（控制理论与控制工程专业论文）船舶主机遥控系统的研究与设计.pdf

浙江人学硕+ 学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 摘要 近年来，中国造船业处于快速成长阶段，但设计能力落后、配套产业发展滞 后、大量电子设备和核心装备依赖进口，一直是制约行业发展的主要瓶颈。主机 遥控系统是船舶自动化系统的核心，而国内船舶主机控制系统大部分以模拟量组 合单元仪表为主，这类控制系统所需要的仪表控制器件数量多，大部分采用手动 操作，数据显示精度低且控制困难，还有很多控制系统采用气动控制方式，因此 无法实现控制系统的故障监测诊断。针对国内主机遥控系统的现状，本文设计了 一套数字化船舶主机遥控系统，提出了遥控系统的整体设计方案。该方案采用网 络化控制技术，将控制系统分为现场级、集控室级和驾驶室级三层结构，实现对 船舶主机的本地控制和远程监控，解决了以往的控制系统无法实现远程遥控的弊 端。三层控制网络之间利用冗余以太网进行通信，保证了数据通信的可靠性和实 时性。专门设计了一套独立的安全保护系统，可以实现在主机遥控系统遇到故障 无法j 下常运行的时候利用该安全保护系统完成对主机的紧急控制。 该主机遥控系统采用模块化设计思想，分别设计了动力系统控制模块和监测 传输模块，其中动力系统控制模块主要完成柴油机转速采样、转速误差及调速运 算，齿轮箱输出控制，p w m 输出，对输入输出信号进行阻抗变换以及柴油机超速 保护等功能。监测传输模块主要完成控制系统工作模式采集、实时监测与记录柴 油机控制系统运行参数，绘制重要参数实时曲线，故障信息显示功能的实现。模 块之间通过双端口r a m 实现内部信息的交换。本文还设计了多种参数数据库，可 以满足多种型号主机的控制需求，增加了控制系统的通用性。最后，本文选用塑 料封装作为控制器的抗腐蚀涂层，并且提出了包括电路方面，结构方面的抗电磁 干扰的措施。 本文设计的主机遥控系统实现了针对船舶主机的数字化监控功能，达到了海 上环境以及机舱现场对控制系统防腐蚀、抗电磁干扰能力的特殊要求。解决了当 前主机遥控系统大部分以模拟量组合单元仪表为主带来的弊端。 关键词：主机遥控动力控制监测传输冗余以太网模块化 浙江人学硕十学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s h i p b u i l d i n gi n d u s t r yh a sb e e ni n c r e a s i n gr a b i d l yi nc h i n a ，b u t m o s to ft h ee l e c t r o n i c a lf a c i l i t ya n dh a r d c o r ee q u i p m e n t sd e p e n do ni m p o r t a t i o n c o n t r o ls y s t e mo fm a r i n em a i ne n g i n ei st h ek e r n e lo fs h i p - a u t o m a t i o ns y s t e m ，b u t m o s to ft h ed o m e s t i cc o n t r o ls y s t e mo fm a r i n em a i ne n g i n ei sm a d eu po f a n a l o g i n s t r u m e n t sw h i c ha r em a n u a l l ym a n i p u l a t e da n dh a v es h o r tp r e c i s i o n i no r d e rt o s o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r dt h ed e s i g ni d e aa b o u tr e m o t ec o n t r o l s y s t e mo fm a r i n em a i ne n g i n e t h i sc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sd e v i c el e v e l ，c e n t r a l c o n t r o lr o o ma n db r i d g el e v e l t h et h r e el e v e l sr e s p e c t i v e l yr e a l i z e dl o c a lc o n t r o la n d r e m o t ec o n t r 0 1 e t h e r n e ti su s e dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m t h i sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o rd i e s e le n g i n ew a sd e s i g n e dw i t hm o d u l a r i z e d i d e a ，p o w e ra c t u a t e dm o d u l ea n dm o n i t o r i n gm o d u l ea r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y p o w e r a c t u a t e dm o d u l ef u l f i l l sr o t a t i o n a ls p e e ds a m p l i n g ，g e a r b o x o u t p u tc o n t r o l ，p w m o u t p u t ，s i g n a li m p e d a n c ec o n v e r s i o n ，a n do v e r s p e e dp r o t e c t i o ne t c m o n i t o r i n g m o d u l ef u l f i l l sw o r kp a t t e r ns a m p l i n g , r e a lt i m em o n i t o r i n g , e u t v ep l o t t i n g ，f a i l u r e m e s s a g ed i s p l a y i n ge t c d p r a mw a su s e dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e t w om o d u l e s i no r d e rt ob o o s tt h ec o m m o n a l i t yo ft h i sc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e r d e s i g n e dm u l t i p l ep a r a m e t e rd a t a b a s et of i tf o rt h r e et y p e so fd i e s e le n g i n e a d d i t i o n a l l yu s ep l a s t i cc a p s u l a t i o nt ok e e pt h ec o n t r o l l e rf r o ms a l ts p r a yc o r r o s i o n ， b r i n gf o r w a r de m is o l u t i o n s t h i sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o rd i e s e le n 昏n er e a l i z e dd i g i t a lm o n i t o r i n ga n d c o n t r o lf u n c t i o n ，r e a c h e dt h er e q u i r e m e n tf o ru s i n gi nm a r i t i m ee n v i r o n m e n t ，s o l v e d t h ed i s a d v a n t a g eo f c u r r e n t l yu s e dc o n t r o ls y s t e m sw h i c h a r em a d eu po fa n a l o g i n s t r u m e n t s k e y w o r d s ：r e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，p o w e rc o n t r o l , s u p e r v i s o r yc o n t r o l ，r e d u n d a n c ye t h e r n e t ， m o d u l a r i z a t i o n 浙江人学硕士学位论文船舶土机遥控系统的研究与设计 第1 章绪论 1 1 船舶主机遥控系统发展概况 二次世界大战以来，船舶自动化技术经历了由轮机当班人员在机旁依驾驶台 指令操作的本地控制( l o c a lc o n t r 0 1 ) ，采用机舱集控室的集中控制( c e n t r a l i z e d c o n t r 0 1 ) ，机舱无人值班船舶( u n m a n n e dm a c h i n e r ys p a c e ) ，到属于全自动化( f u l l a u t o m a t i o n ) 以节能为中心的所谓“未来船”( s h i po f t h ef u t u r e ) 的发展过程。 也就是在这个发展形势下，主机遥控系统应运而生。因为世界主要造船国家船级 社已经把主机遥控系统作为“无人机舱规范中不可缺少的部分。 主机遥控系统是指远离机旁，在驾驶室或集控室借助自动控制装置，操纵主 机的一种遥控装置。他最大的特点是不需要经过专门技术培训的操作员来操纵主 机，对主机毫无了解的任何人也可在驾驶室或集控室使用车钟手柄操纵主机，因 为主机遥控系统中的自动控制装置保证了主机的绝对安全可靠，可以避免人为地 操作差错，而且能减轻劳动强度，改善工作条件。因此，船舶主机遥控系统是船 舶轮机自动化的重要组成部分i 蚴。 随着船舶自动化水平的不断提高，现代船舶向巨型化、高速化和专业化方向 发展，柴油主机遥控技术发展也很快，到今天，大致经过了四代的发展过程。用 气动元件组装而成的第一代柴油主机遥控系统；用电子分立元件或继电器气动元 件组装而成的第二代柴油主机遥控系统；用中小规模电子集成电路及气动元件组 装而成的第三代柴油主机遥控系统；用微型计算机( 包括可编程序控制器) 以及 气动执行元件组装而成的第四代柴油主机遥控系统l 引。 在一些小型柴油机船舶上，由于船小，遥控距离短等有利条件，故早己广泛 采用了主机驾驶台遥控，即“驾机合一。对于大、中型船舶，柴油主机遥控系 统是在六十年代初期发展起来的。六十年代初期，船舶自动化发展到集中监视阶 段，就是在机舱中设置集中控制室，值班人员在集中控制室或控制站对主、辅机 以及其他设备进行集中监视和控制，这就要求柴油主机必须能在这些场所中遥 控。六十年代中期，发展了“无人机舱船舶，它要求主机能在驾驶台遥控，因 此出现了功能较全的主机遥控系统，而且采用的控制手段，从有触点控制逐步转 1 浙江人学硕士学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 向无触点控制，从分立元件转向集成电路。 近几年下水的船舶主机遥控系统几乎全部采用微机控制，它的主要特点是采 用微型计算机用软件编程的方法，代替了常规硬件电路的逻辑和数字运算功能。 而目前设计采用微机控制的遥控系统主要有两种方案：一种是采用专用或通用工 业控制微机，如西门子d i f a 系列微机主机遥控系统，挪康的a u t o c h i e f 系列微 机主机遥控系统，国内有交通部上海船舶运输科学研究所研制的c y 8 8 0 0 型微机 主机遥控。另外一种是采用可编程序控制器，如西门子s i m o sr c s 5 1 型号p l c 柴油主机遥控系统1 4 - 5 1 。国内还没有推广应用的采用专用或通用工业控制微机遥 控系统正式成熟的产品。因此，利用专用或通用工业控制微机为控制核心开发中、 低速主机遥控系统，具有广阔的市场应用前景。 1 2 船舶主机遥控技术的分析与研究 1 2 1 主机遥控系统的组成 主机遥控系统是由遥控操纵台、遥控装置、测速装置、安全保护装置，以及 包括遥控执行机构与主机操纵系统在内的五大部分组成。当主机驾驶台或集控室 遥控时，由工作人员通过操纵车钟手柄，由发讯装置送出设定信号至遥控装置， 信号在遥控装置中经过运算、放大或信号变换后送出控制信号到遥控执行机构与 主机操纵系统，从而进一步控制主机的运行。在主机输出轴端装有转速传感器， 用以检测主机的实际转速，将转速信号送至遥控装置中，作为控制所需的主机实 际转速。再由遥控装置把转速信号送至驾驶室与集控室的显示屏上。 遥控操纵台：遥控操纵台包括驾驶操纵台和集中控制室操纵台两部分。操作 台上装有直接操纵主机的车钟和指示操作面板。操作台车钟不仅可以像普通车钟 一样传递车令，而且车钟手柄可以带动与其相连的车令发讯装置电位器滑动触 点。从而发出代表转速和方向指令的电压信号。发讯装置发出的信号送入可编程 程序控制器，经车令识别和逻辑处理后，由可编程程序控制器输出口输出控制命 令，如正车、倒车、停车和转速的设定。显示屏向人们提供遥控系统执行命令的 情况、各种参数和状态信号的显示、报警指示、车钟记录以及辅车钟信号的联系。 紧急操纵按钮用于发出应急停车、应急运行及越控等命令。操纵部位转换开关用 2 浙江人学硕+ 学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 于驾驶室与集中控制室之间的遥控部位选择1 6 - 8 1 。 遥控装置：遥控装置是整个遥控系统的核心，它根据遥控操纵台给出的指令， 测速装置提供的主机转速的大小和方向，位置检测器提供的凸轮轴位置信号，完 成对主机的起动、换向、制动、停油等逻辑程序控制以及转速与负荷控制功能。 测速装置：测速装置用来检测主机的转速、转向，为遥控装置提供主机的运 行状态。不论遥控系统中的逻辑程序控制，还是转速与负荷控制，都离不开转速、 转向信号，否则遥控系统将失灵或误动作。同时，此信号还送往转速表，指示主 机的转速大小和转动方向。 遥控执行机构与主机操纵系统：遥控执行机构与主机操纵系统用来执行遥控 装置发出的起动、换向、制动、调整等控制命令。在遥控系统失灵时，可通过机 旁操纵装置来应急操纵主机的运行。 安全保护装置：安全保护装置用来监视主机运行中的一些重要参数，一旦某 个重要参数发生严重越限，自动控制主机减速运行，或者使主机停车，以保障主 机安全。安全保护装置是一个不依赖于遥控装置而相对独立的系统，它不会因为 遥控装置出现故障而失去效能i 引。 1 2 2 主机遥控系统的主要功能 尽管主机遥控系统种类繁多，结构复杂，但设计这些系统的目的都是为了实 现控制主机应具备的各种功能，而各种主机遥控系统的这些功能是类似的。主机 遥控系统的主要功能包括主机遥控系统的起动控制功能、换向与制动控制功能、 转速与负荷的控制与限制以及主机遥控系统中的其他限制l 埘。 ( 1 ) 主机遥控系统的起动控制功能： 起动控制功能是主机遥控的基本控制功能。当有开车指令时，先检查是否满 足起动的逻辑条件，只有所有的起动逻辑条件均得到满足后，输出起动信号对主 机进行起动。它包括正常起动控制、重复起动和慢转起动。柴油机起动对控制电 路的要求如下： 1 、发出起动指令。 2 、换向结束，即凸轮轴位置与车令一致。 3 、盘车机必须脱开。 3 浙江人学硕士学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 4 、开始起动时，油门必须关闭。 5 、柴油主机的转速必须低于正常起动转速。 6 、无三次起动失败，或者说在允许的起动时间内。 7 、柴油机转向正确，即柴油机运转方向与车令一致。 8 、起动空气压力足够。 重复起动：车钟手柄扳到起动位置后，由于某种原因，可能使主机第一次起 动不成功，这时系统应能自动地进行多次起动。在三次或四次起动失败以后，系 统就不允许自动再起动，而且发出报警信号。待查明原因或排除故障后，方可重 新起动【1 。 慢转起动：如果主机停车时间较长，一般达3 0 r a i n 左右，则在下次第一次起 动主机时，应首先以低速使主机旋转一圈，然后转入正常起动。目的是对机器进 行预润滑和故障检测。在应急操纵情况下，可以取消慢转控制1 1 2 l 。 ( 2 ) 换向与制动控制功能 换向控制功能：当有开车指令时，根据车令和凸轮轴实际位置，首先要判断 是否需要换向操作，如果需要，就会自动输出一个换向信号，对主机进行换向。 换向完成后，自动取消换向信号，并为后续逻辑动作提供换向完成信号1 1 3 l 。换 向的逻辑条件如下： 1 、车令与凸轮轴位置不一致。 2 、关闭油门。 3 、主机转速必须下降到允许换向转速，或下降到应急换向转速。 4 、在双凸轮换向主机中，需要把进排气阀的项杆抬起。 制动控制功能：主机的制动方式有两种，能耗制动和强制制动。能耗制动是 指主机在运行中完成应急换向后，在主机高于发火转速情况下所进行的一种制 动。因此，能耗制动常常是在应急操纵情况下进行的。能耗制动的功能是，保持 主起动阀处于关闭状态，让空气分配器投入工作，这时空气分配器是指挥在压缩 冲程那个气缸的气缸起动阀打开，柴油机相当于一台压气机，消耗柴油机运动部 件的惯性能，使主机能较快地降速【1 4 1 。能耗制动的逻辑条件是： 1 、车令与转向不一致。 2 、换向已完成。 4 浙江大学硕士学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 3 、主机已经停油减速。 4 、主机转速高于发火转速。 5 、有应急操纵指令。 强制制动在低转速范围内，使主机尽快停下来是很有效的，它有三点不同于 能耗制动：对于所有主机，只要在运行中完成换向后，都能进行强制制动，而不 必有应急操纵指令；只有主机低于发火转速时才能进行强制制动；空气分配器与 主起动阀均投入工作，气缸在压缩冲程进起动空气，强迫主机停止运行。它的逻 辑条件： 1 、车令与转向不一致。 2 、换向己完成。 3 、满足停油条件。 4 、主机转速低于发火转速。 ( 3 ) 转速与负荷的控制与限制 主机转速控制是由调速回路实现的。转速指令由车钟手柄发出，经转速设定 阀与车钟手柄对应的转速设定气压信号，然后经过处理环节将信号送至调速器， 由调速器带动油门总杆调节主机的供油量，实现主机转速控制。调速回路是一个 综合性回路，它包括起动时的起动设定转速控制，加速时的转速程序控制，加速 结束后的转速定值控制，以及转速和负荷限制等1 1 5 】。 电子调速器主要是由p i 调节器组成，因其输入、输出都是电压信号，所以电 子调速器输入部分的设定值发送器、设定值限速器以及加速限制器等均用电路来 实现，而其输出则必须通过执行器去控制主机的供油量。图1 1 为电子调速系统 框图。 图1 1 船舶电子调速系统框图 转速限制是为了防止主机在加速过程中超负荷而设置的。在加速时，车钟手 柄可能从低速档立即扳到高速档，其转速设定值近似阶跃增大。如果把该信号直 5 浙江人学硕+ 学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 接送至调速器的输入端，则在调速器的p l 控制作用下必有一个阶跃的输出，主机 转速会很快增加，这在正常操纵情况下是不允许的。为此，在转速发讯器的输出 与调速器输入之间，要设置各种转速限制环节。 1 、加速速率限制：加速速率限制是指在低负荷区加速时，对主机转速增加 速率的限制。驾驶员操纵车钟手柄的快慢是因人而异的，对这种车钟指令信号可 以看成是由阶跃信号、斜坡信号、抛物线信号合成的复杂信号。从稳态误差考虑， 抛物线信号会使稳态误差为8 ，因此是不可取的；阶跃信号虽能使稳态误差为o ， 但是从主机的热负荷考虑也是不可取的；只有斜坡信号才能同时满足稳态误差以 及主机热负荷的要求，所以要在主机遥控系统中增设一个加速度限制器，把车钟 指令信号变成斜坡信号，根据主机不同的工况和不同热负荷要求用不同的速率发 送i 阚。图1 2 为主机加速限制曲线。 0 图1 2 主机速率控制特性曲线 2 、临界转速限制：当主机长时间在临界转速下运行，将因共振而导致曲轴 或其它轴系的损坏，这是不允许的，在自动遥控中应该要自动避开临界转速区。 避开临界转速区的方法主要有三种：一是避上限，转速设定在临界转速区时，遥 控系统能自动使主机在临界转速的下限值运行：二是避下限，转速设定在临界转 速区时，遥控系统能自动使主机在临界转速的上限值运行；三是避上、下限，加 速时避下限，减速时避上限1 1 7 j 。如图1 3 所示就是主机转速运行的临界值。 6 浙江人学硕士学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 n 卜限位 下限值 区 图1 3 主机运行的临界值 3 、负荷限制：当主机转速达到额定转速的7 0 以上时，它己进入高负荷区， 此后的加速过程必须严格加以限制。在该区内保持加速速率限制的加速尚嫌过 快，故必须设置一个特殊的时间程序，使之慢慢加速。 负荷限制是对主机的供油量进行限制，主机在起动过程中，加速过程中以及 定速后的转速自动控制过程中，一般的遥控系统都设置了一系列的油量限制，具 体内容包括以下几个方面。 转矩的限制：主机转轴所承受的转矩的大小是由喷油量决定的，但实际上 还和转速有关。因为在喷油量不是很大但转速较小的时候，转矩值可能会很大。 因此，转矩限制是由转速限制油量的方法来实现，即不同的转速对应不同的油量 限制值。 增压空气压力限制：主机从低速开始加速时，油量会突然增加很多，而此 刻增压空气压力尚未开始增加，这样就产生了油多气少的现象，引起燃烧不良。 因此，遥控系统需要设置增压空气压力限制环节，使加速时喷油量随增压空气压 力的提高而按比例地增加。 螺旋桨特性限制：主机与螺旋桨的配合是按螺旋桨特性工作的，即功率与 转速成三次方关系，转矩与转速成平方关系。遥控系统需按螺旋桨的特性来限制 主机的供油量，使主机的运行更加安全可靠。 最大油量的限制：若主机在很大的供油量下运转，会对主机安全有效地运 行带来一系列的不良后果。因此，遥控系统设置了最大油量限制环节。 1 2 3 主机遥控系统中的其他限制 在转速限制中，除了加速速率限制、程序负荷、临界转速的自动回避外，还 有其它的一些限制功能，如轮机长最大转速限制、倒车最大转速限制、故障降速 7， 浙江人学硕+ 学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 的转速限制及最稳定转速限制等。 轮机长最大转速限制是指轮机长限制船舶在海上定速航行时主机最大转速。 一般主机应在额定转速下运行，但由于长期使用主机，使其某些性能有所下降， 或主机有些小故障不能及时加以排除时，主机是不能在额定转速上运行，只能在 低于额定转速下运行。轮机长限定最大转速后，主机在运行时就不会超过这个限 制转速。尽管车令可设定更高的转速，但主机实际只能在这个限定的转速上运行。 当有应急操纵指令时，将自动取消轮机长的最大转速限制，主机转速可进一步提 高。 倒车最大转速限制是防止因倒车车令设定转速值太大而使倒车转速太高的 限制，因为主机倒车性能不如正车，如果倒车要在额定转速上运行，肯定会大大 超负荷，所以倒车的最大转速要加以限制。 故障降速转速限制是指当主机发生某些故障时，主机降速到所允许的低转速 值。在有应急操纵指令时，将取消故障降速功能，不允许主机降速。 最低稳定转速限制是指当车钟手柄设定的转速在最低稳定转速以下时，能保 证主机在最低稳定转速上运行，防止主机运行不稳定，甚至停车。 1 3 国外现有船舶自动控制系统产品 目前，德国西门子公司、s a m 公司以及荷兰的博瑞斯公司等国际著名的船 电产品制造商已有较成熟的技术和相应的配套产品，并己实际应用于各类船舶。 最新的船舶自动化设备技术的发展趋势是将程序控制分为小型的智能单位，就地 操纵。 1 3 1 s i m o si m a c5 5 德国西门子公司的s i m o si m a c5 5 采用分散的、开放式的现场总线控制方 式。允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、 p l c 及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。可靠 性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低。图1 4 为s i m o s i m a c 5 5 系统的结构框图，从图中我们可以看到，船舶的驾控系统、集控室系统 以及机舱系统以通讯线分散接人系统，实现基于计算机控制的交互式的船用操作 8 浙江人学硕十学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 系统。 图1 4s i m o s i m a c 5 5 系统结构图 s i m o si m a c 5 5 系统中使用西门子p l c 家族中的新产品s i m a t i c s 7 系列 p l c 具有丰富的通讯功能。s 7 系列可以连接p r o f i b u s 等现场总线等系统，并可 用简单的双绞线形式连接计算机等，构成分控制系统。同时，采用了w i n d o w s n t 作为其操作系统。该操作系统提供了高分辨率的图形运行环境，可以用鼠标器、 键盘等进行操作。i m a c 系统充分利用了w i n d o w s 的友好的用户界面的优势，可 以在屏幕上同时显示多个窗口，这样操作者可以同时观看多个相关信息。 具有开放式的监测报警和故障诊断系统，用于控制和监测无人机舱管理中所 有重要的方面，如监测和报警、动力管理、燃油系统、压舱系统等的泵和阀的控 制，燃油消耗记录，舱内液面监测和油、水量计算，货物控制和监测，安全功能 及保养功能。s i m o si m a c5 5 有整列的接口，可使资料与其它电脑或控制系统 交换。卫星通信系统通过卫星联网，具有多路终端的能力，可改进船舶管理l 搏1 9 】。 1 3 2 m c s2 2 0 0 德国s a m 电子公司的m c s2 2 0 0 就是一种包括：报警系统，视频监控系统， 推进力控制系统，动力管理系统，冷藏舱监控系统，船体稳定控制系统于一体的 全船综合控制系统。其结构如图1 5 所示。 9 稚埘1j i 机遥控系统的州歹! j 设计 倒1 5m c s2 2 0 0 糸缆结缃【冬| 远程智能：i 二作立 l i i 两条兀余通信网络连接，j 7 7 7 i f i 动力管理系统。系统可以扩展的功能柯航1 z - - jj 。i 2 ，挥系统、远柞诊断 功能、- 7 。展从站俐。 1 3 3 m e g a g u a r d 总部位于倚兰的博瑞斯公司l ( j m e g a g u a r d 系统整体控制结构。| l 集成了以下 系统：综合导航系统l n s ；报警 湓控系统：货油盼控系统；冷减监控系统：i u 站 管理系统；丰机遥控系统；动态定i 咿系统；操纵控制系统。咳系统整体结构! i | | 卜- 图1 6 所示。 1 0 图1 6m e g a g a r d 系统整体结构 “ 从上面的体系结构图中，可以看到整个m e g a g u a r d 船舶自动化和综合导航 系统分为四个层次： ( 1 ) 驾驶室层：包括综合导航系统和动态定位系统。 ( 2 ) 舱室层：主要由位于各个舱室，例如：餐厅、健身房、轮机长房、大 管轮房、二管轮房、三管轮房等的延伸报警面板组成。 ( 3 ) 集控室层：包括机械监控系统、主机遥控系统、货油监控系统和冷藏 监控系统。 ( 4 ) 机舱层：包括机舱、货油舱、冷藏集装箱和主配电板。主要由电站管 理系统组成。 m e g a g u a r d 主机遥控系统可以在驾驶室实现对主机、离合器或变速箱、固 定或可调距 主机安全保 装。主机遥 螺旋桨的控制。主机遥控系统符合船级社规范，包括机旁控制、车钟、 护和转速或桨距显示功能。操作面板分别在驾驶室、集控室和机旁安 控系统接收来自驾驶室或集控室的组合操纵系统或车钟手柄的命令， 激活启动、停车、换向机构，并给出推力设定。m e ； 括频率控制的电子驱动装置，以驱动电力推进马达， 1 1 g a g u a r d 主机遥控系统还包 在6 9 0 v 时，最高可以到 浙江人学硕士学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 1 2 0 0 0 k w i “1 。 由于计算机与通信技术同益成熟，在驾驶、机舱管理和装货等方面实现了全 盘计算机控制，船舶自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发展 极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，而船舶自动化技术正朝着数字化、智能 化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这也是2 1 世纪国际船舶自动化技 术发展总趋势。 1 4 国内主机遥控系统发展趋势 根据目前国内主机调速方式的不同，主机遥控装置的种类也不尽相同，但大 致分为两类： ( 1 ) 可逆转大功率低速柴油机的驾驶室遥控控制。此种可逆转柴油机一般 应用于中大型船舶当中，在小型船舶当中一般应用较少，典型的有安阳机床电器 厂于8 1 年与上海船舶设计院联合研制开发生产的z q 1 型，配6 l 3 5 型船用主 机的气电遥控装置。 ( 2 ) 对不可逆转柴油机与齿轮箱( 离合器) 组成的主机组推进装置的遥控 控制。目前此种控制方式在中小型船舶当中应用较为广泛，根据不可逆转柴油机 及换向齿轮箱的特性，我国又自行研制开发了多种控制类型的主机遥控装置，根 据目前国内主机遥控装置的使用情况大致分为以下几种：气电混合控制式；气动 逻辑控制式；机械控制式；全电控控制式；电液控制式；气液控制式。根据齿轮 箱换向控制方式的差异可分为：电控换向型；气控换向型；机械控制换向型；液 压控制换向型等。根据船用主机遥控装置控制水平的高低又分为：无级调速型； 有级调速型。 船用主机遥控装置作为船舶机舱自动化的一门新型控制技术，它已应用于各 种类型船舶的控制当中，其社会效益、经济效益已日益明显。我国作为一个造船 大国，特别在中小型船舶制造方面在国际上处于领先地位，主机遥控装置的发展 及技术改进已显得相当重要。在今后的发展过程中更重要的是提高使用可靠性， 这就要求我们一边要接收国际上先进的控制方式、一边要选用更加先进可靠的元 器件。 气电混合控制的遥控装置将被更加广泛地应用。气电混合控制遥控装置，结 1 2 浙江人学硕十学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 合了气动控制技术与电控技术之优点，已在国际上被广泛应用，气动控制技术由 于压缩空气的滞后特性，把它作为驾驶室遥控的调速指令信号，再返回到机舱去 控制主机调速器，将严重被船舱与驾驶室之问的距离所制约，如果两者相距较大 那么气控调速的灵敏度将降低。为此一种由驾驶室发出调速换向电信号指令，到 机舱变为气动控制执行，此种控制技术将不受船舱与驾驶室距离的限制，压缩空 气也无需延伸到驾驶室。 船舶机舱自动化的核心内容是高度的电气自动化和微型计算机的应用，以低 能耗、少污染为特色的气电混合控制系统已作为我国船舶机舱自动化的一个重要 趋势。 1 5 课题的提出 1 5 1 课题意义 近十年我国造船业在全球市场上所占的比重正在明显上升，中国已经成为全 球重要的造船中心之一。全国规模以上8 0 6 家船舶工业企业完成工业总产值已经 突破千亿，年增长率超过3 0 。在“十一五”期间中国造船业将对韩、日的领 先地位形成有力地的挑战。但设计能力落后、配套产业发展滞后、大量电子设备 和核心装备依赖进口，将是制约行业发展的主要瓶颈。随着钢铁等原材料价格的 上涨，我国造船业现行的这种“只造船壳子，进口其它设备的经营模式，造成 产业附加值过低，对行业发展不利。因此，船舶装备已经成为制约我国船舶产业 快速发展的瓶颈。 船舶产业将在我国未来1 0 - 2 0 年呈快速发展的态势。目前我国普通船舶大多 还采用分体式仪表，采用手动操作的方式进行作业，对船体各设备的监控、安全 保护、信息集成等方面都处于空白状态；而大型、高科技船舶，其机电设备大多 从国外引进，特别是仪控系统基本依靠进口。因此，我国的造船业还处于产业价 值链的低端，占产值绝大部分的是技术含量和附加值较低的“船壳力，这离国家 目标还有很大距离，尤其是“主流船型本土化配套设备装船率达到6 0 ”的要求。 而自动化技术是确保国产船舶装备可靠稳定运行的关键设备之一，若自动化技术 和系统未能实现国产化，则船舶配套设备国产化率达到6 0 的目标难以实现。 1 3 浙江人学硕十学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 1 5 2 课题的主要工作 未将网络控制的概念以及先进的系统监测诊断技术融入到遥控系统当中，无 法实现针对船舶主机的远程控制。本文为某动力机电集团公司6 - 6 3 0 0 型6 缸及 g - 8 3 0 0 以及g - 8 3 2 0 型8 缸四冲程、直列式中速大马力柴油机设计了一套船舶主 机遥控系统。 针对国内船舶主机控制系统大部分都是以模拟量组合单元仪表为主的控制 系统，这类控制系统所需要的仪表控制器件数量多，大部分采用手动操作，数据 显示精度低且控制困难，而且国内船用主机控制器主要以现场控制为主，无法实 现集控室以及驾驶室远程控制的现状，本文设计了一套数字化的船用主机遥控系 统，该系统总共分为三层体系结构：驾驶室级；集控室级；机舱现场级。分别实 现针对船舶主柴油机的现场控制和远程遥控。现场级报警监控器通过控制面板上 的以太网接口，实现与集控室以及驾驶室的远程监控面板之问的通讯。三层网络 都可对船舶柴油机进行控制，其中现场级控制器的优先级最高，驾驶室优先级最 低。各级之间的控制切换可以通过控制面板上的切换按钮实现。这样解决了国内 船用主机控制器无法实现远程控制的弊端。 本文设计的三层控制网络之间采用冗余以太网进行通讯，使得数据通信具有 突出的可靠性、实时性和灵活性，解决了在船舶机舱及海上运行的复杂情况下的 控制系统对通信可靠性的要求。 该系统实现了信号采集、显示、处理、记录、报警、配电功能以及对主机的 起动、制动、换向和转速调整控制功能。各种类型的输入量有相应的d o 点实现 报警输出，而且各级控制器可以通过控制面板上的液晶显示屏查看主机运行的实 时数据，也可以查看主机运行的历史数据，控制器通过c f 卡可将需要保存的数 据转存至计算机或其它设备中。 本文采用模块化设计思想设计主机遥控系统。系统设计包括柴油机控制器的 面板设计、硬件电路设计与控制软件的设计。硬件功能包括：转速与齿条位移采 集、执行器驱动及保护、开关量采集、齿轮箱控制输出等。以及柴油机的起动、 停车、加减速、越控，风浪等功能，全程供油量限制功能，齿轮箱控制功能，与 主控器信息交换功能，人机对话，系统状态检测及故障报警等功能。 本文设计的监控系统可以实时监测与记录柴油机控制系统运行参数，绘制重 1 4 浙江人学硕+ 学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 要参数实时曲线，故障信息显示，柴油机控制系统控制参数在线优化等功能，为 调试人员提供了友好的界面，操作简单、方便。 为了增加控制系统的通用性，本文设计了多种参数数据库，同时具有可扩展 的i o 口，可以满足多种型号主机的控制需求，具有较高的实用价值。 1 6 论文的结构 第一章是绪论，主要介绍船舶主机遥控系统的发展概况和背景知识，对比了 国内外船舶控制系统的发展情况，阐明了课题的任务和意义。 第二章是课题的总体设计思路。分析了柴油机系统的工作原理以及现实应用 要求，设计了主机遥控系统的总体框架，以及为了适应船舶海上应用要求而进行 的防腐蚀和抗电磁干扰的设计。 第三章是船舶主机遥控系统的硬件设计，包括硬件结构框架设计、动力系统 控制模块的设计和监测传输模块的设计。除此之外还为主机遥控系统的网络化控 制设计了冗余以太网通讯系统。 第四章是船舶主机遥控系统的软件设计，包括逻辑控制程序设计以及软件结 构设计和各个功能模块设计。 第五章对所有己完成的工作做了总结，并对后期的工作提出了展望和建议。 1 5 浙江人学硕十学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 第2 章船舶主机遥控系统总体设计 主机控制系统在结构上分为驾控台、主控制器与柴油机控制器三个子系统。 依据各个子系统在船舶上安装位置不同又可将主机控制系统分为驾控室、集控室 与机舱三个部分。驾控台安装在驾控室内，提供车钟与各种显示仪表给操作人员 控制与查看之用；主控制器安装在设备舱，负责主机遥控系统的管理以及信息的 传递；柴油机控制器安装在机舱中的柴油机机旁控制箱中，主要实现主机控制与 齿轮箱的操作。 2 1 主机遥控系统的设计方案 2 1 1 基于p l c 的主机遥控系统总体设计方案 由于可编程序控制器采用模块化结构，用户只要根据被控系统输入输出信号 的性质及点数多少，选置相应的模块，很容易构造出需要的控制系统。而且它提 供的继电器触点、计时器、计数器、顺控器的数量与实际数量的继电器、计数器、 顺控器相比要便宜的多。在硬件上采取光电隔离、滤波等技术，软件上采取自诊 断等技术，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。 可编程序控制器由各种功能模块组合而成，这样，一旦出现故障，系统的自 检功能将指出故障部位，维修人员便可方便地更换模块，使维修时间降低到最低 程度。综合考虑到p i c 在工业控制现场的灵活性、高可靠性、程序易于修改、可 维护性好、p l c 控制网络的便捷通讯性能、系统外围电路简单等特点，可以选用 p l c 作为船舶主机遥控系统。 系统主要有遥控操纵台、主控箱、机旁操纵箱和操纵位置转换装置等组成。 遥控操纵台包括驾驶室遥控操纵台和集控室遥控操纵台，遥控操纵台主要由车钟 和遥控信号板组成。可编程序控制器p l c 接受车钟指令，检测主机和齿轮箱的相 关状态信息，运行相关的程序，通过e p 接口和开关量输出接口实现对主机的调 速及齿轮箱的操作控制，并进行报警及状态显示。通过设置在集控室的文本显示 器可进行参数修改及特定参数的显示。 1 6 浙江火学硕士学位论文 船舶主机遥控系统的研究与设计 系统设置驾驶室遥控、集控室遥控和机旁操纵三种操纵方式。 驾驶室遥控：在驾驶室用操纵手柄直接控制齿轮箱按设定的程序换向和控制 主机按给定的加速和减速程序调速。 集控室遥控：在集控室根据车钟指令用操纵手柄直接控制齿轮箱按设定的程 序换向和控制主机按给定的加速和减速程序调速。 机旁操纵：操作人员根据应急车钟指令在机旁操纵主机的起停，调速，在机 旁控制箱直接用选择开关来操纵齿轮箱换向。 以上各种操纵方式互相连锁，在同一时间内只允许一种操纵方式有效，其中 机旁操纵级别最高。手动遥控转换开关设置在机旁控制箱上，集控驾控转换 设在集控室操纵台上。该控制系统的结构如图2 1 所示。 驾 驶 室 集 控 室 机 舱 室 图2 1 基于p l c 的主机遥控系统结构图 p l c 机型的选择原则：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最 方便以及性能价格比最优化的机型。新建主机遥控系统选择s 7 3 0 0 p l c 的 c p u 3 1 5 2 d p ，适用中、大规模的程序。带有p r o f i b u s 2 d p 接口可以进行分布式配 1 7 浙江人学硕十学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 置。尽量发挥p l c 的内部功能，以软代硬的方法解决遥控点输入太多的问题。在 c p u 模块的右边最多可以安装8 个模块，能够插入的模块数受它们从s 7 3 0 0 p l c 背板总线取得的电源数量的限制。对c p u 3 1 5 2 d p 而言，装在一个机架上的全部 模块从s 7 3 0 0 p l c 背板总线取得全部电流必须不超过1 2 a i 2 2 1 。 2 1 2 船用主机电脑监控系统总体设计方案 船用柴油机电脑检测系统采用微机、通讯、控制、显示等为特征的分散型控 制系统。整个系统由前后两部分组成。智能型监控系统以计算机作为前控机，以 单片机为核心的测控仪作为后位机。为确保系统工作高可靠性和冗余性，智能分 布式系统采用双方案方式，前控机工作方案和测控仪工作方案，以前控机工作方 案为主，测控仪工作方案为辅。 根据智能分布式系统工作方式要求和硬件组态设计思想，该设计方案采用分 层体系结构。系统前控机选用具有很高可靠性和适用于工业环境i p c ( i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r ) 作为管理站，现场级不仅能独立工作，而且提供r s 4 8 5 通信 接口，在i p c 的r s 2 3 2 端口加一块m o d e l l l 0 2r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口转换模块，组 成r s 一4 8 5 n 络分布式监控系统( n d c s ) 。另外，当某个测控仪通道出现故障时， 不影响前控机对其它测控仪监控，而当前控机或网络出现故障时，也不影响现场 控制级正常工作。系统总体结构如图2 2 所示。 c p u m 目m人机接口扳系统支持扳 通讯h 工蛾 工业p c ：333：3 s 1 d 总线 tt0000 l 鬻l l 鬻ii 光耩l卜口l l + 鐾銮+ l 南南南南 图2 2 船用主机电脑监控系统框图 系统结构为分散式控制系统，前控机电脑配置要求采用w i n d o w s 2 0 0 0 或 1 8 浙江大学硕士学位论文船舶主机遥控系统的研究与设计 w i n d o w sn t 4 0 的系统软件；p e n t i u m4 以上电脑，数字化仪一台。后位机由 s t d 工业控制机组成智能检测屏，配最激光打印机一台，1 0 2 4 x 7 6 8v g a 显示器 一台、键盘一个。现场检测屏中的s t d 总线工控机系统由c p u 板、存储器板、人 机接口板、系统支持板、通讯板等组成。系统支持板可根据需要增减，它包含出 水温度与机油压力采集板，机油温度与排气温度采集板，转速与扭矩采集板，油 耗测量采集板等f 矧。 该系统中输入模拟信号如：温度、压力等，脉冲信号或电平信号如：转速、一油 耗、扭矩等，经过信号调理，然后对其进行采样、数码显示、最后以标准的b c d 码送入电脑，电脑将数据转换为信号通过执行机构进行检测控制。 系统的通讯使用r s 2 3 2 串行接口，现场c r t 采用r s 一2 3 2 串行通讯与检测台的 s t d 总线工业控制机屏相连接，数字化仪与电脑之间采用串行接口，用户界面采 用人机会话。 为提高系统的抗干扰能力，对电网干扰问题前控机采