船舶机电一体化管理系统设计

船舶机电一体化管理系统设计

王金森

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摘要：随着科学技术的不断发展，船舶应用技术水平也越来越高，更好的技术应用在船舶之上，可以支撑船舶数量发展、安全性进步以及航运利润的增强。所谓船舶机电一体化，是船舶上的机械部件、电子装置、计算机软件和计算机工程之间的协调性整合，同时加入了终端控制，独立设计的个体可以在船舶上形成一个整体。船舶技术的发展一直都伴随着一体化进程的推进，除了能够带来技术上的便捷，在成本上，一体化技术也要更经济，桨轴一体的设计就要比分别设计和装配要更有效率。

关键词：船舶机电；一体化管理；系统设计

前言

船舶机电一体化进程是未来绿色船舶技术发展的必然方向，是船舶机械化、电气化和智能化的发展趋势。船舶机电一体化充分显示了船舶自动化设计的思维和技术发展方向，从整体方向上来说，目前的一条整船的动力总成主要包括主机、辅机和各种电气设备，目前还包括控制单元。得益于计算机技术和通信技术的变革，船舶机电一体化成为了可能，计算机技术为一体化提供了控制终端，通信技术的发展则使得各种部件通过网络进行数据互通成为可能。机电一体化配合海事领域的高效率、低功耗以及环保性发展，在正确的方向下，可以将智能化的系统、机械控制、机械数据有机的结合起来，推进船舶系统的快速发展。

船舶机电一体化所涉及的动力装备众多，因此设计一套可以应用在船舶控制端的系统，对一体化整体进行状态监测、远程维修以及后台控制尤为重要。基于以上内容，结合船舶动力设备、机电设备，通过matlab软件进行船舶机电一体化管理系统设计。

1、机电一体化在船舶中的应用

船舶主机也就是船舶的动力装置，是为各类船舶提供动力的机械。根据燃料的不同性质、燃烧的场所、使用的工具以及不同的方式可以分成蒸汽机、内燃机、电动机和核动力机。船舶辅机是在动力设备牵引下进行作业的各种机械设备的集合，包括船用泵体、船舶管路及附件、分油机、船舶造水装置、空气压缩机、船舶辅助锅炉、船舶制冷和空气调节、锚机、起货机、船舶舵机和各类轴系等。船舶电气装置则包括电源、配电合用电设备等，是船舶各种电气的总称。

总体来说，船舶机电一体化可以用机械、硬件和软件三个大部分组成。在船舶机械装备中，机电一体化技术体现在不同的设备上的应用，在旧式船舶当中，机械设备是单独工作的，传统的动力系统将力输出传递到轴系系统，轴系系统传递到螺旋桨从而输出动力，驾驶室控制船舶航行，在动力监控室，需要单独的轮机工作人员进行控制，不仅浪费人力，而且效率也非常低。引入机电一体化系统，可以对多种机械部件进行控制设置，主要包括燃油系统、机械控制装置、报警系统、消防系统、甲板机械、舱室机械、特种机械等。如图1所示，为船舶机电一体化的系统工作简图。由图中可以看出，柴油机和动力转矩两套机械系统分别有自己的PLC控制模块，控制模块内部存在硬件电路和软件控制，可以对柴油机和转矩系统的工作情况进行控制，一旦电力控制失效，则应用手动控制对动力输出进行操作，这样可以节省能源、人力，并且也可以充分保证使用的可靠性。

2、机电一体化管理系统设计

船舶动力、辅机和电气设备非常复杂，因此在控制终端，用一个管理系统来进行统一的调配和监控，这样做有着重要的现实意义。PLC控制单元可以集成到一个硬件电路中。船舶机械装备的运营状态可以通过matlab仿真进行设置，matlab中的GUI编程技术可以对一体化机械的软件模块进行设计，管理系统的设计需要考虑的指标比较多，首先是功能的完整性，然后是机械部件的系统性，另外还有人机交互特性。界面设计主要分为5个大的组成方面，分别是主机控制面板、辅机控制面板、电力系统控制面板、电压时间监控模块和软件使用模块，主机、辅机和电力系统控制面板分别对船舶上和机械有关的电气设备进行启停和控制操作，主界面和3个分界面都有手动操作模式开关，可以断掉电力控制电源，保证手动模式的安全操作，分界面中间分别包括各种机械设备的监控曲线，可以随着船舶的各种动作来对各机械安全状态和工作状态进行监控，分控制面板均包含异常报警功能，如果发生任何过载、短路情况，异常报警响起，手动控制模式会被触发。

另外，还包含整体电压监控模块，可以根据机械运转状态的区别来对电压进行设置，界面右部是主程序控制界面，包括每天的系统管理日志输出和平时的数据输出，另外包含软件的基本设置以及整体管理功能。系统内部通过传感器、控制器和端口进行硬件传输，传输的数据在后台计算显示到管理系统的交互界面之上，管理系统的设计和应用，为船舶机电一体化操作提供了便捷，驾驶或者管理人员可以方便的机电结合和应用情况进行了解，极大的节省了人力和物力。

3、机电一体化在船舶行业的发展前景

船舶机电一体化从上个世纪六十年代开始就已经进入了船舶建造过程之中，初级阶段的机电一体化技术主要还是基于电子技术，在小零部件中得到使用，随着计算机技术和通信技术的快速发展，未来的船舶机电一体化应用也将更加广泛。主要的发展方向将基于以下几个方面。

首先是智能化，随着计算机微处理器的提高、高性能的工作站逐渐的应用到很多行业之中，传感器系统的稳定性和集成性，也给了数据获取和数据测试更好的硬件基础，智能的船舶机电一体化产品将可以模拟人工只能，具有一定的判断能力和危险处理认知，从而代替部分人工的流水线工作，甲板机械手的一体化是未来船舶机电一体化的设计目标。

其次是系统化，开放式和模块化的组成结构让机械部件成为了一个有机的系统，系统可以灵活组态，某一个机械部件可以应用在多个船舶设备之中，比如各种复杂的甲板机械，可以由一个控制件作为枢纽进行控制，再比如故障诊断系统，通信互联网可以让任何微小的故障信息第一时间达到驾驶室或者船长处。微型化和模块化也是另一个机电一体化的发展趋势，体积小，能耗小，并且灵活的器件可以进行精细操作，将小的部件集合成各种微小的控制模块，例如，用接口系统来代替现在的众多接口分散，同时，利用网络进行控制。最后是绿色化，船舶是国之大器，同时也是能源消耗和产出大器，在航行的过程当中，减少燃油消耗，有效利用电能，是未来绿色船舶建设发展的大趋势，对传统的机械和作业方式进行改造，将电力驱动的控制、输出和监测系统对机械装备进行有效的结合，可以为船舶的发展建设提供崭新的变革和发展方向，在几个重要的技术端口突破之后，再船舶上应用工业机器人将成为机电一体化最终的发展目标。

总结

船舶机电一体化是一项综合技术，和控制论、系统工程、电子信息技术、机械工程等都有着十分密切的联系，船舶工业技术伴随着机械应用水平的提高而发展，而随着智能化、网络化和自动化的进步，船舶工业也在另一个方面得到了质的提高。设计得出的机电一体化管理系统，则可以有效支撑相应的技术集成，研究思路和结论为下一步机电一体化在船舶中的应用提供了相关思路。

参考文献：

[1]喻俊峰.船舶辅机监控系统方案[J].船海工程.2017.(02)109-112.

[2]鲁通晓.船舶自动化电站的发展及应用[J].科技经济导刊.2017.(11)88