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电力推进拖网渔船控制系统设计


《渔业现代化12012年第39卷第5期

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电力推进拖网渔船控制系统设计
黎建勋,金娇辉,谌志新
(农业部渔业装备与工程技术重点实验室,中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092) 摘要:介绍了我国第一艘自主研发设计的电力推进拖网渔船控制系统的设计与组成。通过采用电力推进 控制系统、电站功率管理系统、机

舱监测报警系统以及网络通信技术,将变频控制技术、数字化和自动化控 制技术等船舶前沿科技应用于实船,构建综合控制系统,使渔船柴油机组在各种工况下始终运行于高负荷 率工作区,达到渔船节能环保,提高渔船推进系统的操纵性、机动性、可靠性、推进效率和供电系统自动化 管理水平的目的。目前该船已经实船建造并应用于渔业生产,其控制系统可靠、稳定,各项技术指标均满 足设计要求。 关键词:拖网渔船;电力推进;控制系统
doi:10.3969/j.issn.1007-9580.2012.05.009

中图分类号:U665.12;U665.13

文献标识码:A

文章编号:1007.9580(2012)05-043-06

我国是世界上渔船数量最多的国家,渔船耗 油量占海洋渔业生产成本的50%以上,约占全国 柴油总消耗量的13%…。目前我国绝大部分渔


电力推进拖网渔船对控制系统的特殊

要求 拖网渔船作为我国海洋捕捞的主要作业船
型,具有以下特点:主机功率大、电站功率大、船舶 操纵性要求高、燃油消耗量大、绞纲机功率大、作

船面临动力效率低、柴油机应用老化、能耗高、排 放污染严重心J,以及控制技术和自动化技术水平 还相对落后等现状∞J。海洋捕捞作为一种高能 耗产业,其渔船节能技术研究如今已受到世界各
国越来越多的重视H J。电力推进技术凭借其节 能、环保、低噪声以及优良的操纵性、机动性、可靠

业海况恶劣,以及渔船低速高负荷、高速低负荷、 低速低负荷的作业工况变化频繁¨引。当柴油机 处于低速低负荷或高速高负荷,尤其是前者,由 于机械效率低,柴油机的经济性严重降低¨31。 因此,电力推进拖网渔船控制系统的设计,重点 考虑如何提高系统的操纵性、机动性和可靠性, 如何有效地提高渔船柴油机在各种工况下的推
进效率。

性等”1优势,在世界各国都在发展低碳经济的环
境下,成为世界船舶工业发展的重要方向∞。7 J,在

挪威、日本等渔业发达国家的渔船设计中也得到
了推广应用"驯。目前发达国家新造船舶的30%

已采用电力推进系统,国内在此领域的研究则刚 刚起步¨引。国外供应商可以提供从控制系统集 成到配套生产的全套服务,从而占领了国内绝大
部分电力推进系统市场¨1|。本文主要介绍我国

电力推进渔船设计为钢质、单桨、单舵,变 频控制定距桨的动力方式,其主要性能参数如 表1所示。本船控制系统主要由电力推进控制 系统、电站功率管理系统、机舱监测报警系统、 通信网络等构成。通过优化船体线型和螺旋桨 效率,理论上可同比机械推进拖网渔船节油
17%一25%。

第一艘自主研发的电力推进拖网渔船控制系统的 设计和组成,阐述电力推进控制系统在渔船应用 中的优点,希望对我国渔船动力推进装置节能与 控制技术的研究设计提供借鉴和参考。u

收稿日期:2012-05—12 修回日期:2012-08-30 基金项目:公益性行业(农业)科研专项课题“渔船节能关键技术研究与重大装备开发”(201003024) 作者简介:黎建勋(1984一),男,助理工程师,学士,研究方向:船舶电气。E—mail:ljxsolo@163.corn 通讯作者:谌志新(1969一),男,研究员,硕士,研究方向:海洋渔业装备。E—mail:chenzhixin@fmiri.ac.cn

万方数据

《渔业现代化)2012年第39卷第5期
表1
Tab.1

电力推进拖网渔船主要性能参数
The main performance parameters for electric propulsion trawler

2电力推进控制系统
2.1系统配置

主要尺度 总长 垂线间长 型宽 型深 设计吃水 排水量 推进功率 设计航速 船员定额 自持力

参数值

对于电力推进渔船来说,推进装置是船上 最重要的用电负载,也是对电网影响最大的负 载,因此电力推进船的控制系统应该是包括供 电系统和推进系统的综合控制系统u 4|。该渔船
配置2台200 kW
AC 690 V

;姜




㈣ 碱 搬
狐 …









3相50 Hz主柴油发 3相50 Hz辅柴



电机组和1台30 kW

AC 400 V




油发电机组,并设有AC 690 V主配电板(MSB) 及AC 400 V辅配电板(MSBl)。AC 690 V主配 电板为3屏,汇流排为2段,图1为AC 配电板单线图。
690

V主



‰i霎灿~{霎㈣ ‰队舢

图1
Fig.1

AC690V主配电板单线图

Single wire diagram of AC 690 V main switchboard

本船主推进器由2台永磁推进电动机驱动,
额定转速为1
154

速的方式实现对船速的控制,保证推进系统的供 电安全,此外在每台变频器电源输入端设有无源 滤波装置来抑制电网谐波小于5%。
2.2系统功能

r/min,恒功率最高转速为1

400

r/min;2台变频器选用6脉冲脉宽调制变频器, 功率为160 kW,额定输出电压AC 69Q,,v,工作频 率范围为0~100 Hz,冷却方式为自带风扇冷却。 每台变频器均设有闸刀开关盒,可在变频器发生 故障的应急情况下,通过闸刀开关盒向推进电动 机直接配电,并采用调节发电机励磁和柴油机调

推进系统控制的主要功能是对渔船经济航 行、全速航行、拖网、起网等不同工况下的变化负 载进行最佳动态控制,从而保证系统的最佳性能 和安全运行ll 5|。本船电力推进系统设有驾驶室

万方数据

《渔业现代化}2012年第39卷第5期 推进系统遥控单元(EPS)、推进电机机旁控制柜 (BP),可实现驾驶室、机旁控制,以及遥控与就地

45

控制间的相互转换。本船电力推进控制系统框图 如图2所示。

图2
Fig.2

电力推进控制系统框图

Schematic diagrarn of electric propuldon control system

驾驶室推进系统遥控单元安装在驾驶室控制

航行工况功率控制和拖网作业工况转速控制两种

台内。该遥控单元设有至推进电机机旁控制柜的 通信接日,主要信号包括:推进系统双机选择、遥 控主车钟工作电源、就地控制确认信号、遥控确认 信号、1#/2#变频器运行开关信号、复位开关信号、 急停开关信号、1#/2#推进电视4~20 mA自运行 模式、模拟运行模式及两变频器均故障时的速度 控制信号,以及变频器工作电源、推进系统PLC AC 220 V工作电源等控锻及电源信号。 驾驶室推进系统遥控单元还设有至AC
690

控制方式,并可实现自动转换,提高了渔船航行作 业的操纵牲;2套电枢推进系统相互独立运行,.卣 2台变频器独立控制,提供故障冗余;设置了推进 电机机旁控制柜,在紧急状态时可实现现场操作 控毹。另外,该系统针对推进电杌和变频器,考虑 了多种故障运行应对措施,设计了工频运行工况, 进一步提高系统运行的可靠性。

3电站功率管理系统
采用功率管理系统(PUS)是电力推进拖网渔

V主配电板的通信接口,主要信号包括:1杉2#推 进电机负荷限制、功率消耗、功率需求、变频器运 行及故障等控制信号。推进电机机旁控制柜安装 在机舱内,该控制柜除与推进系统遥控单元设有 通信接口外,还设有至推进系统1箨/2秽闸刀开关 盒的电流传感信号、主电路绝缘监测信号,以及至 1#/2#变频器、1杉2嚣推进电机、1∥2样主发电机组
的各种电源、控制及网络通信信号。

船的一个主要特点,它是渔船电站供电安全的重 要保障。PMS功率管理系统控制器的设计是基 于嵌入式处理器系统¨…。本船PMS设有以下功 能:(1)发电机备车完毕、发电机二类故障、发电 机遥控状态、发电机一类故障监测,发电机遥控启 动/停机、发电机增速/减速、逆功率保护;(2)负
载分配、重载询问、过载卸载、负载起动/停止、根 据负载功率自动增机;(3)电网监测、故障监测及

该系统在设计中采用双电枢推进系统,实现

万方数据

《渔业现代化)2012年第39卷第5期 报警;(4)推进系统信号管理、频率控制等渔船电
站管理功能。

数据的声光报警信号及报警限制功能;(3)报警 和数据的记录;(4)绞纲机等负载的启停及故障 显示;(5)具有对渔船鱼舱及燃油舱液位的监测 报警功能;(6)具有监测报警信号的扩展功能。 由于渔船规范中尚无关于电力推进系统机舱 自动化监测报警项目的相关规定,因此本船机舱监 测报警系统在实际设计中是参考中国船级社 (CCS)《电力推进船舶补充规定》中的要求及推进 系统设备商的推荐来进行设计的。系统的设计相 对于传统渔船而言,提高了渔船机电设备的工作安 全性,对渔船规范的补充完善也有一定的参考价 值。表3为本船机舱监测报警项目部分实例。
表3机舱监测报警项目(部分)
Tab.3

PMS可以根据渔船负载功率需求,监测和控 制发电机在网运行数量,自动处理渔船的电能分 配,防止电网失电。供电系统在出现故障时,功率 管理系统会采取各种措施,尽可能保证对负载的 连续供电,并在全船失电的情况下快速重构电网, 确保船舶的安全。 本船PMS模块安装AC
690

V主配电板上,

操作面板为PT070-4BF TES型7寸触摸屏,采用 图形人机界面(HMI)软件。该模块可以向渔船作 业人员提供电力推进系统能量管理系统的实时数 据库,为渔船作业人员提供了安全、便捷、可靠的 监控管理环境,提高了渔船航行作业的操纵性和 自动化水平。通过PMS,本船发电机组在经济航 行、全速航行、进出港、拖网各个工况下,可根据不 同工况选择推进电机及发电机组单机/多机运行, 其负荷率可始终维持在75%~90%的高效工作 区内,使渔船达到最佳运行和作业状态。本船AC
690

Cabin

monitoring alarm

list(parts) 动作类型

机舱监测 报警项目

信号性质

掣警 量 量

量程 一4

报警显示毒茎

V电站电力负荷见表2。
表2
Tab.2

AC690V电站电力负荷表
AC690V power load calculations

上现 工况 总负载功率/kW

螽雾鑫幕鬻拖网起网
航行 航行 港 他网 越网
179.1 340.9 165.1 340.4 308.1

孩勰200…00…00…00舢00×2
85.2 82.6 85.1 77.0

发电机负载率/%89.6

5通信网络
通信网络对于控制系统功能的发挥起着非常 重要的作用,也决定了控制系统是否能够可靠、高 效的运行¨4|。目前国际上主流电力推进系统均 为信息技术网络化控制系统【1’7j。通信网络通常 在系统中设有与电力推进控制站、现场站相连接 的工业交换机、通信链、处理器、I/O模块、内部通 信监测、网关等。 本船通信设计采用现场总线网络通讯协议, 通过现场总线与管理层进行数据通信,实现船舶 机电系统的协调运行。本船工业交换机采用 EKI-2528I型8端口工业交换机,网关则采用 NETYAP-50型MODBUS/TCP转DP网关,数字量 输入模块为24通道数字量输入,可实现上层网与

4机舱监测报警系统
机舱监测报警系统由设在机舱具有声光报警 功能及人机界面(HMI)的一个机舱监测报警箱组 成。该报警箱对主配电板、主/辅发电机组、推进 变频器、推进电机及负载等机舱自动化入级规范 所要求的各种显示和报警项目进行采集和显示, 通过局域网将这些信号显示在AC
690

V主配电

板人机界面中,并与驾驶室监测报警单元相连接, 实现机舱和驾驶室不同部位的数据共享和监测管 理,及对整个电力推进系统工作状态的实时监测。 报警系统具有如下功能:(1)模拟数据的监 测和显示(温度、压力等);(2)模拟数据和数字量

万方数据

《渔业现代化)2012年第39卷第5期 下层网之间的信息交换。图3为该渔船机舱监测 报警箱通信网络系统框图。

47

在单机运行的工况下,本船同比等功率柴油主机 的拖网渔船,节能20%以上。根据SIEMENS等 公司统计,同功率的船,电力推进要比机械推进耗
油减少10%左右,航速可提高0.5 kn¨引,并可提

高柴油机效率约10%~15%lloj。本示范船的实


船运行数据之所以比较突出,船体线型和螺旋桨
MODBUS
TCP/IP 网臼

效率优化是重要因素之一。
6.3推进效率及操纵性能
输入/输娃{模块(I/O)

CPU控制器 APAX一5520 kW 审口

使拖网渔船在各种工况下都能获得满意的推 进性能一直受到重视120]。目前国内渔船提高推 进效率的方法包括多采用设计低转数大直径螺旋 桨、使用可调螺距螺旋桨及船机桨合理匹配等方

丛Q旦曼旦!I坚Q望望望!
RTU RTU

r’一’一’‘。1

1#主发电机I

幽/登塑
Fig.3

‘聂毛一 世型j蝥笆皇

广赢一

些塑■

案心1|。电力推进拖网渔船控制系统采用的是定 距螺旋桨,定距桨要比可调螺距螺旋桨效率高、简 单、便宜,基本免维护,在轻载工况下比可调距螺 旋桨节省10%~20%的功率。电力推进拖网渔 船控制系统,柴油机推进效率在各种工况下始终 维持在75%~90%的高效工作区内,推进性能令 人满意,推进系统的操纵性、机动性、可靠性也得 到了验证。 6.4电站管理系统:机舱监测报警系统及通信
网络

图3机舱监测报警箱通信网络系统框图
Schematic diagram of communications.netwok for cabin monitoring alarm box

电力推进船舶通信及控制信号复杂,对网络 的通信质量要求较高。本船的主电站采用变频电 缆,并按照与励磁电缆和其他用途的低压电缆分 开敷设的工艺施工,提高了推进系统的抗干扰能 力。通信电缆采用屏蔽对绞电缆,网络传输采用 网络线s—n1P电缆,通过网络线通信和电缆通 信的混合方式,既保证网络可靠的通信质量,减少 电缆敷设量,又能保证系统冗余和短线检查的 便利。

本船电站管理系统、机舱监测报警系统及通 信网络的设计,通过了实船运行的考验,各种负载 都能够按照逻辑要求稳定动作,显示及报警信号 的精度也准确、可靠。
6.5系统的不足之处

6讨论
6.1

电力推进系统渔船存在初期造价高[221等问 题,其功率管理系统供电的连续性、能量稳定平衡 性、船舶操纵的机动性以及管理的经济性也有待
进一步优化。


系统配置及布置效果

在中国承造的船舶电力推进系统几乎都被西 门子(SIEMENS)、ABB等跨国企业所承接。1“,本 船电力推进控制系统的配置则全部实现国产化设 计,实船运行表明系统配置方案可行。同时,系统 的设备布置也较机械推进系统拖网渔船更为灵 活,实船机舱宽敞,且噪声低,渔民艰苦的劳动环
境有所改善。 6.2航速及节能效果

致谢:感谢永济新时速电机电器有限责任公 司、上海渔船检验局、上海航盛船舶设计有限公司 的各位专家,特别是周德国先生在该船设计过程 中给予的帮助。同时感谢中国船舶科学研究中心 潘国平先生对本文给予的宝贵修改建议。
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目前本船作为示范船已经应用于渔业生产, 其在单推进电机运行经济航行工况下,航速达到
9.5

kn;在双推进电机运行全速航行工况下,航速
kn[1 8I。

达到12 kn;在拖网作业工况下,航速为4.5

万方数据

48

《渔业现代化)2012年第39卷第5期
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Design for electric propulsion trawler control system
LI Jian-XUB,JIN Jiao-hui,CHEN Zhi—xin

(Key

Laboratory

of Fishery

Equip撇nt

and Engineering,Ministry Academy

of Agriculture,Fishery Machinery 200092,China)

and Instrument Research

Institute,Chinese

of

Fishery Sciences,Shanghai

Abstract:With regard

to

the problem that the trawler has inefficient propulsion,bad maneuverability and poor
on

energy saving effects,the paper focuses

the design and composition of Chinag first independently designed

electric propulsion trawler control system.An integrated control system is constitutive of electric propulsion control system,power management system,engine room monitoring-alarm system and network communication technology via frequency convemion,digitalization and automatic control technologies that ship.In this way,the diesel
are

applied

to

the

en西ne

could be always running

at

high load working

area

in spite of various oper—

ation duties,therefore the goal is achieved

of energy conservation,environmental protection,improving ma-

neuverability,mobility,reliability,propulsive efficiency of the propulsion system and the automatic manage-
ment of the power supply system.Now the corresponding trawler has been built and applied to fishery produc—

tion,its control system is reliable and stable,multifarious indices all satisfy the requirements of the design. Key words:trawler;electric propulsion§ystem;control system

万方数据

电力推进拖网渔船控制系统设计
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 黎建勋, 金娇辉, 谌志新, LI Jian-xun, JIN Jiao-hui, CHEN Zhi-xin 农业部渔业装备与工程技术重点实验室,中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092 渔业现代化 Fishery Modernization 2012,39(5)

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