摘 要

本文针对LNG船舶的安全监控系统进行了研究，并利用组态王软件组建了适用于LNG船舶的安全监控系统。首先，研究了LNG船舶的发展状况，并根据相关设计规范和要求，详细分析了在这类船舶的安全隐患。根据这些存在的隐患，设计相应的控制逻辑，并通过组态王编程予以体现，达到安全监视与控制的目的。主要研究内容包括：

（1）综合前人的研究成果和CCS的设计规范，从LNG船舶的主机本体、主机舱室、储液罐供气系统三个方面来分析和确定安全监控系统的监控项目；

（2）根据监控系统确定的监控项目，设计控制的逻辑框图，并通过组态王平台搭建了LNG船舶的安全监控系统，包括运行程序的编写以及人机界面的设计和LNG/柴油双燃料发动机安全监控系统的通讯协议的确定。

关键字：安全监控系统；SCADA系统；双燃料发动机；组态王； Modbus

Abstract

This paper studied the safety monitoring system of LNG ships. What’s more, a safety monitoring system suiting for LNG ships was established with the help of Kingview – one kind of Supervisory Control and Data Acquisition. In the beginning, this paper focus on the development of LNG ships, and analyze the potential safety problems in details according relevant designing specifications and requirements. Furthermore, the logic controlling rules had been set, which meets the requirements of safety monitoring system. The main research contents of this paper include:

(1).Based on the results of previous research as well as the designing guidance published by CCS, the monitoring projects had been analyzed and identified form three aspects: the engine, ship engine room and the LNG supply system.

(2).According to the identified monitoring projects of safety monitoring system, a logic block diagram was designed. Using the Kingview, a monitoring system of LNG ships was built, including the programming code, the designing of Human-machine interface as well as identifying the communication protocol of the monitoring system in LNG/diesel dual-fueled engine ships.

Keywords：safety monitoring system; SCADA system; dual-fueled engine; Kingview; Modbus

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究的现状 1

1.3 本章小结 2

第二章 LNG船舶设计规范分析 3

2.1 LNG船舶设计规范的介绍 3

2.2 LNG船舶的安全监控项目分析 4

2.2.1 供气系统的监控项目 4

2.2.2 发动机本体的监控项目 4

2.2.3 机舱室的监控项目 5

2.2.4 污水井的监控项目 5

2.2.5 监控项目汇总 6

2.3 信息汇总及所采取的措施 7

2.4 本章小结 7

第三章 安全监控软件的设计 8

3.1 安全监控系统的功能介绍 8

3.2 安全监控系统的软件设计 8

3.2.1 组态王设备管理 9

3.2.2 实时数据显示功能的实现 10

3.2.3 实时报警功能的实现 12

3.2.4 历史报警功能的实现 15

3.3 命令语言的编写 16

3.3.1 应用程序命令语言 16

3.3.2 画面的控制命令 18

3.4 本章小结 19

第四章 数据通讯网络的搭建 20

4.1 通讯协议的介绍 20

4.2 通讯网络的组建 21

4.2.1 设备的定义 21

4.2.2 变量与设备的关联 23

4.3 本章小结 25

第五章 总结和展望 26

5.1 论文总结 26

5.2 展望 26

参考文献 28

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

随着化石能源的日益枯竭，人们正在迫切地寻找着新型的可替代能源，用以缓解能源短缺带来的压力，而LNG就是其中很好的选择之一。LNG全称为“Liquefied Natural Gas”，即液化天然气，它不具有毒性和腐蚀性，是世界上广泛认可的清洁能源。液化天然气是由常压状态下呈气态的天然气放置于-162℃的条件下冷却，转化为液体状态而得到的。转化之后的天然气不仅能够大幅缩减储存空间，还有着更高的热值和使用性能。正因为LNG有着来源广泛、经济性好、价格便宜等优点，其作为一种新型的能源选择在我国得到了快速发展。由于其燃烧后的产物只有水和二氧化碳，为了降低排放，LNG被使用到了船舶动力领域。但是建造纯LNG动力船舶对技术和成本的要求较高，同时国内的船舶排放问题的愈加重视，因此我国现有的液化天然气动力船舶大多是由原来的柴油动力船舶改造而来^[1]。本文的安全监控系统也是针对LNG/柴油双燃料动力船舶进行设计的。

LNG船舶在设计的过程中，安全问题是至关重要的。在实际使用过程中，人们发现LNG存在低温，泄露以及燃烧爆炸等方面的安全隐患，同时，在船舶的航行过程中，LNG储液罐与外界无法做到完美的隔离与密封，加上海上航行的晃动作用，会有一部分LNG蒸发成为气态的天然气，成为安全隐患^[2]。此外，在双燃料船舶运行过程中，发动机舱和LNG储藏室一般处于密闭状态，或者空气流通不是很顺畅。如果LNG发生泄漏，机舱内温度会短时间内快速降低，此时遇到明火则会发生爆炸事故。对LNG船舶的安全检测，需要对LNG储罐、汽化器、LNG供给阀，以及发动机舱室进行实时监测，在发生故障时应能立即发出警报并采取相应的措施。这样，通过科学的方法对双燃料动力船舶的机舱以及燃料舱进行安全性研究，尤其是设计出一套能够对关键安全参数实时监控的系统具有重大的现实意义，有利于预防潜在的危险，避免遭受重大损失。

1.2 国内外研究的现状

近年来，绿色环保、节能减排等问题逐渐成为人们关注的焦点，同时也逐渐成为船舶设计过程中需要重点考虑的因素。LNG船舶正是由于其清洁环保，价格相对低廉的优势，近年来在国内外都得到的快速的发展^[3]。就目前看来，全世界范围内应用LNG作为船舶的燃料（包括柴油/LNG双燃料动力船舶和纯LNG动力船舶）供应的国家只有包括美国，中国，韩国，日本和欧洲的少数几个国家。20世纪80年代以后，日本和韩国对于LNG的进口量相继走在里世界前列，这促使日韩两国的船厂纷纷引进LNG船舶的建造技术，并分别在上世纪的80年代初期和90年代初期开始建造LNG船舶。这样，随着日韩船厂生产的LNG船舶数量增加，它们在世界LNG船舶市场份额不断上升，LNG船舶的建造中心逐渐由欧美转移到了亚洲^[4]。我国在2010年开始展开对LNG船舶的研究和应用工作，由于现有的船舶存量比较大，而建造纯LNG船舶的技术和成本要求比较高，这导致我国当前的LNG船舶主要是由柴油动力船舶改造而来的柴油/LNG双燃料动力船舶。

随着LNG船舶的快速发展，其运行过程的安全监控问题也亟待深入研究。目前，国内外普遍利用SCADA（Supervisory Control And Date Acquisition）系统对工程系统进行安全监控。SCADA系统，即数据采集与监测控制系统，又被成为组态软件。该系统已经有了一系列自己特有的配套标准，以先进的计算机技术为基础，对生产现场的数据进行实时的采集，并能够实现各种过程控制。它们在安全监控系统中处于自动监控层一级的开发环境，能够使用灵活方便的组态形式，协助用户快速地构建工业自动控制系统，实现所需要的监控功能。在PC 技术向工业控制领域的渗透中, 组态软件占据着非常特殊而且重要的地位^[5]。目前看来，SCADA系统的发展分为四个阶段。在第一个阶段，安全监控系统的建立必须依靠专门的操作系统，相关的操纵也必须利用专业的计算机。此阶段影响最深远的是中国铁路电气运动系统所用的H-80M系统（由日本日立公司开发）和国家电网华北分公司所用的SD176系统（由国家电力自动化研究院自行研发）。第二阶段更多的采用通用计算机，操作系统一般是UNIX系统。由于采用的计算机系统为集中式，所以系统比较封闭，难以完成系统的升级、维护以及与其他系统联网。到了90年代，按照开放的原则，为了实现SCADA系统的大范围联网，SCADA系统进入勒第三个阶段。此时它以分布式计算机网络为基础，利用数据库技术，对系统进行了进一步的优化和完善。而到了第四个阶段，系统的主要特征是采用互联网技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等，进一步扩大系统的集成规模^[6]。国外的企业发展历史比较长，因此早已占据行业的制高点，大部分行业标准、国际标准的指定都是在外国公司的参与下完成，这导致国外的SCADA软件公司占据了大部分市场。而国内的相关企业多处于技术跟随阶段，只能被动地根据技术标准以及市场需求来设计自己的软件系统功能。这就造成了国内企业的技术劣势^[7]。目前。国外的组态软件有万维、西门子的WINcc和Citech等。万维（Wonderware）的InTouch软件是最早进入中国的组态软件，在80年代末，基于window3.1的InTouch软件提供了丰富的图库，让人耳目一新，但早期的软件采用DDE方式与驱动程式通信，性能较差，而目前最新的版本早已解决这一问题，并实现了更加强大的功能。WINcc是西门子提出的一套完备的组态开发环境，提供C语言的脚本，包括一个调试环境，内嵌OPC支持，并课对分布式系统进行组态，但WINcc的结构比较复杂。国内也有许多组态软件厂商，比如紫金桥、世纪星、三维力控、组态王等。其中组态王由北京亚控科技发展有限公司开发，1995年推出1.0版本至今，其功能越来越强大，能够满足各种监控需求。

1.3 本章小结

由于传统化石能源的日益枯竭以及国际社会对排放问题的重视，LNG船舶的迅猛发展，世界LNG船舶制造中心也从欧美转移到了亚洲。人们在LNG船舶实际运行过程中发现了许多安全隐患，对LNG船舶的安全监控系统搭建问题的研究亟待深入。国内外普遍利用组态软件（即SCADA系统）对工业工程进行安全监控，同时许多前辈利用组态软件成功地建立了LNG船舶部分模块的安全监控系统。目前的组态软件正在不断地向前发展，不管是国外的西门子WINcc，还是国内的组态王等，都能够实现功能的多元化。鉴于我国LNG船舶主要为柴油/LNG双燃料动力船舶，在前人的基础上，利用组态软件搭建一个LNG船舶的安全监控系统，能够满足系统的各项功能。

第二章 LNG船舶设计规范分析

2.1 LNG船舶设计规范的介绍

随着LNG船舶的迅速发展，中国船级社（CCS）对LNG船舶设计提出了相应的标准规范。中国船级社发布的天然气燃料动力船舶规范（2017）文件对LNG船舶的有着以下要求^[8]：

1. 对燃料舱的监控要求。

（1）每一个燃料舱都应安装液位测量装置。在LNG船舶的运行过程中，液位测量装置应能实时对燃料舱内部的燃料液位进行测量，同时应能在设计压力范围内以及燃料操作温度范围内进行工作。必须满足溢流监控的要求，即设置高液位的报警。