纯电动船舶数据采集系统设计文献综述
2020-04-15 15:18:25
近年来,随着全球环保意识意识的不断增强,海运业造成的气体排放(SOX、NOX、CO2、颗粒物等)已经引起了广泛的关注,IMO、欧盟等也不断出台相应的法规,对各类气体排放进行控制。电动船舶由于可以大幅降低船舶气体排放,甚至部分可以实现零排放,其应用的规模迅速扩大,有望成为未来发展重点。
目前,电动船舶还没有明确的概念。参考电动汽车的分类,我们将电动船舶分为纯电动船舶、柴电混合动力船舶以及燃料电池船舶。就技术发展而言,燃料电池技术发展成熟度较低,目前已有船舶主要以实船试验为主,没有商业化运营的案例。从纯电动船舶和柴电混合动力船舶来看,根据统计,目前全球电动船舶柴电混合动力船舶为主,占总装船量的80%以上,纯电动船舶占比比较低。但是,电动船舶依然是未来发展趋势。
电动船舶的重要技术就是电力推进技术。电力推进技术可统筹全舰动力,满足未来舰船对电力供应及推进动力的需求,并在操纵性、可靠性、经济性等方面较传统直接推进动力系统有着不同程度的提高,是新世纪舰船动力发展的趋势。随着船舶电力推进技术的发展,使用电力推进技术船舶的发电容量和推进功率等级也大大提高,加上船舶应用环境本身的特殊性,对电力推进监控系统的开放性、互可操作性与互用性、系统结构的高度分散性、现场环境的适应性提出了更高的要求。为了满足需求,电力推进监控系统大量采用了计算机控制技术、信息技术、网络通信技术,并且电力推进监控系统也逐渐向集成化、模块化和智能化发展,使得舰船监控系统日趋完善,而监控系统也越来越复杂,技术含量也越来越高。
电力推进系统最新的研究热潮始于20世纪80年代,主要应用于军事领域。美国海军首先在舰船上采用综合电力推进方式,之后,又提出综合全电力系统概念(IPS),其主要采用电力集成思想和模块化设计方法,将船舶电力系统分为不同功能模块。1994年英国海军提出综合电力推进研究计划,并首次在其护卫舰上采用综合全电力推进系统(IEEP),系统将所有动力全部转换为电能运用到推进系统,为推进系统提供最大的推进动力,提高系统的推进效率。系统中,所有发电机组为一条高压母线供电,不同负载分区由母线供电,将推进系统和其他辅助用电结合,同时配备先进的电力电子装置和能量存储装置,并提高设备的标准化、模块化水平,以此来优化船舶的综合性能。现代海军舰艇在动力、机动性和作战能力等方面的技术发展已经完全满足其作战要求,各国都致力于幵发拥有相同作战能力的更经济、环保的下一代舰艇,美国海军2007年10月提出下一代综合电力系统(NGIPS)概念,并于2009年4月公开发布NGIPS发展战略,其目标即在不降低舰船作战能力的情况下通过开放式构建战略引进资金、技术、竞争,以实现在较短的时间内开发出经济上可负担的水面舰艇随着电力推进技术的成熟,其在民用领域的应用也不断深入,工程船、商船上越来越多的采用电力推进系统。据统计,从八十年代末期到九十年代中期新建造的千吨以上的商船,采用电力推进技术的占总数的35%。近年来,世界上以吊艇式电力推进系统为主要发展方向,许多生产厂商相继推出电力推进产品,其中具有代表性的公司有芬兰的ABB公司,其代表产品Azipod;为德国的SIEMENS公司,其代表产品为SSP;法国的阿尔斯通公司,其代表产品为Mermaid。吊舱式电力推进系统主要得益于陆地电机驱动技术和大功率变频装置的发展,使其投入产出比较低,同时成熟的电机控制理论、网络化控制系统在吊舱式电力推进系统中也得到广泛的应用,如永磁同步电机的直接转矩控制和基于现场总线的控制系统,可以看出船舶电力推进技术是变频技术、通信技术、电力电子技术的综合运用,反映了各技术领域的最新科研成果。
我国在船舶电力推进技术领域的研究和应用起步较晚,在发展初期主要是以世界船舶代工厂的形式成套的引进国外电力推进系统,如上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造我国首艘吊舱式电力推进船舶“帕劳斯佩拉”号,2002年广船国际建造的,采用西门子公司SSP吊舱电力推进系统的半潜船泰安口”号都是我国代为建造的。经过不断的探索和经验积累,国内船厂和船舶研究所开始自主设计船舶电力推进系统,并在部分领域接近国际领先水平,如烟台-大连火车轮渡即为我国自行开发设计的客滚渡船,采用综合全电力推进系统,其推进装置为代表国际先进水平的紧凑型永磁吊舱式推进装置。
监控系统对于船舶来说至关重要,尤其是电力推进船舶,系统运行时会产生大量快速变化的电参量,监控系统在数据处理、可靠性和实时性等方面的性能直接影响船舶航行的安全。随着数据测量与采集技术、通信技术、自动控制技术、计算机技术的发展,船舶机舶:监控系统的功能越来越完善,结构越来越合理,在实时性和可靠性等方面的提升也越来越大,完全满足了电力推进系统在监控性能方面的要求。机船监控系统的发展主要历经集中型监控系统、集散型监控系统、分布式现场总线监控系统三个发展阶段:
(1)集中型监控系统
集中型监控系统又分为早期的模拟监控系统和后来的数字监控系统两个发展阶段,20世纪60年代日本、丹麦等国最先在船舶机舱中设立了集中监控室。在集控室内采用一台速度快且功能强大的计算机对机舶:中的动力设备和系统进行集中监视,系统采集的信号是4-20mA的模拟信号,精度较低,易受现场环境的干扰;20世纪70年代集中式数字监控系统发展迅速,系统控制器内部传输的是数字信号,因此,克服了模拟监控系统中模拟信号精度低的缺陷,提高了系统的抗干扰能力。集中型监控系统的问题同样突出,采用集中型的控制如果系统主计算机发生故障,将会造成监控系统的整个瘫痪,这使系统的可靠性大大降低,并且系统也不符合监控系统分布、开放的发展趋势。集中型监控系统的代表产品为挪威Kongsberg公司的Data chief-Ⅲ系统。
(2)集散型监控系统
集散型控制系统(DCS),又称为分布式多级微机控制系统,20世纪80年代发展迅速,其核心思想是集中管理、分散控制,即管理与控制相分离,上位机用于集中监视管理功能,若干台下位机下放分散到现场,实现分布式控制,各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式监控系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。即便DCS系统相对之前的系统已有很多改进,其自身固有的缺陷也是不可忽略的,由于不同生产厂家的DCS产品所遵循的标准不同,难以实现设备的互换性与互操作性;DCS在设备配置上还要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构,导致DCS成本太高。集散型监控系统的代表产品为挪威Kongsberg公司的Data chief 1000系统、日本SOHDENSHA公司的CAT系统以及德国SIMENS公司的SIMOS IMA32C系统。