CN111532397B - 一种船舶用能量管理监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶用能量管理监测装置，属于船舶能量管理与电网电力监控领域，包括：主控制板、通讯扩展板、LED显示板、流量传感器、温度传感器及电量传感器；主控制板连接外部电源并为LED显示板提供电源，通过以太网接口接收全船公共网络的数据并将自身采集的能效信息与决策建议结果上传至全船公共网络；通过第一RS485通讯接口与流量传感器连接，通过第一CAN通讯接口与电量传感器连接；与通讯扩展板通过扩展排针连接；通讯扩展板通过第二RS485通讯接口与温度传感器连接，通过第二CAN通讯接口与电量传感器连接。本发明具备全船电量信息、舱室热负荷信息、泵组设备流量压差信息的采集、监测与处理能力，实现全船能效信息的监测。

Description

一种船舶用能量管理监测装置

技术领域

本发明属于船舶能量管理与电网电力监控领域，更具体地，涉及一种船舶用能量管理监测装置。

背景技术

增加连续续航力、降低能源消耗量、提高航行经济型、提升安全性、环境适应性、电磁兼容性、降低振动、噪声与能耗，是船舶、潜器、无人航行器及深海空间站等航行器技术发展永恒的主题，也是其显著的技术特征。由于船舶、潜器、无人航行器及深海空间站等航行器为典型的孤岛型能量***，任一工况变化都伴随着化学能、电能、热能及机械能等相互转化的过程，且单次出航所携带的能源量有限，如何有效控制辅机能耗大户的能源消耗量，将有限的能源资源用于提升航行距离，是亟需解决的问题。

传统的能量管理监测装置或者电网监控装置，一方面仅采集监测全船或者部分重要设备的电量信息，缺乏对舱室热负荷、泵组流量压差、机电转换效率等能效信息的采集与处理，也缺乏依据能效数据提供辅机节能调节建议的能力；另一方面，未针对船舶、潜器、无人航行器、深海空间站等航行器的新型需求开展针对性设计。因此，需要一种功能完备、安全可靠、具备提供节能调节建议能力的船舶用能量管理监测装置，既能实现船舶等航行器电量、热量、效率等能效信息的采集、监测与处理能力，又具备空调、泵组节能调节能力，满足船舶等减振降噪、节能化、环境适应性强与电磁兼容性高的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种船舶用能量管理监测装置，由此解决传统能量管理监测装置或者电网监控装置功能单一且缺乏节能建议决策能力的技术问题，具备全船电量信息、舱室热负荷信息、泵组设备流量压差信息的采集、监测与处理能力，实现全船能效信息的监测。

为实现上述目的，本发明提供了一种船舶用能量管理监测装置，包括：主控制模块、通讯扩展模块、LED显示模块、若干个流量传感器、若干个温度传感器及若干个电量传感器；

所述主控制模块连接外部电源并为所述LED显示模块提供电源，所述主控制模块通过以太网接口接收全船公共网络的数据并将自身采集的能效信息与决策建议结果上传至所述全船公共网络；所述主控制模块通过第一RS485通讯接口与各所述流量传感器连接，通过第一CAN通讯接口与各所述电量传感器连接；所述主控制模块与所述通讯扩展模块通过扩展排针连接；所述通讯扩展模块通过第二RS485通讯接口与各所述温度传感器连接，通过第二CAN通讯接口与各所述电量传感器连接，所述通讯扩展模块中留有备用CAN通讯接口。

优选地，所述主控制模块，用于基于结束工作状态各温度传感器在临近体积范围内的平均温度值、初始工作状态各温度传感器在临近体积范围内的平均温度值及所述临近体积大小得到初始工作状态时间到结束工作状态时间之间的空气热量变化值；然后由所述空气热量变化值计算热负荷值；根据所述热负荷值与空调低档位下的制冷功率之间的关系作出空调调节策略。

优选地，由Q_变化,i＝C·ρ·V_i·(T_末,i-T_初,i)确定第i个温度传感器监测区域范围内的空气热量变化值Q_变化,i，其中，C为空气比热值，ρ为空气密度，V_i表示所述临近体积大小，T_末,i表示结束工作状态时刻第i个温度传感器在临近体积V_i范围内的平均温度值，T_初,i表示初始工作状态时刻第i个温度传感器在临近体积V_i范围内的平均温度值。

优选地，由P_热负荷＝Q_总/t确定第i个温度传感器监测区域范围内的热负荷值P_热负荷，其中，Q_总＝ρ·t+Q_变化,i，t为结束工作时间与初始工作时间之间的时间差。

优选地，所述空调调节策略为：若P_热负荷＞P_低制，则将第i个温度传感器监测区域范围内的空调调节为高档；若0＜P_热负荷≤P_低制，则将第i个温度传感器监测区域范围内的空调调节为低档；若P_热负荷≤0，则关闭第i个温度传感器监测区域范围内的空调，其中，P_低制表示空调低档位下的制冷功率。

优选地，所述主控制模块，还用于根据泵组当前工作状态下的扬程、流量以及泵组输入功率得到泵组机电转换效率，然后判断当前转速与所述机电转换效率是否满足预设设计值要求，若不满足，则查询预设决策库，给出决策信息。

优选地，由

确定泵组机电转换效率η_机电，其中，ρ为流体密度，g为重力加速度，H为泵组当前工作状态下的扬程，Q为布置于泵组处的流量传感器获取的流量，p为泵组输入功率。

优选地，所述装置外壳采用铸铁钣金加工工艺，外部连接器采用航空插头形式，采用不锈钢钝化材质，加装弹簧减振器，且双边均使用螺纹紧固，加弹簧垫片锁死以免振动松脱。

优选地，所述LED显示模块包括若干个双色LED灯珠，通过各灯珠不同颜色的显示组合实现人机交互。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的船舶用能量管理监测装置具备完备的能效信息(至少包含舱室用电设备电量信息、舱室热负荷信息、泵组及风机等传动设备的流量、压差以及转速信息)的采集、汇总与传输能力；

2)本发明的装置通过计算舱室热负荷数据并提供空调调节建议，有效杜绝人为因素导致的空调能源浪费，提升连续航行能力；

3)本发明的装置通过计算与评估泵组机电转换效率并提供调节建议，使得泵组设备运行于合适的工况点，提升效率，降低能耗；

4)本发明的装置具有强电磁兼容性、抗冲击振动等优良特性，适用于船舶等恶劣环境工况使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种船舶用能量管理监测装置的组成与接线图；

图2是本发明实施例提供的一种舱室热负荷计算与空调决策流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种泵组效率计算、评估与决策流程示意图；

其中，1为主控制模块，2为通讯扩展模块，3为LED显示模块，4为流量传感器，5为温度传感器，6为电量传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明的一种船舶用能量管理监测装置，可实现船舶等航行器各舱室内用电设备电量信息，舱室温度信息，泵组、风机等传动设备的流量、压差以及转速信息的采集、汇总与传输；可实现舱室热负荷计算并提供空调调节建议；可实现泵组机电转换效率计算与评估并提供调节建议；具有低噪声、低能耗、强电磁兼容性、高可靠性、高安全性及抗冲击振动等特性，适用于船舶等恶劣环境工况使用，符合船舶等节能、降噪要求；通过计算热负荷与泵组机电转换效率，并对船舶重点能耗辅机(空调、泵组)提供调节建议，有效降低辅机能耗，节省船舶能源，提高航行距离。适用于船舶、潜器、无人航行器、深海空间站的能量管理与电力监控。

如图1所示是本发明实施例提供的一种船舶用能量管理监测装置的结构示意图，包括：主控制模块1、通讯扩展模块2、LED显示模块3、若干个流量传感器4、若干个温度传感器5及若干个电量传感器6等组成。

如图1所示，主控制模块1连接外部24V电源并为LED显示模块3提供24V电源，以控制LED指示灯实现人机交互显示，主控制模块1通过以太网接口接收全船公共网络的数据(主要包括其他设备上传至全船公共网络的电量信息、泵组的压差、扬程及转速信息等)并将自身采集的能效信息与决策建议结果上传至全船公共网络；

主控制模块1本身具备第一RS485接口以及第一CAN总线接口用以连接流量传感器4以及电量传感器6等具备通讯能力的传感器；主控制模块1通过扩展排针与通讯扩展模块2连接用以扩展RS485以及CAN通讯接口，且通讯扩展模块2包括两个扩展的CAN通讯接口与一个RS485接口用于扩展主控制模块的通讯接口，进而通过扩展的第二RS485接口与温度传感器5连接，通过扩展的第二CAN接口与电量传感器6连接，且留有备用的CAN通讯接口。

其中，LED显示模块包括若干个双色LED灯珠，通过各灯珠不同颜色的显示组合实现人机交互。

在本发明实施例中，上述装置外壳采用铸铁钣金加工工艺，其具有外形美观、结构强度及加工精度高的特点；外部连接器采用航空插头形式，紧固方式操作简便，连接可靠，抗振耐冲，采用不锈钢钝化材质，提高接口耐盐雾能力；加装弹簧减振器，且双边均使用螺纹紧固，加弹簧垫片锁死以免振动松脱。具有抗冲击振动、低噪声的特性，适用于船舶等恶劣环境工况使用。

如图2所示是本发明实施例提供的一种由主控制模块1对舱室热负荷计算与空调决策方法流程示意图，包括以下步骤：

1)温度传感器设置：在船舶舱室中均匀布置若干个温度传感器，用于测量温度传感器临近体积V_i范围内的平均温度值；

2)获取空调基础性能值：获取空调高档位下的所消耗电功率P_高，低档位下的所消耗电功率P_低以及空调高档位下的制冷功率P_高制，空调低档位下的制冷功率P_低制；

3)获取初始工作状态信息：获取空调初始工作状态制冷功率p以及初始工作状态各温度传感器在临近体积V_i范围内的平均温度值T_初,i，其中，i表示第i个温度传感器；

4)获取结束工作状态信息：获取结束工作状态各温度传感器在临近体积V_i范围内的平均温度值T_末,i，计算时间段内空气热量变化值Q_变化,i＝C·ρ·V_i·(T_末,i-T_初,i)，其中，C为空气比热值，ρ为空气密度，并将结束工作状态温度传感器的数据值作为下一周期的初始工作状态温度传感器的数据值；

5)计算热负荷值P_热负荷＝Q_总/t，其中，Q_总＝ρ·t+Q_变化,i，t为结束工作时间与初始工作时间之间的时间差；

6)给出调节建议：调高、调低或者关闭空调。

其中，调节建议的获取条件为：若P_热负荷＞P_低制，则空调调节为高档；若0＜P_热负荷≤P_低制，则空调调节为低档；若P_热负荷≤0，则关闭空调。

如图3所示是本发明实施例提供的一种由主控制模块对泵组效率计算、评估与决策流程示意图，包括如下计算与评估泵组机电转换效率并提供调节建议的步骤：

1)流量、转速传感器设置：在所需测量与评估泵组处布置流量传感器和转速传感器，其中，转速传感器的数据通过泵组自身所属的启动器上传至全船公共网络，能量管理监测装置通过通过全船公共网络获取相应数据；

2)获取泵组当前工作状态能效信息：获取泵组当前工作状态下，扬程H(通过全船公共网络获取)、流量Q、转速n以及泵组输入功率p数据；

3)计算机电转换效率

其中ρ为流体密度，g为重力加速度；

4)给出调节建议：判断当前转速与机电转换效率是否满足预设设计值要求，若不满足，查询预设决策库，给出决策信息。

其中，预设设计值要求可以根据实际需要确定，预设决策库为预先制定的根据转速及机电转换效率，确定决策信息的数据库。

本发明的一种新型能量管理监测装置能够依据自身采集、处理获得的能效数据，提供辅机能耗大户节能调节建议，从而降低全船辅机能耗量，提升航行距离，提高经济效益。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船舶用能量管理监测装置，其特征在于，包括：主控制模块、通讯扩展模块、LED显示模块、若干个流量传感器、若干个温度传感器及若干个电量传感器；

所述主控制模块连接外部电源并为所述LED显示模块提供电源，所述主控制模块通过以太网接口接收全船公共网络的数据并将自身采集的能效信息与决策建议结果上传至所述全船公共网络；所述主控制模块通过第一RS485通讯接口与各所述流量传感器连接，通过第一CAN通讯接口与各所述电量传感器连接；所述主控制模块与所述通讯扩展模块通过扩展排针连接；所述通讯扩展模块通过第二RS485通讯接口与各所述温度传感器连接，通过第二CAN通讯接口与各所述电量传感器连接，所述通讯扩展模块中留有备用CAN通讯接口；

所述主控制模块，用于基于结束工作状态各温度传感器在临近体积范围内的平均温度值、初始工作状态各温度传感器在临近体积范围内的平均温度值及所述临近体积大小得到初始工作状态时间到结束工作状态时间之间的空气热量变化值；然后由所述空气热量变化值计算热负荷值；根据所述热负荷值与空调低档位下的制冷功率之间的关系作出空调调节策略；

其中，由Q_变化,i＝C·ρ·V_i·(T_末,i-T_初,i)确定第i个温度传感器监测区域范围内的空气热量变化值Q_变化,i，其中，C为空气比热值，ρ为空气密度，V_i表示所述临近体积大小，T_末,i表示结束工作状态时刻第i个温度传感器在临近体积V_i范围内的平均温度值，T_初,i表示初始工作状态时刻第i个温度传感器在临近体积V_i范围内的平均温度值；

由P_热负荷＝Q_总/t确定第i个温度传感器监测区域范围内的热负荷值P_热负荷，其中，Q_总＝p'·t+Q_变化,i，t为结束工作时间与初始工作时间之间的时间差，p'为当前计算周期空调的制冷功率；

所述空调调节策略为：若P_热负荷＞P_低制，则将第i个温度传感器监测区域范围内的空调调节为高档；若0＜P_热负荷≤P_低制，则将第i个温度传感器监测区域范围内的空调调节为低档；若P_热负荷≤0，则关闭第i个温度传感器监测区域范围内的空调，其中，P_低制表示空调低档位下的制冷功率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控制模块，还用于根据泵组当前工作状态下的扬程、流量以及泵组输入功率得到泵组机电转换效率，然后判断当前转速与所述机电转换效率是否满足预设设计值要求，若不满足，则查询预设决策库，给出决策信息。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，由

确定泵组机电转换效率η_机电，其中，ρ'为流体密度，g为重力加速度，H为泵组当前工作状态下的扬程，Q为布置于泵组处的流量传感器获取的流量，p为泵组输入功率。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置外壳采用铸铁钣金加工工艺，外部连接器采用航空插头形式，采用不锈钢钝化材质，加装弹簧减振器，且双边均使用螺纹紧固，加弹簧垫片锁死以免振动松脱。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述LED显示模块包括若干个双色LED灯珠，通过各灯珠不同颜色的显示组合实现人机交互。

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