27 500 m3 LNG船电气自动化K-Chief 700系统研究及应用

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)



27 500 m3LNG船电气自动化K-Chief 700系统研究及应用

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

摘要在分析了船舶机舱监测报警系统的发展及国内外现状的基础上，着重研究了Kongsberg公司的K-Chief 700系统，包括其系统配置和功能。文章以配备Wärtsilä50DF双燃料主机的27 500 m3液化天然气实船为依据，介绍了K-Chief 700系统的具体应用,并对其扩展功能提出了建议，为后续双燃料LNG船监测报警系统提供参考。

关键词K-Chief 700天然气双燃料监测报警系统

0引言

如今，环境问题已经成为全球关注的焦点，而船用燃料是全球大气污染的重要原因之一。为了满足IMO、Tier III、MARPOL[1]等公约的要求，27 500 m3LNG船采用Wärtsilä50DF双燃料主机。与以往主机不同，双燃料主机有两种运行模式：燃油模式和燃气模式。为了船舶运行安全，无论在燃油模式、燃气模式或者切换模式下都要保证主推进系统及电站系统的连续运行，这就对主机及紧密相关的机舱监测报警系统提出了更高的要求。因此，27 500 m3LNG船采用了在国际市场中占有主导地位的康斯伯格公司的K-Chief 700系统。从“船舶自动化”的概念提出到现在K-Chief 700系统的出现经历了几十年时间，机舱监测报警自动化程度的发展也可以从四个阶段体现：仪表式监测报警系统阶段、集中型监测报警系统阶段、集散型监测报警系统阶段、全分布式监测报警系统阶段[2,3]。

1机舱监测报警系统的发展及国内外现状

1.1机舱监测报警系统的发展概况

由于船上的大部分动力和辅助设备都设在机舱，因此 “机舱的大脑”——监测报警系统也就成为人们越来越关注的焦点。机舱监测报警系统由最初的仪表式监测报警系统发展至今已经经历了四个阶段。

(1) 仪表式监测报警系统阶段。

早在20世纪初期，船上就出现了一些简单的仪表作为监视和报警系统的主要部件。轮机员下到机舱在机旁观察、记录仪表上的参数。此时期的机舱监测报警系统各自独立成为一个单元。这种分散式的监控系统自动化程度比较低，既加重了轮机员的工作负荷，又影响各自数据间的互通。

(2) 集中型监测报警系统。

20世纪70年代出现了集中型监测报警系统。其特点是用一台运算速度快，功能强大的计算机对整个系统进行集中监测。送到计算机的信号都是通过电缆传输的，电缆之间的抗干扰能力必须得到充分的保证。为此采用屏蔽电缆使得经济成本急剧增加。且监测报警中心的计算机一旦故障瘫痪，整个监控系统就会失灵，导致船舶失去控制。这时，救援船不能及时赶到，后果将不堪设想。

(3) 集散型监测报警系统。

为了克服一台计算机失控导致全船遇险的问题。20世纪80年代，人们开发了集散型监测报警 系统。将监测任务分散到多个子系统内,再由主机进行集中管理。整个监测报警系统由多个微型处理机组成。上位机负责集中监视和操作，下位机(控制站)负责将下层信号处理单元采集的数据进行显示和管理，并送到上位机。上位机与下位机之间通过网络线连接，从而显著减低了电缆敷设成本以及施工的麻烦。但控制站与信号采集单元之间仍然采用4～20 mA的模拟信号进行通信。实则控制站这个中间层的作用类似于集中型监测报警系统的监控中心，如果出现任何问题，整个系统也将会失去监测报警功能。

(4) 全分布式监测报警系统。

全分布式监测报警系统，即现场总线监测报警系统(简称FCS)。20世纪90年代后期，机舱监测报警系统采用日渐成熟的现场总线，这种高度开放、互操作与互用性强、系统结构高度分散、现场环境适应性好的控制网络将各个单元连接起来。这样可以很好地实现各个单元之间的资源共享，更加增强整个系统的可靠性[5]。现场总线全分布式系统的出现推动整个船舶机舱综合控制信息系统向更加自动化的方向发展。

1.2机舱监测报警系统的国内外发展现状

国内主要由高校和研究所联合开发的相关产品有：STL-06A集中监测报警系统；基于无线以太网技术的船舶机舱监测报警系统；研究所独立研发的CY8800网络型机舱监测报警系统；基于LonWorks现场总线的STI-VC2100MA；企业独立开发的基于CAN总线的CJBW3100系列船用监测报警系统。

国外的相关产品主要集中在日本、德国、挪威。例如日本的CAT系统；德国的SISHIP IMAC 系统；挪威的K-Chief 系列产品。其中，以挪威Kongsberg公司的监测报警控制系统最为世界瞩目。从最初的DataChief C20监测报警系统到后来的K-Chief 500、K-Chief 600、K-Chief 700，逐步朝着网络化、模块化、智能化、综合化[6]的方向发展。

2K-Chief 700系统概述

K-Chief 700分布式监控系统是当前最安全最可靠、功能最为强大的船舶自动化系统之一。它基于AIM-2000软件。系统有自我诊断功能，可以连续地监测所有的系统组件和网络通讯。一旦出现故障，就会产生报警和纠错的动作。它还具有大量的现场回路及接地故障监测功能。同时，K-Chief 700分布式监控系统支持多层面的冗余，例如电源、I/O模块、通讯网络等。K-Chief 700系统在K-Chief 600系统的基础上更加注重集成化和模块化技术的提高，可与Kongsberg的K系列产品(K-Pos、K-thrust、K-Gauge、K-Safe、K-Pro)进行无缝对接。由于系统内部由模块化硬件和模块化应用软件组成，可以为用户提供标准化接口和直观用户界面。模块之间均可任意组合，可将其放到分站，也可以放到第三方的控制箱里，从而为船舶的特殊要求提供最佳的解决方案。这种强大的可定制的功能能满足复杂船只的特殊要求，如钻井船和勘探船、液化气船、大型游艇和巡航船，以及浮式储运生产装置等[7]。K-Chief 700系统的结构原理如图1所示。其主要配置如下。

2.1操作站

通常不止一个操作站(Operator Station,简称OS)安装在自动化系统里。他们和通讯网络、过程网络、管理网络相连。收集和显示来自于各个分站的数据，并备份分站的数据。操作站主要由计算机、显示器、操作面板和打印机等组成，可以集中控制和监测船上的设备。对现场设备进行遥控控制，及时地进行故障应答，系统参数修改等。标准配置是集控室2台，驾驶室1台，其他舱室根据具体要求配备。

2.2分站

分站(Field Station,简称FS)由遥控控制(RCU)模块和遥控输入输出(RIO)模块满足特定需求组合而成。RIO负责现场设备信息的采集，提供现场设备和自动化系统之间的信号连接。而RCU负责对应用数据进行处理。RIO模块之间通常由冗余的RBUS总线连接，而RCU模块是RIO与操作站之间的接口，可以连接到以太网、Profibus或RBUS。

RBUS是基于RS-485的串行通信总线。具有大约6 Mbit/s的通讯速度。并且要求中继器之间的距离必须大于300 m。

2.3网络

K-Chief 700分布式监控系统采用双冗余网络连接操作站和分站，不同物理区域的网络分别和网络分配单位(NDU)连接以确保实现冗余设计。NDU采用壁式安装，包括转换器、网关和接线板。可以和光纤，屏蔽双绞线网络电缆之间进行简单有效地联系。

K-Chief 700分布式监控系统双冗余网路必须具有以下重要特点。

图1　K-Chief 700 系统结构原理图

(1) 重要的信息必须发送到两个网络。

一旦一个网络出现电缆损坏、网络交换机故障、网络接口异常等情况，不会影响剩余网络的正常工作。

(2) 网络电缆按防火分区分开敷设，以至同一区域失火不影响整个网络正常通信。

(3) 其中一个网络瘫痪，剩余网络数据传输不会延迟。

(4) 来自于操作站的管理数据通信使用第三方网络连接，独立于双冗余网络。

2.4历史工作站

历史工作站是一台连接到网络的计算机。它包括操作站软件，也包括过程处理储存的数据库。历史工作站除了可以和过程网络连接外，还可以连接到管理数据网络，从而提供了一个和其他系统和装置的连接接口。

2.5信息管理系统

信息管理系统使用标准工业接口能交换船岸上的信息。可以评估管理网络上传输的实时数据。自动化系统中产生的报告可以发送到船上的办公网络、船上的邮件系统以及岸上。

2.6打印机

一些操作站可以直接和打印机相连用于打印事件和报警信息。操作站也可以连接到一个或者更多的网络打印机。具备彩打功能的网络打印机能清晰地打印出操作站上当前的报警图像。

327 500 m3LNG船监测报警系统

3.1船舶简介

SOE DRAGON 27 500 m3系列液化天然气(LNG)运输船，是由两台Wärtsilä50DF双燃料主机配以调距桨驱动的LNG运输船，具有世界上最大的独立C型双体罐，采用Kongsberg的K-Chief 700综合自动化系统，简称IAS(Integrated automation system )，如图2所示。

该船获得EP, Green Passport入级符号，符合EEDI以及最严格的NOx和SOx Tier III的要求。按BV现行规范规则设计、建造、并受之检验，取得BV船级符号。船舶基本参数如表1所示。

3.2K-Chief 700系统在27 500 m3LNG船上的应用

K-Chief700系统作为全船的中央监测报警系统，整合船舶区域与液化天然气货物区域的监测报警功能于一体。拓扑图如图3所示。

图2　27 500 m3 LNG 运输船总图

总长Loa178.00m设计吃水Td8.30m垂线间长Lpp168.40m结构吃水Ts9.40m型宽B26.60m服务航速～16nm型深D17.80m续航力(燃油模式)23d续航力(天然气模式)26d总吨位GT22887航区无限航区净吨位NT6866干舷5.41m

图3　27 500 CBM K-Chief 700系统拓扑图

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此系统一共采集报警和控制点近2 500个，其中Modbus IO信号1 580点(主要包括主机、发电机的Modbus TCP/IP IO点1 346个、压载水处理装置Modbus RTU IO点23个等 )，硬点信号874个(主要包括配电板信号点266个、遥控阀信号点136个、96点液位显示及设备的报警信号等)。由7个自动化操作站(Operator)(驾驶室1个、货控室2个、集控室2个、船长办公室1个、轮机长办公室1个)，10个监测报警处理分站(Field Station)，以及延伸报警单元等组成。全船的所有数据都通过监测报警处理分站(位于集控室、货控室、机舱A平台、机舱B平台、机舱底层)中的信号采集模块收集并处理。分站通过TCP/IP协议与工作站之间通讯，将信息送到工作站，工作站再通过已经编辑优化好的软件对收集的数据进行处理。最终，通过所在操作站的MIMIC图显示出来。操作者可以用鼠标点击关注事件实现诸多功能。例如，电站自动化、机舱监测报警、液位监测以及液货系统中对泵、阀、压缩机、加热器和液化气罐的液位控制和监控功能等。

K-Chief700系统具有整合第三方的强大功能。本船将输入输出模块安装在配电板以及阀门遥控箱内。因此系统不仅用于机舱监测报警控制，还综合了阀门遥控、液位遥测、延伸报警、桥楼报警、轮机员安全报警以及功率管理系统(PMS)等功能，进一步提高了全船的自动化程度，真正地实现了船舶数据共享、实时控制、数据备份、控制功能冗余的设计理念。同时，因为K-Chief 700系统自带权限设置功能，系统内7个操作站由于各自功能职责不同权限也不尽相同，根据自身不同的权限等级实现以上功能，从而既可以实现数据共享，又能实现有序控制。

4结论

船舶监测报警系统发展到今天的K-Chief 700已经不只局限用于机舱。正朝着“驾机合一”、“船岸一体化”发展。正由于K-Chief 700系统功能十分强大，目前商船应用还很少。该系统在27 500 CBM双燃料液化气船上的应用尚需进一步开发。例如可以将CCTV系统、火警和气体探测系统整合到K-Chief700里，使船舶自动化程度得到进一步提高。

参考文献

[1]IMO MEPC 65/4/7.Air pollution and energy efficiency, final report of the correspondence group on assessment of technological development to implement the Tier III NOx emission standards under MARPOL Annex VI[R].2013.

[2]王晶.船舶机舱集中监控系统的设计与研究[D]：大连：大连海事大学,2008.

[3]Andrew S，Tanenbaum. 计算机网络 [M]. 北京：清华大学出版社， 2004.

[4]雍强.船舶机舱监测报警系统的研究与设计[D].大连：大连海事大学, 2014.

[5]Walker Jonathan. Ship's alarm, monitoring and control system[J]. Diesel & Gas Turbine Worldwide,2005, 37(2):48.

[6]曹红京.基于CAN总线的T50A船机舱自动化系统应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[7]Kongsberg. Marine automation systems K-Chief 700[EB/OL]. http://www. km. kongsberg. com/ks/web/nokbg0240. nsf/AllWeb/ B34BE0784 AD54E48 C12572660040AAFA? Open Document.

Research and Application of Electrical Automation K-Chief 700 System in 27 500 m3LNG Ship

WANG Dan-dan

(Sinopacific Offshore & Engineering, Shanghai 200052, China)

AbstractBase on analyzing the development and researches at home and abroad of engine room monitoring & alarm system, focusing on studying the K-Chief 700 system of Kongsberg Company, including system configuration and function. The article is based on Wärtsilä 50DF dual fuel engine 27 500 m3 LNG, introduces the application of K-Chief 700 system and proposes the proposal of extent function of K-Chief 700. This research will provide certain reference for other monitoring and alarm system of dual fuel engine LNG carriers.

KeywordsK-Chief 700Natural gasDual fuelMonitoring & alarm system

中图分类号U665

文献标志码A

作者简介：王丹丹(1983-)，女，工程师，主要研究方向为船舶电气详细设计。