一种船舶自动化设备信号控制系统及方法
技术领域
本发明涉及信号控制技术领域，具体为一种船舶自动化设备信号控制系统及方法。
背景技术
船舶自动化是利用自动化设备代替人工直接操纵和管理船舶。自20世纪 60年代以来，随着自动化技术的飞速发展，特别是电子技术的发展，船舶自动化技术也随之水涨船高。船舶自动化主要包括轮机自动化、导航自动化和舾装自动化三个方面。
60年代初期，出现了机舱全面自动化的船舶，它是在控制室中，利用远距离检测仪表和操纵设备，对机舱动力设备进行集中监视和控制。到60年代中期，在动力设备和自动化设备的可靠性有了充分保证的前提下，出现了机舱定期无人值班的船舶。
70年代后，电子计算机开始在船上应用，它除用于自动调节、顺序控制、显示、报警、自动记录外，还处理一些较为复杂的问题，如测算主机功率，预报维修期限，诊断动力设备故障，根据周围船舶的动态确定本船的航速、航向，以及实现组合导航等。
为了应用的机动灵活，目前倾向于用多台微处理机代替一台较大存贮量的计算机承担全船自动化的任务，船舶自动化能提高操作安全性、改善工作条件、降低劳动强度、减少船员配备、提高船舶营运经济效益。船舶能够达到今天如此先进的水平，离不开船舶自动化设备信号的控制和处理技术，船舶自动化设备信号的控制系统直接影响船舶自动化的实现，并且该控制系统越先进，船舶自动化程度越高并且越安全。然而，科技探索有无止境，船舶自动化设备信号控制在相关专业技术人员的不断努力下，控制技术更上一层楼，对此，我们提出了一种船舶自动化设备信号控制系统及方法，用于改善当前船舶自动化设备信号控制的水平。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种船舶自动化设备信号控制系统及方法，解决了当前船舶自动化设备信号控制系统需要不断改善进步的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种船舶自动化设备信号控制系统及方法，包括设备监测系统、信号处理系统、机舱监测控制系统以及延伸显示报警系统，所述设备监测系统包括压力传感系统、温度传感系统、湿度传感系统、液位传感系统、气体传感系统、流量传感系统和阀门遥控系统。
所述信号处理系统包括信号采集模块、计算分析模块和通讯模块，所述信号采集模块的输出端与计算分析模块的输入端电连接，所述计算分析模块的输出端与通讯模块的输入端电连接。
所述机舱监测控制系统包括显示模块一、复显模块、报警模块一、操作控制模块一、自检系统和数据存储模块一。
所述延伸显示报警系统包括显示模块二、报警模块二和操作控制模块二。
所述第三方设备包括显示模块三和数据存储模块二。
所述设备监测系统的输出端与信号采集模块的输入端信号连接，所述通讯模块的输出端与机舱监测控制系统的输入端电连接，所述机舱监测控制系统的输出端分别与第三方设备和延伸显示报警系统信号连接。
一种船舶自动化设备信号控制方法，包括以下步骤：
S1、设备监测：传感执行设备分别对机舱、油舱、货舱、压载舱的液位、压力、温度、气体、液体流量和阀门状态进行监测，并将信号传递到信号处理系统。
S2、信号处理：信号处理系统的信号采集模块分别结构各个物理信号，并分别对个信号进行分析、处理、转换，通过通讯模块传递到机舱监测控制系统。
S3、信号监测控制：机舱监测控制系统各个模块和系统将信号展示给工作人员，包括信号信息显示、声光报警、信号参数修改和数据存储，同时传递至第三方设备。
S4、信号远程监测：第三方设备接收监测信号并显示，同时对信号数据信息进行备份存储。
S5、延伸报警：当机舱监测系统没有对报警信号及时处理时，信号将传递至延伸监控位置处，将报警信息再次显示和启动报警，此时可以通过操作控制模块二对报警信息进行处理。
优选的，所述设备监测系统的监测方式包括连续监视和巡回监视，连续监视为不间断对被测信号的物理量进行测量与监视的方式，巡回监视为按预定周期不间断对被测信号的物理量进行测量与监视的方式。
优选的，所述阀门遥控系统是一套集中对阀门进行远程开关控制和阀门开度调节和阀门状态反馈的控制系统，阀门控制方式包括液压控制、气动控制、电动控制和电液控制。
优选的，所述报警模块一和报警模块二包括报警灯和报警喇叭，所述报警模块一和报警模块二的报警方式根据报警对象的重要程度分为一级报警、二级报警和三级报警。
优选的，所述一级报警为启动报警灯和报警喇叭，所述二级报警和三级报警为启动报警灯和报警喇叭，并同步启动关联设备。
优选的，所述显示模块一、显示模块二和显示模块三的显示参数为被测参数名称、测量值及单位或报警编号、报警时间、报警名称、性质、测量值和报警设置值参数。
优选的，所述自检系统监测项目包括电源回路通断情况、电源失电情况、传感系统执行设备故障和系统机箱温度。
(三)有益效果
本发明提供了一种船舶自动化设备信号控制系统及方法，具备以下有益效果：
本发明通过设置设备监测系统、信号处理系统、机舱监测控制系统、延伸显示报警系统和第三方设备，通过设备监测系统的各个传感执行设备监测，并对测量电信号与物理量数之间进行转换，对测量数值进行解析、故障分析和通讯转发数据，建立一套相对完善的船舶自动化设备信号控制系统，通过此系统可对船舶自动化设备进行更加合理完善的监测控制，改善传统监测不够完善的监测水平，确保船舶各个自动化设备平稳运行，解决了当前船舶自动化设备信号控制系统需要不断改善进步的问题。
附图说明
图1为本发明系统原理图；
图2为本发明电流与压力关系曲线图；
图3为本发明信号转换关系曲线图；
图4为本发明电流已知时P与AIW的关系曲线图；
图5为本发明电压已知时P与AIW的关系曲线图；
图6为本发明T与AIW的关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种船舶自动化设备信号控制系统及方法，包括设备监测系统、信号处理系统、机舱监测控制系统以及延伸显示报警系统，设备监测系统包括压力传感系统、温度传感系统、湿度传感系统、液位传感系统、气体传感系统、流量传感系统和阀门遥控系统。
信号处理系统包括信号采集模块、计算分析模块和通讯模块，信号采集模块的输出端与计算分析模块的输入端电连接，计算分析模块的输出端与通讯模块的输入端电连接，测量输入信号方式包括热电阻信号、电流信号、脉冲信号等模拟量输入、开关量输入和数字信号输入，当模拟量输入时，监测的电信号应转换为物理量信号，并根据需要在电信号的下限和上限值范围之间设有可调整的上限值、下限值报警给定装置，各测量值超越限值时均应能产生相应的声光报警。
机舱监测控制系统包括显示模块一、复显模块、报警模块一、操作控制模块一、自检系统和数据存储模块一，声、光报警信号可一起触发或分开触发动作，在报警同时数据存储模块一进行故障记录，记录内容应包括故障时间、故障点序号、符号和故障参数值，测量值和报警设定值可通过操作控制模块一和操作控制模块二在任何时间进行有权限手动修改显示数值。
延伸显示报警系统包括显示模块二、报警模块二和操作控制模块二。
第三方设备包括显示模块三和数据存储模块二。
设备监测系统的输出端与信号采集模块的输入端信号连接，通讯模块的输出端与机舱监测控制系统的输入端电连接，机舱监测控制系统的输出端分别与第三方设备和延伸显示报警系统信号连接。
一种船舶自动化设备信号控制方法，包括以下步骤：
S1、设备监测：传感执行设备分别对机舱、油舱、货舱、压载舱的液位、压力、温度、气体、液体流量和阀门状态进行监测，并将信号传递到信号处理系统。
S2、信号处理：信号处理系统的信号采集模块分别结构各个物理信号，并分别对个信号进行分析、处理、转换，通过通讯模块传递到机舱监测控制系统。
S3、信号监测控制：机舱监测控制系统各个模块和系统将信号展示给工作人员，包括信号信息显示、声光报警、信号参数修改和数据存储，同时传递至第三方设备。
S4、信号远程监测：第三方设备接收监测信号并显示，同时对信号数据信息进行备份存储。
S5、延伸报警：当机舱监测系统没有对报警信号及时处理时，信号将传递至延伸监控位置处，将报警信息再次显示和启动报警，此时可以通过操作控制模块二对报警信息进行处理。
作为本发明的一种技术优化方案，设备监测系统的监测方式包括连续监视和巡回监视，连续监视为不间断对被测信号的物理量进行测量与监视的方式，巡回监视为按预定周期不间断对被测信号的物理量进行测量与监视的方式，设备测量信号连续监视的连续显示方式有指针仪表式和数字式，数字式显示内容有时间、名称、符号、单位和参数值，数字式显示方式可采用文本或图形显示；设备测量信号巡回监视的巡回显示方式为数字式，显示内容应有通道名代码、时间、符号、单位和参数值。
作为本发明的一种技术优化方案，阀门遥控系统是一套集中对阀门进行远程开关控制和阀门开度调节和阀门状态反馈的控制系统，阀门控制方式包括液压控制、气动控制、电动控制和电液控制。
作为本发明的一种技术优化方案，报警模块一和报警模块二包括报警灯和报警喇叭，报警喇叭和报警灯设有声、光应答按钮，声应答按钮消声但不消除光应答，光应答按钮消光但不消除声应答，报警应答后，故障尚未排除时不影响其他通道的正常报警动作输出，报警模块一和报警模块二设有报警延时和报警屏蔽功能，报警延时和报警屏蔽均可调整，报警模块一和报警模块二的报警方式根据报警对象的重要程度分为一级报警、二级报警和三级报警。
作为本发明的一种技术优化方案，一级报警为启动报警灯和报警喇叭，二级报警和三级报警为启动报警灯和报警喇叭，并同步启动关联设备，如鼓风机、风扇、阀、泵等设备。
作为本发明的一种技术优化方案，显示模块一、显示模块二和显示模块三的显示参数为被测参数名称、测量值及单位或报警编号、报警时间、报警名称、性质、测量值和报警设置值参数。
作为本发明的一种技术优化方案，自检系统监测项目包括电源回路通断情况、电源失电情况、传感系统执行设备故障和系统机箱温度。
系统接入的设备监测系统的模拟量信号类型有：电流信号(典型值 4-20mA)、电压信号(典型值0/1-5v，0-10v)、Pt100电阻信号、热电偶信号、毫伏电压信号或4-20mA电流信号等，流量传感执行设备输出信号一般是脉冲信号或4-20mA电流信号,信号输出是瞬时流量或是累积流量。
当电流信号在典型值4-20mA范围内时，表示相对应的传感执行设备工作，当电流信号大于3.8mA又小于4mA时，定义传感执行设备处于异常工作状态，当电流信号小于3.8mA时，定义传感执行设备处于故障状态，当电流信号处于大于20mA又小于20.8mA时，定义传感执行设备处于异常工作状态，当电流信号大于21mA时，定义传感执行设备处于故障状态。
工作原理：
测量盲区(起点)值Zh
测量上限值H
液位(压力/温度)测量范围值H-Zh(0-1MPa)
信号电流值4.00mA-20.00mA
测量点电流IM
测量介质密度Density
介质比重S.G.
测量起点盲区吹气管末端到舱底的距离h
物理量测量点的电流IM
测量压力P＝pgh＝(H-h)/100000×9.81×S.G.
测量液位H＝P/9.81/S.G.×100000+h
液位(压力/温度)测量点数值：HM
电流信号值与物理量测量值换算计算公式：
IM＝测量点数值/(测量上限值H－测量盲区值Zh)×(20mA－4mA)+4mA
HM＝测量点电流值/(20mA－4mA)×(测量上限值H－测量盲区值Zh)+测量盲区值Zh
定义：4mA为测量起点，举例：
测量盲区(起点)值Zh：0.1米
测量上限值H：3米
计算1米测量点的电流值：
验算：
测量点数值：PM
PM＝(测量点电流值－4mA)/(20－4mA)×(测量上限值P－测量盲区值 Zh)+测量盲区值Zh
已知测量电流信号值，计算物理量测量值计算公式如下表：
已知物理量测量值，计算测量信号电流值计算公式如下表：
模拟量测量信号转换关系如下表：
开关量信号转换关系如下表：
例如，当输入模拟量设定为电流信号的输入，在信号处理控制装置内部，对于4-20mA的信号，对应的内部数值为6400-32000，不同的传感执行设备，通过不同的模拟量输入输出模块进行转换，其转换公式是不一样的，如果选用的转换公式不对，信号转换肯定是错误的，比如有3个传感执行设备：
(1)、测量范围为0-4MPa的压力传感执行设备，传感执行设备输出信号为4-20mA。
(2)、测量范围为0-4MPa的压力传感执行设备，传感执行设备输出信号为0-5v。
(3)、测温范围为-100℃-500℃的温度传感执行设备，传感执行设备输出信号为4-20mA。
(1)和(2)两个压力传感执行设备，测量范围是一样，但输出信号不同，(1)和(3)传感执行设备输出信号一样，但测量范围不同，这三个传感执行设备既使选用相同的模拟量输入模块，其转换公式也是各不相同。
下面对上述的3个传感执行设备进行转换公式的推导：
对于(1)和(3)传感执行设备所用的模块，其模拟量输入设置为4-20mA 电流信号,20mA对应数子量＝32000，4mA对应数字量＝6400。
对于(2)传感执行设备用的模块，其模拟量输入设置为0-5v电压信号，5v对应数字量＝32000，0v对应数字量＝0。
这三种转换推导步骤如下：
(1)传感执行设备测压P＝4MPa，输出电流I＝20mA,信号处理控制装置内部数字量AIW＝32000；当传感执行设备测压P＝0MPa时，输出电流I＝4mA,信号处理控制装置内部数字量AIW＝0。P与AIW的关系曲线如图4，根据三角形相似定理可知：
ΔABM-ΔCDM
故可列：
AB＝4,CD＝Px，BM＝3200-6400DM＝AIWx–6400带入(3-1)式，可得：
(2)传感执行设备测压P＝4MPa，输出电压V＝5v,信号处理控制装置内部数字量AIW＝32000；当传感执行设备测压P＝0MPa时，输出电压V＝0v,信号处理控制装置内部数字量AIW＝0。P与AIW的关系曲线如图5，根据三角形相似定理可知：
ΔABO-ΔCDO
故可列：
AB＝4,CD＝Px，BO＝32000DO＝AIWx带入(3-1)式，可得：
(3)传感执行设备测温T＝500℃，输出电流I＝20mA,信号处理控制装置内部数字量AIW＝32000；当传感执行设备测温T＝-100℃时，输出电流I＝4mA,。 T与AIW的关系曲线如图6，根据三角形相似定理可知：
ΔABM-ΔCDM
故可列：
AB＝600,CD＝Px，BM＝32000DM＝AIWx带入(3-1)式，可得：
上面推导出的(2-1)、(2-2)、(2-3)三式就是对应(1)、(2)、(3)三种传感执行设备测量物理量和信号处理控制装置数字量信号的转换公式，依据正确的转换公式进行编程处理，就会获得满意的效果。
综上可得，本发明通过设置设备监测系统、信号处理系统、机舱监测控制系统、延伸显示报警系统和第三方设备，达到可对船舶自动化设备进行更加合理完善的监测控制，改善传统监测不够完善的监测水平，确保船舶各个自动化设备平稳运行。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
