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大型船舶主机电子调速器仿真训练系统设计与开发 摘要 仿真训练诞生大半个世纪以来，无论在技术水平或是在应用广度上都有了 很大进步，目前已发展成为多种技术和学科的综合性系统。仿真训练系统安全、 经济，可控、可重复，无风险、不受气候条件和场地空间限制；仿真训练系统既 能训练常规操作，又能培训各种故障的处理应变能力；利用训练仿真系统进行训 练，具有高效率和高效。正因为具有以上的独特优势，仿真训练系统在各个领域 得到了广泛的应用。 调速器作为远洋船舶大型主机遥控的重要控制设备，历来受到船公司和轮机 员的关注和重视。自九十年代以来，随着电子技术与计算机技术的飞速发展，全 数字式电子调速装置( 简称电子调速器) 在自身的工作可靠性，调速控制性能、人 机操作界面、与柴油机遥控系统接口等各方面都得到了大幅度提升，因而在近几 年新建大型船舶的主柴油机调速控制已由数字调速器广泛取代传统的全制式液 压调速器调速器的集成度越来越高，这样的话对船舶轮机管理人员的计算机和 电子技术技能水平要求越来越高，船舶的安全在远洋船舶上是第一位的，调速器 一旦出现故障，如果不及时解决故障，会影响主机正常工作，影响船舶正常航行 本文首先介绍与电子调速器密切相关的主机遥控系统h f - 8 0 0 ，接下来详细 介绍了l 船- - 8 0 0 电子调速器系统，包括系统硬件组成、系统结构图、系统各部分 工作原理，着重介绍了转速控制原理，并对其中的p i d 控制算法进行详细分析， 接下来对于电子调速器仿真训练系统进行总体设计，包括两部分；一部分对单机 版进行介绍，另外一部分详细描述了网络版所要实现的功能。接下来对电子调速 器仿真训练系统硬件设计进行介绍，主要包括该系统涉及到的所有硬件的型号及 功能。接下来对电子调速器仿真训练系统软件进行介绍，包括大部分重要软件界 面以及所实现的功能。最后对全文进行了总结，提出建设性的意见以及希望。 【关键字】仿真训练电子调速器计算机仿真半实物仿真建模 d e s i g n a n dd e v e i o p m e n to f s u p e rs h i pm a i ne n g i f i e e i e c t r j c a ig o v e r n o rsj m u i a t i o nt r a i n i n gs y s t e m a b s t r a c t s i n c es i m u l a t i o nt r a i n i n gh a db e e na r i s e nf o rh a l fc e n t u r y i th a d m a d eag r e a tp r o g r e s si nl e v e lo ft e c h n o l o g ya n ds p a no fa p p li c a t i o n a tp r e s e n ts i m u l a t i o nt r a i n i n gh a sd e v e l o p e dam u l t i p l et e c h n o l o g ya n d s u b j e c to fc o m p o s i t i v es y s t e m i ti ss a f e t y ，e c o n o m i c 、c o n t r o l l a b l e 、 r e p e a t a b l e ，r i s k l e s s ，i ti su n l i m i t e db yc o n d i t i o no fc l i m a t ea n ds p a c e o ff i e l d s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mc a nt r a i nr o u t i n eo p e r a t i o na sw e l l a sh a n d i n ga b i l i t yo fa l lk i n d so ff a i l u r e f o ro w n i n gs om a n ye x c l u s i v e a d v a n t a g e ，i th a sw i d e l ya p p l i c a t i o ni ne v e r yd o m a i n a sa ni m p o r t a n tc o n t r o le q u i p m e n to fo c e a ns h i pm a i ne n g i n e 。g o v e r n o r a l lw a y si sr e c o g n i z e da n dc o n c e r n e db ys h i pc o m p a n i e sa n de n g i n e e r s 。 s i n c e1 9 9 0w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n de l e c t r i ct e c h n o l o g g d i g i t a lg o v e r n o rh a db e e nm a d e ， i th a dm a d eag r e a tp r o g r e s si n r e l i a b i l i t y 、g o v e r n o r - c o n t r o l l e dp e r f o r m a n c e 、h h i 、i n t e r f a c eo fd i e s e l e n g i n er e m o t es y s t e m s on o wd i g i t a lg o v e r n o ri sa d a p t e di nn e wm a r i n e s h i p h i g hi n t e g r a t e d o fg o v e r n o ra s kt h a t e n g i n e e r sm a s t e rh i g h c a p a b i l i t yo fc o m p u t e ra n de l e c t r i c i t y s a f e t yo fs h i pi st h em o s t i m p o r t a n ti nm a r i n es h i p i ft h ef a i l u r eo fg o v e r n o ri sn o ts o l v e do nt i m e ， i tw i l la f f e c tn o r m a lw o r k i n go fm a i ne n g i n ea n dn o r m a lw o r k i n go fs h i p f i r s t ，t h i sa r t i c l ee x p l a i nt h em a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o l l e ds y s t e m m 一8 0 01 1w h i c ht i eu pw i t hg o v e r n o r s e c o n d 。m g _ 8 0 0g o v e r n o ri sd e t a i l e d e x p l a i n e di n c l u d i n gs y s t e mc o m p o n e n t s 、c o n s t r u c t i o nd r a w i n g 、o p e r a t i o n p r i n c i p l e p i dc o n t r o l l e da r i t h m e t i ci sd e t a i l e da n a l y z e d t h i r d ，t h e w h o l eo fg o v e r n o rt r a i n i n gs y s t e mi sd e s i g n e di n c l u d i n gp e r s o n a lv e r s i o n a n dn e t w o r kv e r s i o n f o r t h ，h a r d w a r eo fg o v e r n o rt r a i n i n gs y s t e mi s i n t r o d u c e di n c l u d i n gt y p ea n df u n c t i o n f i f t h ，s o f t w a r eo fg o v e r n o ri s i n t r o d u c e d 1 a s t ，t h ec o n c l u s i o no fa r t i c l ei sg i v e n ，a d v i c ea n dh o p e a r eb r o u g h tf o r w a r d 【k e yw o r d s1 s i m u l a t i o nt r a i n i n g , d i g i t a lg o v e r n o r ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n ， s i m u l a t i o nw i t hh a i fh a r d w a r e 。m o d e l i n g 大量船舶主机电子调遽鼍仿真训练系统设计与开发 第一章引言 1 1 本课题的来源和选题依据以及背景 一、课题来源； 本课题是由青岛远洋船员学院机电系教师在2 0 0 4 年1 0 月提出申请立项， 经中国远洋运输( 集团) 总公司有关专家的讨论研究后批准立项。 二、选题的依据以及背景“】【” 本课题的选题依据以及背景主要来自以下三个方面： ( 1 ) 适应香港远洋公司船电业务班电子调速器培训的需要 目前。香港远洋公司与我院正在研讨开办船电业务培训班的事情，其中对 电子调速器的培训有专门的要求，根据机电系老师的调研发现，香港远洋公司 目前拥有大量散货和杂货船，其中大部分船舶都是采用n a b c o 电子调速器，而 大多数轮机员对n a b c o 电子调速器的维护，管理、使用和故障判断都不太熟悉， 电子调速器是属于一种自动化程度很高的船舶机电设备，电子调速器的维修要 求维修人员要有很丰富的电子、计算机、机械方面的知识，这给电机员和轮机 长排除电子调速器运行中偶发故障带来很大困难t 因此，研制大型船舶主机电子调速器仿真训练系统就有很强的针对性， 可以提高青岛远洋船员学院的培训质量，取得较好的培训效果，普遍提高轮机 员电子调速器管理维修能力有很好的效果。 ( 2 ) 适应在校轮机管理专业学生对电子调速器学习的需要 电子调速器是船舶的重要设备，电子调速器工作状况的好坏对船舶主机运 行的可靠性和经济性起着至关重要的作用。因此，所有的轮机管理人员都十分 重视对电子调速器的管理，但由于电子调速器机构及其系统的复杂性、紧凑型 和运转性能的高精确性要求以及船舶航行条件的多变性，要求轮机管理人员必 须有踏实宽广的理论知识以及独立分析问题和解决问题的能力为此对轮机专 业学生进行系统的、切合实际又富有高效的培训是非常必要的。这样，制作电 子调速器仿真训练系统，进行多媒体教学和培训可以给学生以身临其境的感受， 有利于他们迅速掌握电子调速器的结构和管理要点，对他们将来的工作起到非 常重要的促进作用。 6 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 ( 3 ) 是大型船舶轮机模拟器的有力补充 我院新研制的轮机模拟器是目前国际领先的轮机模拟器之一，它是以上海 远洋集装箱运输公司5 4 4 6 集装箱中远鹿特丹号为原型进行研发的，该船主机遥 控系统是采用挪康a u t oc h i e f4 ，电子调速器是d 6 58 8 0 0 。因此我院可以完成 对电子调速器d g s8 8 0 0 的培训任务i 而我们这一项目是针对n a b c om g 一8 0 0 型 电子调速器，此项目的完成可以实现轮机员在我院一次性完成所有电子调速器 方面的培训，既节省时间，又收到了较好的培训效果 因此，中国远洋运输( 集团) 总公司立项电子调速器仿真训练器委托 给青岛远洋船员学院机电系研究开发。 i 2 国内外在电子调速器领域研究现状、发展动态啪阿 电子调速器作为大型主机的重要控制设备，历来受到船公司和轮机员的关 注和重视。众所周知，调速器曾经历了机械液压型、模拟式电气液压型的漫长 历史。电液调速器大都采用了p i d 调节规律，在性能上有很大的提高，但是出 于它仍用模拟组件或数字电路来实现其调节规律，故硬件线路复杂，维护也不 方便，可靠性受到一定的影响。同时大型主机系统是一个非线性、时变系统， 要想保证系统在不同的工况下都具有优良的动态品质是非常困难的。 随着电子技术与计算机技术的飞速发展，自九十年代以来，全数字式电子 调速装爱( 简称电子调速器) 在自身的工作可靠性、调速控制性能、人机操作界 面、与柴油机遥控系统接口等各方面都得到了大幅度提升，因而在近几年新建 大型船舶的主柴油机调速控制已由数字调速器广泛取代传统的全制式液压调速 器。 目前我国新建船舶柴油主机，无论是m a nb 肼机型还是s u l z e r 机型，主要 安装有三类数字调速器l 、日本n a b c 0 公司的一8 0 0 数字调速器2 、n o r c o n 公司的d g s - 8 8 0 0 数字调速器3 、s e i m e n s 公司的s p c 一3 3 系列数字调速器。 - ， - 目前在大型船舶主机电子调速器产品中，无论是模拟式还是数字式电子调 速器，转速反馈控制普遍采用p i d 控制规律。通过对国内外有关的学术刊物( 如 大连海事大学学报、中国航海、航海技术等) 、教育网站和国际国内有 关学术会议的论文集进行分析，发现对电子调速器的控常4 规律的研究特别少。 7 ftp 、#t 置ei1，：f f p：，t，。- ， k 。 1 r ， 。l 。 。；0-。ri，。，譬li-甚一 大型船舶主机电予调速嚣仿真谰练系统设计与开发 只有少数入采用模糊控制规律进行过研究。另外上海海事大学一位研究生做过 一篇论文“柴油机电予调速器系统仿真及故障诊断智能系统“，他选择的是 s e i m e n s 公司的s p c 一3 3 系列全制式数字调速器，该系统主要应用于实船，轮机 员可以通过该软件进行故障诊断，同时可以进行该型号调速器有关知识的学习。 但是，由于该系统全部由软件实现，缺乏硬件支持，无法很好的应用于教学实 验中，对于航海院校学生的教学培训，只能满足部分要求，因此本课题提出要 增加部分重要的硬件，以满足对硬件维护、维修、保养、调试的要求。 1 3 本课题主要研究内容和任务嘲 一、 本课题主要研究内容。 我们选择的研究对象是日本n a b c o 公司的m g - - 8 0 0 型电子调速器系统。主 要是对该系统进行计算机仿真，主要研究内容包括： ( 1 ) 电子调速器操作仿真、参数修改仿真、故障仿真 ( 2 ) 电子调速器p i d 控制过程仿真、系统故障仿真 ， ( 3 ) 主机遥控系统仿真 ( 4 ) 船舶主柴油机仿真 ( 5 ) 执行机构硬件实现：伺服马达控制器与伺服马达、伺服马达带 动油门杆的转动 。 ( 6 ) p l c 输出主机模型的转速信号给变频器、变频器驱动电动机模 拟螺旋桨转动 ( 7 ) 磁脉冲传感器检测主机实际转速反馈给p l j c 二、 课题主要研究任务： 主要是利用个人电子计算机对n a b c om g - 8 0 0 型电子调速器进行仿真，使学 生能够通过该系统全面了解n a b c om g - 8 0 0 型电子调速器的工作原理、系统组成、 安装，调试和维护，熟练掌握n a b c om g - 8 0 0 型电子调速器的操作程序，能够 掌握n a b c o 眦一8 0 0 型电子调速器的中参数的设定以及具体含义，以及所起到的 作用该系统增加了执行机构，转速检测这部分硬件，可以使学生掌握电子调 速器硬件的保养、维修和调整，另外增加了电子调速器故障模拟部分，提高训 练效果。 8 - l 1 大型船靛主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 1 4 本课题主要研究的目标及创新点 电子调速器仿真训练系统是以计算机仿真为基础的人一机实时仿真系统， 集成了计算机科学、系统理论、信息技术，轮机自动化和c a i 的最新成果，其 目的是利用计算机仿真及各种物理工程技术，构造一种以训练和教学为目的的 仿真系统，它在某种程度上再现一个真实的可操作系统，使接受培训者获得必 要的有关真实系统的感性与理性知识嘲 一、本课题主要研究目标： ( 1 ) 通过该系统使我校轮机管理专业学生全面掌握电子调速器的各种功能。 ( 2 ) 通过该系统使我校轮机管理专业学生全面掌握电子调速器的维修和故 障排除。 ( 3 ) 通过该系统的研究使教师的计算机仿真能力、p l c 应用能力，自动化控 制理论等方面有更大的提高，为提高教学水平打下良好的基础。 二、本课题主要创新点 根据我院以往船舶仿真训练系统的开发、以及系统的使用、培训经验可知， 单纯的软件操作界面的仿真，已经不适合现代仿真训练系统的要求，目前的情 况是要求除软件操作界面以外还要增加大量的硬件操作设备，以达到更加逼真 的效果，这样才会收到很好的培训效果，另外作为教学培训软件，必须要有大 量的故障仿真，这样才会使学生真正的体会到仿真训练系统的好处。根据以上 原因，我们在开发研制电子调速器仿真训练系统进行了以下三点的创新。 ( 1 ) 选型新 通过对各大航海类院校的调研，我们发现它们很少有专门的大型船舶主机 电子调速器仿真训练系统，他们只是把它作为轮机模拟器的一部分，而且大都 是n o r c o n 公司的d g s 一8 8 0 0 数字调速器。而我们选择了n a b c om 6 - - 8 0 0 电子调 速器，经过调研目前香港远洋运输公司、青岛远洋运输公司大部分新近下水的 大型散货船的电子调速器都以n a b c om 6 - - 8 0 0 型为主。 “( 2 ) 执行机构和转速检测硬件实现吣“一“ 经过调研各大航海类院校都有轮机模拟器，轮机模拟器可以实现电子调速 器的所有软件功能但无法实现硬件功能，而电子调速器的故障大部分都出现 在执行机构和转速检测环节上。单纯的软件无法实现。而我们的电子调速器仿 9 l-_k；f。， o。+；。益 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 真训练系统就增加了执行机构和转速检测硬件实现，以供学生训练使用。 ( 3 ) 硬件故障的真实检测 轮机模拟器可以通过软件设置模拟电子调速器的故障，但只能观察现象来 进行判断，学生无法动手检测，而我们的系统由于执行机构和转速检测采用硬 件实现，因此可以通过p l c 的控制来设置故障，让学生去检测故障点，判断故 障原因，及时排除故障，提高训练效果。 1 5 本课题的实际应用价值 经调查研究，中远集团1 9 9 5 年之后建造的远洋船舶基本都采用了电子调速 器，但在国内航海教育中，对电子调速器的教学训练内容严重滞后，国内航海院 校实验室中，基本没有电子调速器设备，目前还没有对船舶电子调速器进行半实 物仿真制作的院校电子调速器仿真训练器一旦制作完成，首先可以应用到轮机 教学中，使电子调速器课程的教学更加具体和生动，更有利于学生的理解与接受。 因此，电子调速器仿真训练器在各航海院校中将有较好的市场。 其次，对于船舶来讲，电子调速器仿真训练器完成之后，船舶公司可以借助 它来培训轮机员，提高轮机员对电子调速器的管理和维修水平保障船舶主机工 作的可靠性，减少事故的发生此软件可以方便地配置到各船舶的计算机中，轮 机员只需具有简单的微机操作知识便可在船学习和实践，轮机员对软件的学习不 受时间、场地限制，一旦安装完毕，不需再进行额外的投资，而且对船舶来讲初 投资是极少的所以在航运公司中也有很好的潜在市场 综合考虑，此电子调速器仿真训练器一旦完成，首先可以在航海院校中扩 大我院的影响，另外可以在航运公司和国外船东中提高我院的知名度同时， 既可以为我院带来可预期的经济效益。 大型船舶主机电子调速暑仿真训练系统设计与开发 第二章n a b c om - 8 0 0i i 型主机遥控系统 这一章内容总的来说是对n a b c om - 8 0 0i i 型主机遥控系统组成、结构及功 能进行简单的介绍。介绍这一部分的主要目的是因为电子调速器是主机遥控系 统的重要组成部分，它的主要功能是使主机运行在设定转速上，当主机负荷受 到外界干扰时，主机转速能稳定保持在设定转速上但实际上在对电子调速器 的仿真过程中离不开主机遥控系统其它组成部分的支持，否则也就无法实现电 子调速器的调速功能，无法观测到对电子调速器仿真的最后实际结果，达不到 训练目的，影响训练效果。所以在电子调速器仿真训练器系统中包含了对n a b c o m - 8 0 0i i 型主机遥控系统部分功能的仿真。 2 1n a b 0 0m - 8 0 0i i 型主机遥控系统简介m n a b c om g 一8 0 0 型电子调速器是n a b c om - 8 0 0i i 型主机遥控系统的一个重要 组成部分。n a b c o m - 8 0 0 l i 是日本n a b c o 公司生产的船用微型计算机组成的主机 遥控系统，它与m g - 8 0 0 型电子调速器配合使用，能满足常规遥控系统的所有功 能，且能用于对各种机型遥控的要求。在微型计算机主机遥控的系统中，各种 逻辑和控制回路不是用硬件电路组成的，而是由预先编制好的软件程序实现的， 这就大大降低了遥控系统的故障率，提高了其工作的可靠性。同时，它还有体 积小，重量轻，使用灵活及自检功能比较强等优点，因此用微型计算机组成的 主机遥控系统得到越来越广泛的使用。 2 2 _ i a b 0 0m - b o oi i 主机遥控系统组成 主机遥控在技术设计方面有多种多样，有远距离操纵的、有自动遥控的： 可以是气动的、电动的、微机的，然而，在实现遥控的基本功能方面则具有共 性。都是以主机为被控对象，设有与这些基本功能相关的控制单元、联络设备、 操作设备及指示设备等，从而构成了一个完整的主机遥控系统，主机遥控系统 的设备结构示意图以及实船分布情况如图2 - 2 - 1 所示。 ，t。簟懂f。，盂”皂节；f；t。e，； 卜；产苫：!：焉，i!墨j p 。 ：釜 f 图2 - 2 - i 主机遥控系统结构示意图 下面就图2 2 一l 对n a b c o m - 8 0 0 主机遥控系统的主要设备和装置进行简单 介绍： ( 1 ) 联络设备：包括操纵部位转换设备、辅助车令联络设备等。 ( 2 ) 发令设备：包括机旁，遥控操车手柄、传令车钟、应急遥控开关( 按 钮) 、车钟记录仪等 ( 3 ) 控制设备：包括起停、换向、转速控制等各种遥控功能的控制单元， 这是主机遥控系统最基本的部分，是心脏和大脑。 ( 4 ) 指示设备：包括主机工况、系统状态，故障报警等信息的指示和显示。 ( 5 ) 安保装置；包括各种用于安全保护的参数和状态( 如滑油压力、冷却 1 2 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 水高温、盘车机脱歼，超速或转速传感器故障等) 的监视、安保电磁阀、安保 停油装置等。 ( 6 ) 机旁应急操纵设备；包括机旁操纵台、机旁应急操车手轮等。 ( 7 ) 模拟测试设备s 包括模拟实验面板、模拟车令设定装置( 电位器等) 、 模拟转速设定装置( 电位器等) 、模拟换向装置( 开关等) 等。 ( 8 ) 其他辅助设备：包括电源、气源、液压源等 2 3n a b c o - h l 主机遥控系统功能啪嘲叫哪 n a b c 0m - 8 0 0i i 主机遥控系统的功能主要包括：起动逻辑控制功能，换 向与制动逻辑功能、转速与负荷控制功能，监测与安全保护控制功能四大控制 功能，此外还包括用于检验遥控系统工作正常与否的。模拟测试与系统自检” 功能。图2 - 3 - 1 是主机遥控系统功能原理框图， 图2 - 3 - 1 主机遥控系统原理功能框图 k-， t_-： rii ； ： r；：， ： k i n ， f t 大型船舶主机电子调速叠仿真训练系统设计与开发 下面就图2 - 3 - 1 中主要环节给予重点介绍。 一、起动逻辑控制功能 ( 1 ) 正常起动 换向后，遥控系统进入起动逻辑判断。在主机凸轮轴位置与车钟转向指令 一致，有动车车令时，遥控系统尚需对起动条件进行鉴别。当满足起动主机所 需的诸项条件时，控制空气分配器投入工作，打开主起动阀，进入压缩空气起 动阶段，并在主机转速达到其发火转速时，自动完成油气转换。如点火成功， 向转速控制环节提供起动转速设定值和自动转入主机加速程序。 ( 2 ) 重复起动 主机在起动过程中发生点火失败，遥控系统将自动按重复起动程序实现三 次试起动一旦试起动成功，便转入主机加速程序如果三次试起动均未成功，。 遥控系统将自动终止起动，同时发出起动失败报警 备 、 ( 3 ) 重起动 在重复起动，或者应急起动，或者倒车起动时，为了改善主机的起动条件， 提高起动成功可能性，遥控系统将自动增加动供油量，提高起动空气切断转速， 一 对主机实现重起动控制。必需指出，不同的主机遥控系统重起动的逻辑条件及 控制是不一样的什么情况下采用重起动，重起动时是否提高起动空气切断毒专。二 速，均应根据主机的特性及要求来确定 ( 4 ) 慢转起动 主机长时间停车( 超过3 0 6 0 分钟) ，其缸壁会因四周的润滑油下沉而干 燥，这时如直接起动会使主机造成不良磨损，为此，如果停车时间超过规定时 间以后再次起动主机时，遥控系统将自动控制主机进入慢转起动，即先使主机 缓慢转动1 - - 2 转，以便在缸壁四周建立起一层油膜，随后再转入正常起动。若 慢转起动失败，遥控系统将不再进行正常起动，并发出相应的报警。 二、转速与负荷控制功能 ( 1 ) 加( 减) 速程序控制功能 该环节是车令转速设定值的处理环节，可以对实际车令信号和模拟测试车 令信号实现变化速率控制。在驾驶室进行遥控时，驾驶员是按常规的车钟操作 方法来操纵的，因此车令设定转速变化往往不能满足主机操作要求，常出现中 1 4 1 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 速区( 3 0 9 6 7 0 9 6 额定转速) 主机加速过快，高速区( 7 0 1 0 0 9 6 额定转速) 主机 热负荷过载现象。为了能正确操纵主机，遥控系统对车令设定转速的变化率进 行处理和限制，实现自动程序加速。 车令设定转速的加速速率限制 当主机在中速区加速时，无论驾驶员将车钟手柄推得多快，其车令设定转 速的变化率多大，限制环节都是以预先调定好的速率来发讯转速设定信号，从 而防止了主机在中速区加速过快的现象 热负荷程序( 亦称程度负荷) 当主机进入高负荷区加速时，遥控系统便自动地对主机的加速过程进行慢 加速时序控制，以避免主机出现较大的热负荷变动，防止主机超负荷。 ( 2 ) 转速限制控制功能 该环节是对已经加减速处理了的转速设定值信号在加以各种特定的限制。 为了使车令设定的转速值符合主机的要求，遥控系统将对进入转速控制环 节( 调速器) 的设定转速信号进行“临界转速”、“最小稳定转速”、“最大正 ( 倒) 车转速”、“轮机长手动最大转速”等转速限制，此外，还接受和执行起 动转速设定信号和故障减速等安保信号 临界转速区的自动避让 当车令设定转速处于主机临界转速区时，为了保证主机不在i i 盎界转速上运 转、遥控系统可自动地将其设定转速限制在临界转速区之外，并在设定转速经 过临界转速区时，自动地控制其快速穿越临界转速区，以确保主机安全运转。 最小稳定转速限制 当车令设定转速值小于主机最低稳定运转转速时，为防止主机因不能稳定 运行而熄火的后果，遥控系统可自动地将设定转速限制在主机最低稳定转速上。 最大转速限制 当车令设定转速值大于主机所允许的最大转速时，为了确保主机运转安全， 遥控系统将自动地把设定转速限制在主机的最大允许转速范围内由于主机倒 车运行工况较正车差，故有些遥控系统中还设置了最大倒车转速限制 由轮机长手动限制的最大设定转速 在非应急运行工况下，当车令设定转速值大于轮机长手动设定的最大转速 2 ； 毛j -；lll；上- h-hk 、y!，r h r 川 肿 ， 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 值时，遥控系统将对其车令设定转速进行限制，以确保主机转速不超过轮机长 所设定的最大允许转速。 起动转速设定和故障减速控制 起动转速设定是为便于起动主机而由遥控系统特别设定的一个转速设定 值，这个设定值大概界于“s l o w ”和“h a l f ”之间，且与车令发讯装置( 车钟 手柄) 无关，通常在起动期间由起动转速设定值提供持续6 秒钟的起动给油量。 故障减速是指当主机出现故障减速类异常状况时，遥控系统自动将主机的转速 限制在规定的转速上( 通常为半速左右) 。 ( 3 ) 转速控制与负荷控制功能 转速控制功能 在正常工况下，为了使主机的实际转速能正确地反映车令所设定的转速， 而不受各种扰动影响，遥控系统能根据主机的实际转速与设定转速间的偏差， 按照比例积分微分p i d 调节规律控制主机的供油，将主机转速自动调节在设定 值上，实现主机转速的自动控制现代数字调速器中p ，i 、d 参数都是变量， 是根据主机的负荷变化和转速变化等因素随时计算出来的，其中d 调节规律可 以根据需要自动取舍。 在海上定速航行时，为了减少调速机构的频繁动作而引入转速死区控制方 式，即在海上定速航行时。如果主机转速维持在预设的转速死区范围( 通常是 2 r p m ，即- - + 2r p m ，) 内时，也就是说当转速偏差在- + 2r p i 以内时，调速器不 动作，燃油注油泵燃油齿条的位置将不发生变化，燃油供油量维持恒定不变， 从而，有效的提高了主机调速系统工作的稳定性和使用寿命。 在恶劣海况下，数字调速器将按照恶劣海况调节规律运行。主要采取增大 p i 比例增益，加强调速器对偏差的反映力度，以拟制因大风浪使螺旋桨潜出而 引起的主机转速过大波动；引入d 作用规律，以便在主机螺旋桨开始潜出或潜 入水面时，调速器的微分作用给出一个超前调节，使主机转速相对稳定，不会 因螺旋桨的潜出或潜入引起主机转速波动过大或飞车 有的遥控系统采用；在恶劣海况下，在“p i 调节”的基础上增加“负荷限 制”的控制方法，。负荷限制”设定值有专门的电位器设定，在主机超负荷运行 时，。负荷限制”将对“p i 调节”加以限制，使主机的运行较为安全。 大型船舶主机电子调速器仿真训练系统设计与开发 负荷限制功能 负荷限制亦称燃油限制。在进行转速自动控制时，主机的供油量是由调速 器根据偏差转速大小来控制的。调速器为了把主机的转速快速调节到设定转速， 有可能使主机供油量太大而超载，为此遥控系统应对主机的供油量进行限制。 负荷限制主要包括如下几个方面： 1 ) 起动供油的限制 要使主机顺利地起动起来，必须在主机起动时供给适量的燃油，为了使起 动供油量不受车令设定转速的影响，实现定油量起动、遥控系统在主机起动期 间自动阻断车令设定转速，给出一个最佳起动转速及最大允许起动油量，以确 保主机能安全可靠地起动。 2 ) 转矩的限制 当在某一转速下主机的油量过大时，就会使主推进轴的扭矩加大，造成机 械负荷过载。为了保证主机安全运行，延长运行寿命，遥控系统将自动地限制 主机的供油量，即根据车令设定的转速或主机的实际转速给出一个相应的供油 范围，从而将主机的转速限制在所允许的范围内 3 ) 增压空气压力的限制 主机在低速运行时、增压器输出的增压空气压力较低，如果这时如给主机 注入太多的燃油，就会出现油多气少的现象，导致燃烧不充分而冒黑烟。为了 防止加速过程中冒黑烟的现象，遥控系统将自动按增压空气压力的高低来限制 主机的供油，以保证喷入气缸的燃油充分燃烧，同时也可防止主机受热件的过 热现象。 4 ) 螺旋桨特性的限制 为了使上述调速和限制特性与主机螺旋桨推进特性相迫近，有些遥控系统 还按螺旋桨的特性规律来限制主机的供油量，以此来修正原有负荷的限制特性， 使之接近理想限制特性 5 ) 最大油量的限制 ， 在主机供油量超出轮机长所设定的最大油量时，遥控系统自动将主机供油 量限制在轮机长设定的最大油量上，以实现主机的最大负荷( 或最大转矩) 限制。 三、监测与安全保护控制功能 1 7 _ - k ” h - _ p l 一 _ j t j ；- ：。 i _o1，；fjt；i kt、-h-一l-f_l 大型船舶主机电子调速矗仿真训练系统设计与开发 ( 1 ) 主机故障减速及故障停车控制 当发生危及主机运行安全的故障时，安全保护装置将根据其危害程度自动 控制主机进行减速运行或者停车，同时发出相应的报警，显示安全系统动作的 原因，以确保主机安全运行。 ( 2 ) 机旁应急操纵 在主机遥控系统失灵的情况下，为了保证主机仍能继续运行，只要将主机 操纵部位从驾驶室或集控室直接切换到机旁，实现机旁手动应急操纵。 ( 3 ) 应急停车 在遥控系统正常停车失灵时，为确保主机能立即断油停车，只要按下。应 急停车”按钮，遥控系统就会通过应急停车回路迫使主机立即断油停车，同时 发出报警。在应急停车后重新起动主机前，必须对应急停车信号进行复位。否 则主机仍将不能供油。， ( 4 ) 应急运行 f 为了保障主机运行安全，延长其使用寿命，遥控系统设置了许多限制然 而，当船舶遇到紧急情况时，为了保证整条船的安全，必须解除或放松对主机 原有的保护措施、实现应急操纵，以便。舍机保船”，应急运行包括应急换向、 应急起动及应急加速应急起动除了采用重起动外还将自动取消慢转起动。 应急加速将自动加快车令设定转速的发讯速率，按理想加速负荷程序控制 主机加速或减速，同时还自动取消某些限制( 如轮机长给定的最大转速限制，增 压空气压力的限制，最大油量的限制等) ，以实现快加速之目的 大型船舶主机电子调速器仿真训练系统设计与开发 第三章n a b c om g - 8 0 0 电子调速器系统 3 1b g - 8 0 0 电子调速器系统简介 m c - - - 8 0 0 电子调速器是n a b c o 公司开发的全制式数字调速器，用于低转速、 长冲程柴油机的转速控制。它是n a b c om - 8 0 0 系列微型计算机主机遥控系统 的一个独立组成部分。眦- 8 0 0 调速器的主要元部件( c p u 、转速拾取器p i c k - u p 、 转速单元控制电源等) 由系统双重备份，当主系统发生故障时，备用的副系统将 自动切换投入工作。其执行机构非常简单，由执行器驱动单元控制一个伺服马 达在4 2 。的角度范围内旋转，使主机油门刻度从o 到1 0 0 进行调节。位冕 传感器采用非接触式，以提高可靠性“帅” 此外它还提供一个较为完善的系统自检功能，此功能实时监视系统的状态， 一旦在它监视范围内的调速器软硬件失效，立即给出报警，并通过操作面板的 人工查询可查到相应的故障码或报警码，为轮机员迅速、准确定位故障和排除 故障提供依据。 3 2b g - 8 0 0 电子调速器系统组成叭 m g _ 8 0 0 电子调速器系统的组成如图3 2 1 所示。 图3 2 - l 粥- 8 0 0 调速器系统示意图 坞 大堑船舶主机电子调遮叠仿真训练系统设计与开发 从图3 2 一i 中可以看出主要包括以下几部分： ( 1 ) m c g 调速器控制单元：印刷电路板、2 4 v 电源，p i d 控制； ( 2 ) a d u 执行器驱动单元：伺服马达驱动器和a c 2 2 0 v 电源； ( 3 ) e a r 伺服马达执行器有：交流伺服马达，减速齿轮、检测转角的位置传 感器。 ( 4 ) p g 脉冲发生器两套。 3 3m f f - 8 0 0 型电子调速器系统的工作原理及功能 一，工作原理 从驾驶台或集控室发出的主机转速指令进入调速器控制单元，经与脉冲发 生器检测到的主机实际转速相比较后得出偏差值，输入到p i d 调节器，通过速 主 、 度限制环节，将信号与伺服马达的位置反馈信号相比较后再输送到执行器的驱 动单元，经处理后分别输出2 4 v 的释放刹车电压和2 2 0 v 的伺服马达驱动电压， i 分别释放刹车和使伺服马达转动，从而拉动油门杆使主机按照车令设定转速运 t 转。 这里有两个反馈环节，一个是通过装在主机飞轮处的脉冲发生器检测到的 主机实际转速与车令设定转速相比较；另一个是装在伺服马达中的位置传感器 检测到的执行器的伺服马达的实际位移与车令设定转速输出的信号所要求的伺 服马达的位移相比较，这二者分别达到平衡后，主机就稳定在车令所要求的设 定转速上 二、m ( ；- 8 0 0 电子调速器控制功能m l n 町 m ( ；- 8 0 0 电子调速器主要控制功能见图3 _ 3 - l 下面对它的控制功能进行简单说明： ( 1 ) 控制位置：m g - 8 0 0 电子调速器可以接收两个控制位置的信号，并根据信 号大小进行控制 控制位置一：驾驶台。 控制位置- - ：集控室 ( 2 ) 起动：当有起动指令时，油门杆( f o r a c k ) 固定在起动位置( l o wl e v e l 2 0 大型船舶主机电子调速器仿真训练系统设计与开发 图3 - 3 _ 1 粥一8 0 0 电子调速器控制功能框图” 4 9 5 r a m ) ，当主机转速超过8 5 r p m 时表明起动成功或者超过起动控制时间， 油门杆被自动释放，调速器控制开始起作用。起动位置分高低两个水平，它的 选择通过“l i m i tc a n c e l ”的o n o f f 按钮来选择。 ( 3 ) 停车：当有下列情况制之一时执行器被设置到燃油切断位置。 正常停车信号。s t o p ” 。 应急停车信号“g o v e r n o rs h u td a 州 车钟设定转速低于l o r p m 。 ( 4 ) 应急减速：当发生应急减速情况时，设定速度的上限被限制到。s l o w d o w n ”。用来使主机速度减慢。 一t ，一 ( 5 燃油限制：m g - 8 0 0 电子调速器具有三种类型燃油上限限制，目的是防 止主机超负荷手动最大给油量限制( m a x l i m i t e r ) 、扫气空气压力限制 ( s c a v e n l i m i t e r ) 和转矩限制( t o r q u el i m i t 既) 如图3 3 2 所示 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 爹 图3 3 2m g - 8 0 0 电子调速器燃油限制功能框图 t i g h t s 3 - 3 - 2 对惦一8 0 0 电子调速器的三种燃油限制功能进行详细说 ， 手动最大给油量限制( 姒n u a lm a 】( l i m i t ) ：。 在非应急运行工况下。当车令设定转速值大于轮机长手动设定的最大转 速值时，遥控系统将对其车令设定转速进行限制，以确保主机转速不超过 轮机长所设定的最大允许转速。定义执行器的上限操作位置。 转矩限制( t o r q u el i m i t ) , 转矩供油限制是一种对主机运行的保护性限制，在高负荷运行时，扭矩 限制的保护作用愈发明显。限制主机的机械负荷，对应主机的设定转速所允 许最大供油量，即f o r a c k 的最大位移。如图3 - 3 - 3 所示为转矩供油限制 特性曲线。它有两个转折点： 1 ) 主机实际转速小于x i = 7 9 4 r p m 。执行器位移限制在y i = 6 6 5 舢； 2 ) 主机实际转速小于x 2 = 1 0 3 r p m ，执行器位移限制在y 2 - - 9 0 m m 。 2 2 大型船舶主机电子调速嚣仿真训练系统设计与开发 图3 - 3 3 转矩限制特性曲线 扫气压力 图3 3 - 4 扫气压力限制特性曲线 扫气压力限制： 为了使柴油机气缸内燃油得到充分燃烧，限制主机热负荷，防止主机冒 黑烟，目前普遍以增压空气压力的高低来限制供油的上限，而不论设定转速 所确定的油门开度多大。扫气压力供油限制是个动态限制量，它随着气缸 内燃烧的加剧而得到提高，其所允许使用上限限制也会相应有所提高。其限 制控制的输出值可以在( ( 0 - 1 0 0 ) 内变化。如图3 - 3 4 所示为扫气供油限 制特性曲线。它有五个转折点： i ) 扫气压力x i = ob a r 时，执行器位移为y l = 5 4 m a n 。 2 ) 扫气压力x 2 = 2 7 5b a r 时，执行器位移为y 2 = 9 0 m m 3 ) 扫气压力x 3 = 3 o b a r 时，执行器位移为y 3 = 9 0 7 m 。 4 ) 扫气压力x 4 = 3 0b a r 时，执行器位移为y 4 = l o o m m 5 ) 扫气压力x 5 = 3 0b a r 时，执行器位移为y 5 = l o o m m 当有取消限制( l i m i tc a n c e l ) 指令时，增压空气限制曲线和转矩限制曲线 向上平移，最大供油增加1 0 1 5 。 ( 6 ) 具有燃油泵标志指示信号；此信号是实际执行器位置信号的拷贝 ( 7 ) 气缸注油量随着主机负荷变化自动调节( m a nb 矗w h 气缸注油量的控制 依据调速器执行机构的位置变化，油门刻度增大后需要增大气缸润滑油量，防 止咬缸、拉缸现象发生 、 、 ( 8 ) 死区控制 调速器应能在各种不同海况，不同船舶装载及不同主机工况下正常工作， 因此需带有死区控制所谓死区控制，即当转速差小于给定的死区范围时，旁 ，l 一 ，t。，；-，i，1十， ；rlur 大型船舶圭机电