“IEEE 45.2TM-2011”综述

于浩洋，许 嘉，徐义亨，俞 翔，叶 莹

（1. 浙江中控研究院有限公司，杭州 310053；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

“IEEE 45.2TM-2011”综述

于浩洋1，许 嘉2，徐义亨1，俞 翔1，叶 莹1

（1. 浙江中控研究院有限公司，杭州 310053；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

美国电气与电子工程师学会于2011年9月批准颁布了“IEEE 45.2TM-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation”，涉及船舶的控制、控制系统的应用、控制设备以及自动化。对船舶的动力设备、推进装置、驾驶、自动化、导航、照明、通信等系统与其设备的设计、选型及安装，本推荐规程规定了最低要求。本规程反映了当今的技术、工程方法与工程实践，适用于客船、货船、油船、海上移动钻井装置等水面船舶的控制及自动化。

船舶；控制；自动化

0 引言

早在 2002年美国电气与电子工程师学会颁布了“IEEE 45TM-2002 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard（船舶电气装置的推荐性规程）”[1]。2008年之后，经修定又将其分成8个独立的分册（见附录），其中第2分册“IEEE 45.2TM-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation”[2]是船舶控制与自动化的专辑（下称：规程）。本文综述“IEEE 45.2TM-2011”规程的全部内容，部分引用了IEC标准[3-4]和加拿大运输标准[5]中的相关内容。

1 对文件的规定

船舶的控制与自动化设备一旦在海洋行驶中发生故障，船上维修人员所面临的任务便是排障，所以该规程首先对船上应保存的有关控制与自动化方面的文件作了详细的规定，除了包括设备的电子线路、技术手册和操作指南外，还应包括工程设计图纸、软件的备份与说明等。在某种意义上讲，所提供的信息资料应详细到让一名有经验的技术人员足以去寻找故障并修复。因此船舶自动化工程设计的内容深度应高于一般的工业自动化设计。

2 控制系统的设计准则

规程认为，船舶控制系统应按自动化程度的不同要求进行设计，从就地的手动控制直至无人干预的全自动操作。对船舶控制系统的设计，该规程提出的最低要求是：至少应达到熟练操作人员手动操作的水平。

规程特别强调以下几点：

1）在重要的自动化系统发生故障时，系统应能自动转入故障安全状态。

2）在发生机械故障、船体破损进水或火灾时，船员可以直接报警或由报警系统自动报警，并应采用不同的措施进行抢救。

3）在进行系统设计时，应考虑系统的可维护性、可操作性、可靠性，备件的可用性以及可接近性（accessibility）。这里所谓的“可接近性”系指在对控制部件和子系统进行维修时，无须移除或干扰其他部件和子系统。这是基于船体空间狭小的客观现实所必须考虑的。

规程还认为，基于计算机系统的设备或周边设备宜冗余设置。

3 控制盘柜的布置与电磁兼容

规程认为，控制盘柜的安装位置，应考虑船舶的运动、能预期到的船体结构振动以及环境的温湿度等诸多因素的影响。

规程还认为，应避免盘柜周围或柜内电气开关设备产生的电磁脉冲以及供电尖峰对控制柜内的仪表设备产生的电磁干扰，即所谓的电磁兼容（EMC）。遗憾的是，该规程只提及了电磁兼容，并没有对此作更深入而详细的规定。

4 控制系统的供电和控制站的设置

规程建议，控制、监控与安全系统应两路供电：一路源自船上的主电源，另一路源自应急电源。

本文认为加拿大运输标准[4]提出的“控制回路不应和船舶的主电源系统有任何直接的连接，即供电电源应采用隔离变压器”是一条颇为重要的规定，其目的是抑制交流电源中的高频尖峰脉冲。

关于控制站的设置，规程认为应考虑在下列位置设置控制站：1）受控设备的就地；2）在机舱内靠近受控设备的地方；3）在机舱外设置远程控制站；4）航行驾驶室内。

当控制从一个低优先权限的控制站转换到非权限的设备时，高优先权限控制站应对转换的全程进行监控。高优先权限控制站应对所有低优先权限控制站具有选择和独立操作的能力。

规程还规定，机械设备的控制系统应包括导航推进控制系统的紧急停车。对推进装置的远程启动，其控制系统应具备联锁功能，以防止在危及机械或操作人员的情况下可远程启动推进装置。

5 语音与数据通信系统

控制站的通信系统应包括最小限度的语音系统、数据系统和应急备用系统。其中，语音通信系统包括声力或蓄电池供电的硬连接，或设备控制站与受控设备舱之间借船体传输的通信系统。

控制站与受控设备之间的数据通信应符合工业标准的协议和接口。在数据通信系统里，火灾报警系统应是一个独立的系统，其操作不受其他系统的影响。

数据通信系统的带宽较设计需要量至少要增加20%。

本文认为，该规程没有将以防火和抗沉为主要内容的损管系统（damage control systems）作出技术上的详细规定，而只是将部分内容分散在各条款中。

6 维护准则与设计

规程认为，控制设备和系统的设计应支持一个维护准则：“将电路板、电源部件、机械部件或其他独立的单元或逻辑组件作为‘在线可更换单元（LRU）’”。如果没有指明电子或电气设备为在线可更换单元，为维持正常操作则应设置合适的显示仪表以备在控制设备和系统失效时进行操作显示。

7 环境条件

对于控制系统的型式检验应在什么样的操作环境下进行，该规程作了详细的规定。本文将该标准与“IEC 60092-504:2001 Electrical Installations in Ships– Part 504: Special Features – Control and Instrumentation（船舶电气设备 第504部分：控制与测量仪表）”的同样内容作比较后认为：两规程的规定基本相同。

有必要在这里强调以下几点：

1）只有安装在诸如露天甲板上的、没有保护的仪表设备需进行盐雾试验；

2）对无可动部件的仪表设备，无需做静态倾斜试验；

3）在电磁兼容的“电磁辐射发射试验”中，当频率为156 MHz～165 MHz时，其限值为24 dB，远小于其他频段，这是因为该频段为国际上规定的船舶呼救频段，为考虑船舶的安全起见，故在进行设备选型时，必须要满足该要求。

加拿大运输标准[4]提出：“不应使用其精度是通过提高绝缘电阻的方法来实现的电路，除非采取特别的预防措施以保持高的绝缘电阻；这种电路应提供检查绝缘电阻的措施。”这是考虑到船舶运行环境的湿度大，空气中的盐分高，难以保持高的绝缘电阻。由此推论，在船舶中不宜采用对地浮空的电子设备，因为对地浮空的电子设备需要的绝缘电阻应大于50 MΩ，如不采取一定措施，在船舶上难以保证。

8 控制台（柜）的密封

对控制台（柜）的密封，规程作了如下规定：

进控制台（柜）内的电缆和穿管应通过底部进入并于入口处充分密封，以防止灰尘、凝液以及啮齿类动物入内将电缆咬坏。

设置在所谓“危险区域”（即具有燃烧、爆炸危险的区域）内的控制台（柜），应满足IP54等级的要求。

9 控制设备

该规程中有关控制设备应引起注意的规定包括：

1）应避免在控制柜内采用多种电压源。对诸如联锁、指示灯电路、加热器电路等，如难以将控制器的触点直接与负荷侧的电路相连时，为了操作，需要有一个单独的电压源时，应限制该电路的电压不超过55 V。

2）控制器的外壳、仪表的金属外壳和所有仪表变压器的次级绕组应与作为接地体的金属船体相连。标准中的这个“地”显然指的是保护地。

本文认为，在船舶行业内是否要设置保护地，均按工作电压有否超过50 V或55 V为准，这与“IEC 61010-1:2001”的规定有所不同，后者是这样规定的：设备在正常条件下，在可触及零部件与地之间，任意两个可触及的零部件之间，如交流电压的有效值有可能超过33 V（或峰值超过46.7 V），直流电压值有可能超过70 V时，都必须设置保护地。

本文更倾向于后者的规定。

3）安装在主机舱与辅机舱的控制器，由于其环境内含有诸如推进装置和锅炉之类的大热源，故环境温度宜按50℃考虑。其他环境的温度一般不超过45℃，故控制器的环境温度可按45℃考虑。后者所有部件允许的温升宜按10℃考虑。

4）规程对所有开关与控制设备的绝缘测试电压的规定如表1所示。

表1 绝缘测试电压

显然，船用电气设备的绝缘测试电压要高于工业控制系统。

10 控制操作

关于控制操作，规程的主要规定包括：

1）关于“电动机的电压保护”

所有的电动机控制器应设置包括低压保护（LVP）或低压释放（LVR）的电压保护系统：当电压跌落到额定值的80%以下时，LVP与LVR断开电动机；当电压高于额定值的85%值时，电动机应重新启动。LVP与LVR两者的差别是，LVP可避免由于操作人员的干预或在监控复位时自行启动电动机，故可防止驱动辅机以及对操作人员造成可能的危险。

2）关于甲板机械的控制

本规程涉及的甲板机械包括绞盘、起锚机、起货机、电力驱动船用绞车等。其主要内容包括：

（1）与甲板机械直接连接的电动机，应采用设有速度控制的可逆控制器；

（2）为停止和保持负载应使用磁粉离合器，除非设备固有自锁装置或设有其他类型的负载制动措施。

3）关于防火安全紧急停车

（1）所有通风系统在失火或其他紧急情况下应能对电动机实行紧急遥控停车。机舱风机、住舱的通风风扇以及车载、货舱的通风机的紧急停车系统应单独设置，彼此完全独立。

（2）每一台送风机、引风机、惰性气体系统的风机、燃油输送泵、燃油装置、燃油泵、燃油离心泵、润滑油离心机、润滑油泵、润滑油输送泵和其他任何油泵，当所在舱室发生火灾时，应可以在舱室的外部遥控停止邻近机舱的通风设备。

11 内部通信系统

内部通信系统包括语音、数据、控制（或报警）的通信。该部分占本规程的篇幅最大，共14页之多，约占整个规程的六分之一，可谓内容翔实。主要内容包括：

1）一艘机动船，除了在驾驶室里控制推进装置以及不在发动机舱控制发动机的船舶外，应配备一台电动式或机械式的传令钟系统（EOT），将驾驶室的指令传送至每台发动机的控制站；

2）应在适当的位置（如驾驶室、机舱、住舱等地方）设置一台手动操作的断续器作为通用紧急报警系统的触发信号；

3）通用报警馈线与分支电路的电缆应敷设在通道里，不得设置在大厅、储物柜、厨房、机舱或其他封闭的空间里，除非在那些地方有必要设置通用应急报警信号；

4）每艘船舶应配备可靠的应急声动力电话通信系统，或不依赖船舶动力或电池电源的其他系统；

5）应对公共广播系统实施监控，该系统的扬声器在运行时，一旦发生短路、开路或接地，以及因故障与系统断开时，应在主控制站发出报警，以消除对其他扬声器的运行造成不良影响。

12 外部通信和导航系统

外部通信和导航系统包括船舶导航和通信用的电气、电子和机电设备。这些系统发射或接收射频的音频和数据信号。设置全球海上遇险与安全系统（GMDSS）可替代或补充传统的无线电设备。该标准主要规定包括：

1）这些系统的组件通常带有危险电压或会产生有害的电磁辐射，故要考虑必要的安全措施，如采用适宜的接地和等电位的连接方式。

2）建议在驾驶室里设置导航设备、操纵设备、通信设备和监控设备。控制台的功能、高度、宽度和深度，以及显示器和控制设备的位置应按人体工程学原理优化设置。

3）为减少电磁干扰（EMI），可采用下列技术措施：

（1）发送天线和接受天线之间的距离要尽可能大；

（2）每对导线应采用双层屏蔽；

（3）动力电缆、高频信号电缆、低频信号电缆应分开敷设（在交叉时应成直角）；

（4）对电磁干扰敏感的电路应使用屏蔽电缆；

（5）应减小接地线的长度；

（6）所有金属拉线、屏蔽层以及金属索具应进行电气搭接或隔离（由于拉线采用绝缘子隔离，故不会将感应噪声蔓延出去）；

（7）采用合适的保护措施以防止电源在设备内产生瞬变；

（8）将铠装同轴电缆的铠装层接地。

上述诸点对控制系统抑制电磁干扰十分重要，故同样适用于整个船舶的电缆敷设。

13 防火、报警与喷水系统

该规程对防火、报警与喷水系统的主要规定包括：

1）规程推荐所有的船舶设置自动防火系统，包括对所有的住舱、机舱、通道、楼梯间、工作间、储藏室、泵房等实施火灾检测。必要时，火灾检测系统也可以扩大到包括可燃物或有毒气体的检测。

2）除自动报警外，所有船舶应设置手动火灾报警系统，至少每个区域或每个舱室的出口处应设置一个报警箱。除主机舱外，手动火灾报警系统应安装在旅客和船员常在的地方。

3）自动喷水、火灾检测报警系统是一个水流灭火系统，包括管道分配、自动供水、自动排水装置以及中央和远程报警显示装置。该系统将水喷洒在预定的区域里。喷水是自动操作的，并同时产生音响和视频信号。

14 水密防火门

水密门控制系统应包括中央控制盘、电动机操作单元、电动机控制盘、就地控制站以及视频音响报警系统，必要时可作为一个完整的控制系统。防火门的控制包括中央控制盘的保持-释放磁铁与就地控制开关。

1）对大量的水密门进行操作时，中央控制系统可设置水密门的顺序操作，首先应关闭船的最下层甲板上的水密门；

2）应考虑水密门会被卡住，故应设置电动机的保护措施；

3）应在水密防火门两侧醒目的舱壁上设置门开关，便于穿越者在通过水密防火门时方便地将门打开；

4）监管机构要求的某些自动关闭的防火门应由中央控制站利用开启电路进行释放。可以由一个中央控制点通过激励电磁体将防火门控制在开启位置。防火门的释放系统应设置为“故障安全”型，即它们在发生故障时应使门处于关闭状态。

15 陀螺罗经系统

陀螺罗经系统一般包括这些设备：1）主罗经；2）各种类型的中继器；3）电源转换单元；4）控制盘或控制电源以及陀螺罗经系统的信号盘；5）显示陀螺罗经系统失效和电源发生故障的报警回路；6）全球定位系统（GPS）的定位和速度数据的输入设备；7）在理想情况下，主罗经、电源转换单元、控制盘与电池组应集中安装在接近船舶稳心的中心部位，尽量靠近驾驶室；8）陀螺罗经系统的电源应由应急电源开关盘的独立馈电线提供。

16 “ IEEE 45 .2 TM-2011 ” 与 “ IEC 60092 -504 :2001 ”的比较

相 对 于 “ IEC 60092-504:2001 Electrical Installations in Ships – Part 504: Special Features-control and Instrumentation”[3]，本规程的特点是：

1）本规程比“IEC 60092-504:2001”晚颁布10年，故内容要新，能反映当今的技术、工程方法和工程实践；

2）本规程的篇幅是“IEC 60092-504:2001”的两倍之多，故内容也丰富得多；

3）本规程的许多内容在“IEC 60092-504:2001”里均未涉及，特别是通信系统、水密防火门系统以及陀螺罗经系统等。

但在火灾检测与报警系统的设计方面，“IEC 60092-504:2001”要比本规程规定得详细，如两个检测器的最大间距、检测器距舱壁的最大距离以及每个检测器的检测面积等，在本规程里均未涉及。

无论是“IEEE 45.2TM-2011”或是“IEC 60092-504:2001”，对船舶的控制与自动化而言，均是重要的国际标准。

附上美国电气与电子工程师学会于2008年之后颁布的有关船舶电气装置的8个独立的规程，以供参考。

1）“IEEE P45.1™, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Design”；

2）“IEEE P45.2™-2011, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation”；

3）“IEEE P45.3™-2015, Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations – Systems Engineering”；

4）“IEEE P45.4™, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Marine Sectors and Mission Systems”；

5）“IEEE P45.5™-2014, Recommended Practicefor Electrical Installations on Shipboard – Safety Considerations”；

6）“IEEE P45.6™, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Electrical Testing”；

7）“IEEE P45.7™-2012, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – AC Switchboards”；

8）“IEEE P45.8-2015™, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Cable Systems”。

17 结论

本规程发布于2011年，是在2002年发布的“IEEE 45TM-2002”的基础上作了更为完善的推荐性规定，相对于“IEC 60092-504:2001”的内容要丰富得多。本规程涉及船舶的控制、控制系统的应用、控制设备以及自动化，对船舶的动力设备、推进装置、驾驶、自动化、导航、照明、通信等系统与其设备的设计、选型及安装，作了最低要求的规定，反映了当今的技术、工程方法与工程实践。本规程适用于客船、货船、油船、海上移动钻井装置等水面船舶的控制及自动化。建议将本规程等同采用或等效采用转化为我国国家标准。

[1] IEEE. Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard: IEEE 45TM-2002[S]. 2002.

[2] IEEE. Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation: IEEE 45.2TM-2011[S]. 2011.

[3] IEEE. Electrical Installations in Ships – Part 504: Special Features – Control and Instrumentation: IEC 60092-504:2001[S]. 2001.

[4] IEC. Safety Requirements for Electrical Equipment for Measurement, Control, and Laboratory Use; Part 1: General Requirements Standards: IEC 61010-1: 2001[S]. 2001.

[5] TP. Transport Canada – Ships Electrical: TP 127E: 2008[S]. 2008.

Overview of “IEEE 45.2TM-2011”

YU Haoyang1, XU Jia2, XU Yiheng1, YU Xiang1, YE Ying1

(1. Zhejiang Supcon Research Co., Ltd., Hangzhou 310053, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The “IEEE 45.2TM-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard –Controls and Automation” was approved in September 2011 by the American Institute of Electrical and Electronics Engineers, about the recommendations for controls, control applications, control apparatus, and automation onboard. The recommendation establishes the acceptable minimum guidelines for the design, selection, and installation of systems and equipment aboard marine vessels applying electrical apparatus for power, propulsion, steering, automation, navigation, lighting, and communications. The recommendation reflects the present technologies, engineering methods and engineering practices. The recommendations is applicable to the control and automation of water surface ships, such as passenger vessel, cargo vessel, oil tankers and mobile offshore drilling unit.

ship; control; automation

U664.152

A

10.14141/j.31-1981.2017.03.003

于浩洋（1979—），男，工程师，研究方向：自动控制技术、实时控制系统、可靠性工程和船用设备的EMC、环境适应性技术。