据计算结果，与开入量模块进行交互，以对电气自动化系统的运行状况进行合理判断。信号采集模块主要用于对电气自动化系统的各项数据的采集转换，将系统中的高电压、高电流转换为可供装置采集的弱电信号，并将通过数字滤波器将弱点信号滤波为数字信号，以便控制模块对其进行分析计算。开入量模块可以实现对电气设备保障装置、开关等外部连接设备的位置采集功能，并录入电气线路的相关数据，根据控制单元的计算结果，判断是否需要采取电气自动化系统保障措施。显示模块通过液晶屏实时显示处理后的电气系统相关数据，以便技术人员对电气自动化系统的运行状况进行记录。通信模块通过物联网技术，将重要运行数据及电气自动化系统故障情况及时上传到通信终端，并由通信终端反馈至监控中心，以便技术人员及时对电气自动化系统的故障原因进行排查检修。

1.4 软件系统设计思路

由于船舶电气自动化系统中存在嵌入式微型计算机，因此技术人员可选择KeiluVision3等程序编译平台对自动化软件进行开发。结合船舶电气自动化系统的软件开发要求，以及后期软件系统维护更新，应对船舶电气自动化系统的软件系统进行分层设计，即驱动层、操作层以及应用层三大模块，软件系统结构如如图1所示。其中驱动层主要实现对船舶电气自动化系统硬件系统的基础控制；操作层主要实现对系统保障功能的管理及调控，以便为应用层提供功能处理空间；应用层主要负责实现船舶电气自动化系统的各大功能。驱动层包括系统存储、系统时钟等模块，并通过对应程序对液晶屏、LED指示灯、外接按键等控制硬件设备进行驱动控制。其中系统时钟为操作层提供了时间控制功能，并通过外接按键及液晶屏、LED指示灯等驱动程序为显示模块提供显示功能。应用层主要负责船舶电气自动化系统内置算法的逻辑判断、控制模块的数据处理，开关量模块的定位检测、通信模块的反馈通信等功能，是船舶电气自动化系统最为重要的软件系统模块。

图1 船舶电气自动化软件系统结构

2.船舶电气化自动系统保障技术

2.1 抗电磁干扰技术

为保障船舶电气自动化系统的正常运行，技术人员须合理利用电磁兼容原理，及时进行自动化系统抗电磁干扰设计。通过抗电磁干扰技术，技术人员可以对船舶电气自动化系统运行过程中存在的干扰源进行有效阻隔，并有效隔断部分电磁干扰信号的介入，在一定程度上降低自动化系统受到的电磁干扰程度，确保系统输出输入数据的稳定性、可靠性。同时由于电气设备的金属外壳可以吸收大部分电磁能量，且能对高频电磁波起到一定的反射作用，因此在船舶电气自动化系统外部加装具有电磁屏蔽功能的金属外壳，保证外界电磁场无法通过辐射、扩散、穿透等方式进入电气自动化系统的数据采集模块。同时技术人员须在电力设备开口处铺设电磁密封垫层，在最大程度上保证船舶电气设备金属外壳的电连续性，降低电磁干扰程度。同时为保证抗电磁干扰技术的有效实施，须在系统内部电路中安装一定数量的滤波器，降低电磁干扰对数据采集的影响。同时技术人员应对船舶电气自动化系统开关量的外接端口、通信模块的通信端口进行光电耦合电磁隔离处理，对电源装置进行互感器电磁隔离，保证交流信号与直流信号有效分离，提高系统的抗电磁干扰能力。同时在设置了一定数量滤波器的基础上，再引入RC吸收装置，对船舶电气自动化系统的运行电压进行有效控制，增强系统各组成成分之间的关联度，降低电压变化幅度，确保船舶电气自动化系统稳定运行。

2.2 优化容错技术

通过合理运用优化容错技术，可以在一定程度上降低电气自动化系统发生运行故障的概率。若主控系统出现运行故障，技术人员则可利用容错技术及时判断出系统的故障区域、故障时间和故障问题，对系统部分功能进行制动维护，确保系统其他结构仍能稳定运行。若船舶电气自动化系统电源模块出现故障问题，技术人员则可利用优化容错技术，对电源装置的冷却水温度进行实时监测，若冷却水温度超过设定值，系统会立即切断电源，并启动散热装置，以此延长电源模块使用寿命。若电源模块的散热装置发生故障，无法及时降温，系统则会立即启动温度正常的备用电源，降低散热装置的工作负荷，以便技术人员对故障设备进行及时维修

2.3 电力推进技术

电力推进技术是船舶电气自动化系统的动力源保障基础，可以对电气设备运行过程中产生的机械能进行高效转换，为系统运行提供充足电力。同时电力推进技术操作简便，可以为船舶部分电气设备提供自动保养功能，进一步提高了船舶电气自动化系统的运行性能。在实际运用过程中，技术人员应尽量采用交流推动方式，以便合理调控船舶动力系统的功率。在船舶电气自动化系统中搭载交流电无换向电动机，以对船舶电气设备的运行效率、运行周期进行适当调控，以优化自动化系统的工作性能，需要注意的是，若船舶电气自动化系统的输出频率变化幅度过大，将加快交流无换向电动机的耐久磨损，提高系统运维成本，因此技术人员须根据实际情况，有方向性地引入直流无换向电动机，最大程度发挥电力推进技术的实用性，为船舶电气自动化系统的安全运行提供可靠保障。

2.4 储备冗余处理技术

储备冗余处理技术是船舶电气自动化系统安全运行的基础保障。通过并联操作将自动化系统与数据联网终端进行可靠连接，对系统运行过程中产生的冗余数据进行精确识别，提取出其中的有用信息进行合理储存，从而确保系统资源利用效率最大化。因此在船舶电气自动化系统的实际设计过程中，技术人员须合理利用该技术对数据储存系统进行结构划分，实现各结构的独立运行，降低数据丢失对系统运行带来的影响，以便技术人员对数据丢包等失误现象进行及时处理，以此提升船舶自动化系统运行的可靠性。

3.总结

通过深入分析船舶电气自动化系统设计思路，并对其中的内置算法、硬件系统、软件系统进行了多方面研究，以期实现船舶电气自动化系统的可靠性设计，提高船舶电气设备工业化水平，同时在设计过程中引入多种保障技术，以促进船舶电气自动化系统的全方位发展。