一种机舱监控系统的自动智能化设计方法

技术领域

本发明涉及船舶设备控制系统领域，尤其涉及一种机舱监控系统的自动智能化设计方法。

背景技术

机舱监控系统作为集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统，能准确可靠地监测机舱内船舶主机、辅机等各种动力设备的运行工况，将船舶中的设备的运行状态、运行参数数值及故障报警状态集中的显示在集控室的监视屏上，同时能对其中的设备进行远程控制。

传统的机舱监控系统大部分采用分散监控或者集成化程度较低的集中监控方法，功能单一且自动智能化管理水平低。随着船舶大型化、配电网络复杂化以及电站容量不断增长的趋势，配电系统监控的对象增加，分布位置相对离散，故障频次增加，传统的机舱监控系统已经难以满足现代船舶配电系统高度信息化和自动智能化管理控制需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机舱监控系统的自动智能化设计方法，为LNG船舶设备提供可靠、稳定的优化配置，大幅提升系统自动智能化水平。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种机舱监控系统的自动智能化设计方法，所述机舱监控系统包括功率管理模块和辅助机械模块，包括：

通过控制逻辑设计进行主、备泵机的自动切换；

设计局部搜索的遗传算法，并结合PID控制进行频率自动调节；

根据主机燃油粘度反馈信号，设计主机燃油供给泵进口三通阀、主机燃油循环泵出口三通阀的切换控制。

进一步地，通过控制逻辑设计进行主、备用机的自动切换，具体包括：将主、备泵机设置成远程自动状态，并进入准启动状态，在自动状态下，通过外开关信号，主泵机进入启动运行状态，同时对备用机进行状态自动检测、判别，一旦主泵机发生故障报警时，备用机即刻进入自动启动状态，主泵机将会自动降速停机，当主泵机故障信号消失时，经系统3S确认，自动进入下一个自动启动的准备状态。

进一步地，设计局部搜索的遗传算法具体包括：(1)在遗传算法第t次迭代过程中，经选择、交叉、变异生成一个种群大小为N/2的新种群Qt，将新种群Qt与父代种群Pt合并组成种群大小为3N/2的种群Rt，对Rt中个体进行适应度排序，保留适应度大于阈值的前N个体进入下一代，生成Pt+1，剩余个体则直接淘汰；(2)对每轮迭代产生的最优染色体，采用交换算子、插入算子和复合插入算子进行迭代搜索，如果搜索后的染色体序列适应度高于搜索前的染色体序列，则用搜索后的序列替代搜索前的序列，生成新的种群Pt+1，从而得到全局最优解。

进一步地，结合PID控制进行频率自动调节具体包括：采用设计的遗传算法对PID算法的3个参数Kp、Ki、Kd进行优化，输入是发电机期望频率与当前频率的差值e

进一步地，所述适应度为:

式中，F为适应度，J为目标函数。

进一步地，所述目标函数为：

式中：w1、w2为权重值，nt为频率。

进一步地，所述主机燃油供给泵进口三通阀的切换控制具体包括：

(1)从轻油位切换到重油位的控制：主机燃油供给泵返回三通阀要切换到供给泵位或者主机燃油循环泵出口三通阀切换到加热器位时，主机燃油供给泵进口三通阀阀位自动从轻油位切换到重油位；

(2)加热器和冷却器位的切换控制：在主机燃油供给泵进口三通阀阀位开度为0％的状态下，且主机燃油粘度≤5cST时，主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位；在主机燃油供给泵进口三通阀阀位开度为100％的状态下，延迟60min后主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位，或者在主机燃油供给泵进口三通阀阀位从开度为0％到100％的过程中，机燃油粘度≤3cST，主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位。

进一步地，所述主机燃油循环泵出口三通阀的切换控制具体包括为：

3)从加热器位切换到冷却器位的控制：在主机燃油供给泵进口三通阀阀位开度为0％的状态下，主机燃油粘度≤5cST时，主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位；在主机燃油供给泵进口三通阀阀位开度为100％的状态下，延迟60min后主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位，或者在主机燃油供给泵进口三通阀阀位从开度为0％到100％的过程中，机燃油粘度≤3cST，主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位；

4)从加热器位切换到冷却器位的控制：主机燃油粘度＞5cST，主机燃油循环泵出口三通阀从冷却器位切换到加热器位。

进一步地，还包括：对系统中设备进行集中管理和分布式过程控制、监测、分析及诊断。

进一步地，所述辅助机械模块包括燃油系统、燃气系统、润滑油系统、海水冷却系统、淡水冷却系统、舱底系统、空气系统和蒸汽系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提出一种基于新型算法的频率自动调节方法，在负载变化较大的同时，能有效地减少电力需求突增或突降引起的波动，保障电力稳定供应；

(2)本发明对机舱冗余设备组进行状态自动切换的控制逻辑设计，减少人工干预，缩短故障处理时间；

(3)本发明对燃油系统中机燃油供给泵进口三通阀的重油/轻油切换进行设计，实现主机的精准供油；

(4)本发明实现对系统中设备进行集中管理和分布式过程控制、监测、分析及诊断。

附图说明

图1为机舱监控系统组成组成图。

图2为冗余设备的全自动切换控制逻辑图。

图3为遗传算法整定PID控制结构图。

图4为右舷主机燃油供给泵进口三通阀的重油/轻油切换控制逻辑图。

图5为右舷主机燃油供给泵返回三通阀的重油/轻油切换控制逻辑图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种机舱监控系统的自动智能化设计方法，具体包括：

1、机舱监控系统组成及功能

机舱监控系统是装配于船舶上对电气、机械、辅助设备进行集中管理和分布式过程控制、监测、分析及诊断的系统，对于集中管理和分布式技术比较成熟，在此不做详细阐述。机舱监控系统一般由功率管理系统PMS和辅助机械系统组成，如图1，具体为：

1)辅助机械系统由燃油系统、燃气系统、润滑油系统、海水冷却系统、淡水冷却系统、舱底系统、空气系统、蒸汽系统等组成，实现对每一个系统和设备的监控功能；

2)功率管理系统(PMS)由四套发电机组、一台应急柴油发电机、断路器和配电板组成；

需要指出的是，辅助机械系统的子系统可根据不同需求添加或者减少，功率管理系统的组成为现有技术，在此不做详细阐述。

机舱监控系统实现LNG运输船电能供给、调度、消耗的综合控制与管理，保障全船电网用电安全，电能分配优化，减少电网电压波动、冲击。

机舱监控系统操作方式可分为远程操作和本地操作，此部分为通用的，不再做详细描述。

远程操作：如果满足以下条件，则可通过IAS对每个单独的DG和PMS功能进行控制：

1)位于DE/DCP上的本地/远程控制开关处于“远程”位置。

2)位于SWBD模拟面板上的本地/远程控制开关处于“远程”位置；

3)IAS运行正常，无重大故障。

本地操作：右舷和左舷SWBD房间模拟面板上有以下操作：

1)每个DG的启动/停止。

2)每个DG速度的增加/减少。

3)打开/关闭6.6KVSWBD上的每个分布式发电断路器(包括发电机同步)。

2、冗余设备的全自动切换

在主机运行状态故障情况下，备用机根据命令启动后其同步转换为主机角色，主机修复后并入系统自动切换为备用机角色，通过控制逻辑设计，实现主、备用机的自动角色切换，减少人工干预。具体包括：

将设备(主备泵机)设置成“远程自动”状态，设备进入准启动状态，在自动状态下，通过外开关信号，设备1(主泵机)进入启动运行状态，同时系统对设备1进行状态自动长期检测、判别。一旦设备1发生故障报警时，设备2(备用泵机)即刻进入自动启动状态，设备1将会自动降速停机。当设备1故障信号消失时，经系统3S确认，自动进入下一个自动启动的准备状态，如图2。

3、基于ControlLogix的船用PMS频率自动调制

针对PMS系统中各发电机组频率匹配问题，采用传统的遗传算法整定PID容易陷入局部最优，因此本发明采用局部搜索的改进遗传算法对构建的模型进行优化求解，从而解决各机组频率匹配问题。

本算法改进的核心是精英保留和局部搜索，一方面，在第t次迭代过程中，经选择、交叉、变异生成了一个新种群Qt(种群大小为N/2)，将新种群Qt与父代种群Pt合并组成Rt，Rt种群大小为3N/2，对Rt采用精英策略进行保留，对Rt中个体进行适应度排序，保留适应度高的前N个体进入下一代，生成Pt+1，剩余个体则直接淘汰；另一方面，对每轮迭代产生的最优染色体，即精英保留后种群Pt+1中适应度最高的染色体，应用三个局部搜索算子进行迭代搜索(交换算子、插入算子、复合插入算子)，如果搜索后的染色体序列适应度高于搜索前的染色体序列的，则用搜索后的序列替代搜索前的序列，生成新的种群Pt+1，从而可得到全局最优解。

通过得到的全局最优解整定PID能够应对船舶在不同航行状态下发电机组频率控制问题，相较于传统PID控制策略和传统遗传算法优化PID，有更优秀的抗干扰性及系统稳定性。

遗传算法整定PID控制结构图如图3所示，上层控制器使用遗传算法对PID算法的3个参数Kp、Ki、Kd进行优化，输入是发电机期望频率与当前频率的差值e

e

e

其中Kpi、Kii、Kdi(i＝1,2)分别为遗传算法优化后的比例系数、积分系数、微分系数，n

设计适应度函数的基本准则需要保证函数的连续性和通用性。以期望加速度为控制量，目标函数可表示为：

式中：w

用遗传算法整定PID函数要求取适应度的最大值，则适应度函数F可表示为：

式中：J为目标函数；0.001是为了防止分母为0，出现无解情况。

主机燃油供给泵进口三通阀、主机燃油循环泵出口三通阀的切换控制

(1)主机燃油供给泵进口三通阀阀位

1)从轻油位(开度100％)切换到重油位(开度0％)(见图4)，自动切换触发条件如下(满足之一即触发)：

a)主机燃油供给泵返回三通阀要切换到供给泵位；

b)主机燃油循环泵出口三通阀切换到加热器位。

2)主机燃油供给泵进口三通阀阀位从重油位(开度0％)切换到轻油位(开度100％)需手动切换。

(2)主机燃油循环泵出口三通阀

1)结合图5，从加热器位切换到冷却器位，自动切换触发条件如下(满足之一即触发)：

a.在主机燃油供给泵进口三通阀阀位开度为0％的状态下，主机燃油粘度≤5cST，主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位；

b.在主机燃油供给泵进口三通阀阀位开度为100％的状态下，延迟60min后主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位，或者在主机燃油供给泵进口三通阀阀位从开度为0％到100％的过程中，机燃油粘度≤3cST，主机燃油循环泵出口三通阀从加热器位切换到冷却器位。

1)从加热器位切换到冷却器位，自动切换触发条件如下：

a.主机燃油粘度＞5cST，主机燃油循环泵出口三通阀从冷却器位切换到加热器位。

本发明的核心是通过对机舱冗余设备组进行状态自动切换的控制逻辑设计，减少人工干预，缩短故障处理时间；并在功率管理系统中提出一种基于新型算法的频率自动调节方法，在负载变化较大的同时，能有效地减少电力需求突增或突降引起的波动，保障电力稳定供应；对燃油系统中机燃油供给泵进口三通阀的重油/轻油切换进行设计，实现主机的精准供油。本发明为LNG运输船提供一种集成度更高、稳定性更好、功能更加全面的机舱监控系统。

以上所述仅是本发明的一种实际实施方式，在此基础上做出的一些更改和变形也应视为在本发明的保护范围之内。