（轮机工程专业论文）船舶主机遥控系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 。船舶主机一般可以在机旁、集控室和驾驶台三个操作部位进行操作和控制。 当离开机旁在集控室或驾驶台操作时；无法通过机旁操纵机构直接操纵主机，这 就需要在操纵部位与主机之间设置一套能够对其进行远距离操纵的控制系统，称 为主机遥控系统。主机遥控系统能够对主机进行起动、换向、停车等逻辑控制和 对主机的转速进行闭环控制，还可以对主机转速和负荷进行必要的限制，并有必 要的安保功能。主机遥控系统不仅能改善轮机人员的工作条件，改善操作性能， 还能提高船舶航行的安全性，以及主机工作的经济性和可靠性，是轮机自动化的 重要组成部分，也是现代化船舶实现无人机舱必不可少的条件之一。 主机遥控系统根据采用设备及实现手段的不同，可分为气动式、电动式、电 气式、电液式和微机控制的主机遥控系统。微机控制的主机遥控系统主 要是由p l c 或微型计算机及其接口电路组成，只有驱动机构采用气动或电动元件。 遥控系统的功能主要是由软件实现的，具有应用灵活、功能强大、适用性强和可 靠性高的特点，近几年下水的船舶几乎全部采用微机控制，并朝着分布式和网络 化的方向发展。鉴于此，本文设计了一套用于控制船舶主机的西门子s 7 3 0 0 p l c 程序，实现了船舶主机遥控系统的操作地点转换、起动、转速控制、安全保护等 功能，并且对相应的p l c 硬件进行选型设计。 本文的核心内容为西门子s 7 3 0 0 程序设计，运用s t e p7 编程语言中的梯形 图设计开发p l c 程序，程序包括起动条件、起动、转换应答、给定转速算法、闭 环控制、转速控制等几部分内容，通过优化程序和不断地调试，本套p l c 程序实 现了船舶主机遥控系统起动、转速控制、安全保护、操作地点转化等部分功能， 今后还需进一步完善。 关键词：主机遥控；设计；s 7 3 0 0 p l c = 梯形图 英文摘要 a b s t r a c t g e n e r a l l ys p e a k i n g ，m a r i n ed i e s e le n g i n ec a nb eo p e r a t e da n dc o n t r o l l e da tl o c a l ， e c ra n db r i d g er o o m i ft h eo p e r a t o ri ne c ra n db r i d g er o o m ，h ec a n tu s et h e c o n t r o lm e c h a n i s mt oo p e r a t et h em a r i n ed i e s e le n g i n ea tl o c a l ，s ow en e e dac o n t r o l s y s t e mt oo p e r a t et h em a l q n ed i e s e le n g i n ew h i c hi sn a m e dm a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o l s y s t e m i ta l l o w st h em a i ne n g i n et os t a r t ，r e v e r s e ，s t o pa n dr e g u l a t et h es p e e d a u t o m a t i c a l l y i tc a na l s ol i m i tt h es p e e da n dl o a da n dp r o v i d es a f e t yf u n c t i o n m a i n e n g i n er e m o mc o n t r o ls y s t e mc a nn o to n l yi m p r o v ec h i e fe n g i n e e r s w o r k i n gc o n d i t i o n a n dh a n d l i n gq u a l i t y , b u ta l s oi m p r o v es h i p sr u n n i n gs e c u r i t ya n de n g i n e sr e l i a b i l i t y a n de c o n o m y b e c a u s eo ft h i s ，m a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n t p a r ti nu n a t t e n d e de n g i n er o o m t h em a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e mc a nb ed i v i d e di n t op n e u m a t i ct y p e ， e l e c t r i ct y p e ，e l e c t r i c i t y - g a st y p e ，e l e c t r i c i t y - l i q u i dt y p ea n dm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt y p e a c c o r d i n gt od i f f e r e n te q u i p m e n t sa n di m p l e m e n t a t i o n t h em a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o l s y s t e mc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e ri sm a i n l yc o m p o s e do fp l co rm i c r o c o m p u t e r i n t e r f a c ec i r c u i ta n di t s c o m p o s i t i o n , o n l yt h ed r i v em e c h a n i s mu s e sp n e u m a t i co r e l e c t r i cc o m p o n e n t t h ef u n c t i o no fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yc a r r i e do u tb y s o f t w a r ea p p l i c a t i o nw h i c hi sf l e x i b l ea n dp o w e r f u l ，a p p l i c a b l ea n dr e l i a b l e i nr e c e n t y e a r sa l m o s ta l lt h en e ws h i p sa r ec o n t r o l l e db yc o m p u t e ra n dd e v e l o p e dt o w a r d s d i s t r i b u t e da n dn e t w o r k - o r i e n t e d s oi n t h i st h e s i s ，id e s i g nas e to fs i e m e n ss 7 - 3 0 0 p l c p r o g r a mt oc o n t r o lt h es h i pe n g i n e i tr e a l i z e so p e r a t i o np l a c ec o n v e r s i o n , s t a r t i n g , s p e e dc o n t r o l ，s a f e t yp r o t e c t i o nf u n c t i o no ft h em a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e m i a l s od e s i g na n ds e l e c tp l ch a r d w a r ei nt h i st h e s i s t h ec o r eo ft h i st h e s i si st od e s i g ns i e m e n ss 7 - 3 0 0p r o g r a m , u s i n gl a do fs t e p7 p r o g r a m m i n gl a n g u a g et od e s i g np l cp r o g r a mw h i c hc o n c l u d e ss t a r t i n gr e q u i r e m e n t ， s t a r t i n g ，c o n v e r s i o n , g i v e ns p e e dc l o s e d - l o o pc o n t r o la l g o r i t h ma n ds p e e dc o n t r o l ，e t c b yo p t i m i z ep r o g r a ma n dk e 印d e b u g g i n g ，t h i ss e to fp l cp r o g r a mr e a l i z es o m e f u n c t i o no ft h em a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e ms u c ha ss t a r t i n g ，s p e e dc o n t r o l ，s a f e t y p r o t e c t i o n , o p e r a t i o np l a c et r a n s f o r m a t i o n ，h o w e v e ri ts t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d k e yw o r d s ：m a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o l ：d e s i g n ；s 7 - 3 0 0 p l c ；l a d 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 趁舶圭扭遥控丕统的逡让皇塞现：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：墨查： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密曰( 请在以上方框内打“4 一) 论文作者签名：弓鸯， 导师签名： 日期之妇( o 年6 月2 ) 日 船舶主机遥控系统的设计与实现 第1 章绪论 科技的进步和自动化技术的发展促使船舶自动化程度越来越高，近年来的远 洋船舶几乎都采用了主机遥控系统，主机遥控系统是现代化船舶实现无人值班机 舱必不可少的一部分，遥控系统的各种故障会造成主机设备不能正常运行、降低 主机运行质量、影响船舶的航行安全、增加机务管理的难度1 1 。因此，研究主机遥 控系统具有重要的现实意义。 1 1 选题背景及意义 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , p l c ) 随着微处理器和大规模 集成电路的发展，其性能和技术已发展到成熟并趋于完善的阶段，逐渐适合复杂 的控制任务。 p l c 由于具有可靠性高、抗干扰能力强、结构紧凑、使用方便等优点，使其 成为船舶主机遥控系统理想的控制部件之一，人们使用它时，不用进行计算机方 面的专门培训，就能操作p l c 并进行编程，利用p l c 实现船舶主机遥控，研制周 期短，技术风险小，使系统更广泛的适用于各类船舶。 1 2 可编程控制器技术的发展动态 自1 9 3 6 年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成 用途各异的逻辑控制或顺序控制。至今，在p l c 的编程语言梯形图中还可以 看到这些布线的影子。直到上世纪6 0 年代末、7 0 年代初可编程控制器问世，随着 微电子技术、计算机技术和数据通信技术的发展，以及微处理器的出现，产品朝 着小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最终从最初的逻辑控制、顺序控制发展 成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及回路 调节等功能的现代p l c l 2 1 。 近年来随着大规模集成电路技术、微电子技术、计算机技术和通信技术等技 术的不断发展，p l c 在功能和技术上继续不断发展和完善。除了初期逻辑运算功 能之外，新增加了闭环调节、数值运算等功能，增加了p i d 调节和模拟量等功能 模块；运算速度提高，c p u 能力赶上了工业计算机；不仅如此，通信能力的提高 也发展了多种局部总线和网络，所以说也可构成为一个集散系统。正是由于p l c l 第1 章绪论 的技术不断发展，使之应用于船舶的各种控制中去，发挥其诸多优点，以实现自 动控制，当然包括它在船舶主机遥控系统中的应用【3 1 0 1 3 本文研究的主要内容 本文着重研究的是p l c 在船舶主机遥控系统中的应用设计，p l c 是专门为工 业控制而设计的，能多层次抗干扰，能保证系统和强电设备在恶劣的工业环境下 一起工作，运行可靠稳定，为计算机控制系统的开发提供了强大的开发工具。 本文的主要工作： ( 1 ) 系统介绍船舶主机遥控该系统的基本知识 ( 2 ) m a n b & w m c m c e 型主机的气动操作系统分析 ( 3 ) 基于p l c 的船舶主机遥控系统硬件的设计 ( 4 ) 基于p l c 的船舶主机遥控系统软件的设计 2 船舶主机遥控系统的设计与实现 第2 章船舶主机遥控系统的综述 2 1 概述 目前，大型船舶的推进装置主要有柴油机推进和电力推进两类。采用柴油机 推进时，直接驱动螺旋桨的柴油机为主柴油机。主柴油机一般可以在机旁、集控 室和驾驶台三个操作部位进行操作和控制。当离开机旁在集控室或驾驶台操作时， 无法通过机旁操纵机构直接操纵主机，这就需要在操纵部位与主机之间设置一套 能够对其进行远距离操纵的控制系统，称为船舶主机遥控系统。随着柴油机制造 技术的发展，近年来在船上已经开始采用无凸轮轴的电喷式柴油机( 也称为智能 柴油机) ，其控制系统与常规的凸轮轴式柴油机有较大区别。本章主要针对传统的 凸轮轴式柴油机介绍主机遥控系统。通过主机遥控系统应能对主机进行起动、停 车、换向等逻辑控制和对主机的转速进行闭环控制。同时还应对主机的转速和负 荷进行必要的限制，并具有必要的安全保护功能。主机遥控系统不仅能改善轮机 人员的工作条件，改善船舶的操纵性能，而且还能提高船舶运行的安全性，以及 主机工作的可靠性和经济性，是轮机自动化的重要组成部分，也是现代化船舶实 现无人机舱必不可少的条件之一【4 】。 2 2 船舶主机遥控系统的发展 船舶主机遥控是指在船舶驾驶台或集控室通过自动控制设备操作主机的系 统，是机舱自动化、船舶自动化系统的一个重要组成部分。主机遥控系统的形成 和发展是和机电控制技术的发展密切相关的。上世纪五十年代开始从不完善的机 械式远距离操纵起步，到了六十年代初期，出现了集控室或驾驶室主机遥控。与 此同时，机舱内各主要设备的自动化程度也有进一步提高，例如船舶电站自动化、 辅机动力设备的自动切换，出现了性能良好的机舱故障报警系统等等。到了上世 纪六十年代中期，各船级社纷纷提出机舱无人值班的技术规范，这对机舱自动化 技术的不断发展起了很好的推动作用。七十年代，一些技术领先的国家开始致力 于微机在主机遥控方面的应用，并在八十年代使其日趋完善。主机遥控技术的进 一步发展，不仅在功能方面表现为更符合无人机舱以及最佳运行的要求，而且还 出现遥控系统主要组件的标准化设计1 5 】。九十年代中期，网络结构的分布式计算机 3 第2 章船舶主机遥控系统的综述 控制系统已成功地应用于主机遥控，这就是说，随着电子技术、数字处理和微机 技术的广泛应用，已使主机遥控在可靠、安全、经济、操作方便等综合指标方面 日趋完善。 2 3 船舶主机遥控系统的组成 船舶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f 6 】。如图2 1 所示 紧急操纵 图2 1 主机遥控系统的组成 f i g 2 1t h ec o m p o s i t i o no fr e m o t ec o n t r o lo fm a i ne n g i n e 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( 或凸轮轴端) 装有转速传感器，用以检测主机的实际转速，以转速信号送 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，指示主机的转速。 ( 1 ) 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。 4 船舶主机遥控系统的设计与实现 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、停车和转速的设赳7 1 。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 关用于驾驶室与集中控制室之间的遥控部位选择。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 测速装置：测速装置用来检测主机的转速、转向，向遥控装置提供主机 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。 ( 5 ) 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【8 l 。 2 4 船舶主机自动遥控系统的主要功能 尽管不同厂家生产的主机遥控系统在实现方案和实现手段上不尽相同，但各 厂家都必须共同遵守相关船级社所规定的船舶建造和入级规范。总体上讲，船舶 主机自动遥控系统的主要功能应包括五个方面：即操作部位切换功能、逻辑程序 控制功能、转速与负荷控制功能、安全保护与应急操作功能，以及模拟实验功能。 第2 章船舶主机遥控系统的综述 2 4 1 操作部位切换功能 出于安全考虑，主机遥控系统在设计上必须保证在驾驶台遥控失效时能切换 到集控室进行操纵，而集控室失效时能切换到机旁进行应急操纵。因此主机遥控 系统必须在机旁和集控室提供操作部位切换装置。机旁一般设有“机旁( l o c a l ) 和“遥控( r e m o t e ) ”转换开关，而在集控台上则设有“集控室( e c r ) 和“驾 驶台( b r ) 转换开关。只有在机旁转换开关转至“遥控( r e m o t e ) ”位置时才能 在集控室或驾驶台操作，是在集控室还是在驾驶台操作由集控室转换开关进行选 择1 9 1 。在三个操作部位中，机旁的操作优先权最高，自动化程度最低；集控室的操 作优先权和自动化程度均在其次；驾驶台的操作优先权最低，但自动化程度最高。 在进行操作部位切换时，在最高优先级的操作部位可以无条件的获得操作权，反 之则不然。 2 4 2 逻辑程序控制功能 ( 1 ) 换向逻辑控制 当有动车车令即车中手柄从停车位置移至正车或倒车位置的某一位置，遥控 系统首先进行换向逻辑判别，即判断车令位置与实际凸轮轴的位置是否一致。当 车令位置与实际凸轮轴位置不符时，便自动控制主机换向，将主机的凸轮轴换到 车令所要求的位置上。换向完成后，遥控系统进入启动逻辑控制( 乳如车令位置 与实际凸轮轴位置相符，则省去上述换向过程，直接进入启动逻辑控制) 。如在规 定的时间内，主机凸轮轴未能换到车令所要求的位置，遥控系统将发出换向失败 报警信号，同时禁止启动主机0 1 。 ( 2 ) 起动逻辑控制 换向逻辑完成后，遥控系统紧接着进入起动逻辑判断，也就是对起动条件进 行鉴别。当满足起动主机所需要的各项条件时，控制空气分配器投入工作，打开 主启动阀起动空气将进入主机进行起动，在主机转速达到发火切换转速时，自动 完成油气转换( 对油气并进的主机可提前供油) ，停止起动。这时若起动成功，自 动转入主机加速程序。 ( 3 ) 重复起动程序控制 若主机在起动过程中发生点火失败，遥控系统将自动进行第二次起动。若第 6 船舶主机遥控系统的设计与实现 二次起动又发生点火失败，则自动进行第三次起动。无论第二或第三次中哪次起 动成功将自动转入主机加速程序。当出现第三次起动失败时，遥控系统将自动停 止起动，同时发出起动失败报警。当故障排除后，需把车钟手柄拉到停车位置， 对三次起动失败信号复位，方可对主机进行再起动【1 1 1 。 ( 4 ) 重起动逻辑控制 在应急起动、倒车起动或有重复起动的情况下，为了提高主机启动的成功率， 遥控系统将自动加大起动供油量，或者自动地提高起动空气切断转速对主机进行 重起动。 ( 5 ) 慢转起动逻辑程序 当主机停车时间超过规定时间( 一般是3 0 n 6 0 m i n 内可调) 以后，或在停车期 间停过电，再起动主机时，遥控系统将自动控制主机先进入慢转起动，既让主机 缓慢转动l 2 转，随后再转入正常起动。若慢转起动失败，将发出报警信号并且 封锁正常起动。之所以要设置慢转起动，其目的是使主机各主要摩擦面建立起润 滑油膜后再转入正常起动，以减少磨损；另一方面当慢转起动失败后，可以检查 出主机的故障，避免起动事故发生【1 2 1 。 ( 6 ) 主机运行中的换向与制动逻辑程序控制 当船舶全速航行遇到紧急情况时，若把车钟手柄拉到停车位置，遥控系统会 发出停油信号。由于船舶的惯性很大，船舶的滑行距离很长，主机转速也会因为 螺旋桨的水涡轮作用而保持相当长的时间，这对紧急避碰来说是极为不利的。为 了解决这个问题，现在的主机遥控系统一般都设有主机运行中的换向与制动功能。 当主机在正车( 或倒车) 运行中车钟手柄突然从正车位置拉到倒车位置( 或 相反) 时，遥控系统将自动执行停油一换向一制动一倒车起动一倒车加速过程。 有的主机换向需要有转速限制，即转速降到一定数值才允许换向，而且换向转速 分为正常换向转速和紧急换向转速( 应急换向转速比正常换向转速大) 。制动的前 提是换向完毕。制动分为能耗制动和强制制动，有的遥控系统只设置强制制动( 主 要用于中速柴油机) 。所谓能耗制动，是在应急换向完成后，只让空气分配器工作， 主起动阀关闭，这时主机是正车转向，而凸轮轴是倒车位置【1 3 】。因此，当某缸活 塞上行( 压缩冲程) 时，空气分配器使此缸气缸起动阀开启，气缸内的气体经气 缸起动阀到主起动阀后被截止，使主机起着压缩空气的作用，消耗其能量，降低 7 第2 章船舶主机遥控系统的综述 其转速，实行能耗制动。能耗制动是主机转速较高且制动力矩较小时的制动方式。 而强制制动是让空气分配器工作，且主起动阀开启。此时，高压起动空气在各缸 的气缸起动阀前等待，当某活塞上行时，空气分配器控制此缸气缸起动阀开启。 于是，高压起动空气进入气缸，强行阻止活塞活动，使主机转速迅速下降为零， 实行强制制动，当主机转速下降为零后，则按倒车的起动逻辑控制来起动主机， 使主机倒转，并按倒车加速程序将主机转速调节到车令设定转速。 2 4 3 主机的转速与负荷控制功能 ( 1 ) 转速程序控制 当主机进行加速操纵时，应对加速过程的快慢有所限制，转速( 或负荷) 范 围不同对加速过程的限制程度就不同，因此加速过程控制有下列两种形式：( 1 ) 发送速率限制；( 2 ) 程序负荷( 也称负荷程序) 。其中发送速率是指主机在中速区 以下的加速控制，加速速率较快。而程序负荷指的是高速区的加速控制，特别强 调慢加速。因为在高负荷时加速太快，会使主机超热负荷，严重影响缸套、活塞、 和缸盖等燃烧室部件的寿命。因此，有了发送速率和程序负荷这种控制功能，驾 驶员可按照实际情况把车钟手柄扳倒任一速度挡，而不必考虑是否会损害主机， 当车钟手柄从停车扳倒正车( 倒车) 全速时，主机先进行起动操作，起动阶段完 成以后，主机的加速过程就会按预先设定好的加速速率进行加速，当主机定速后 主机转速控制系统就会按设计好的程序负荷继续给主机加速，最后一直到车钟手 柄所设定的正车海速转速。由此可见，转速给定值是变化的，而且变化规律是确 定的。因此，在主机起动完成到转速稳定这段时间内，主机转速控制系统实际上 是在完成一个转速程序控制过程。 实际上不仅有加速程序负荷，还有减速程序负荷，只不过减速程序负荷比加 速过程快的多，往往被忽略。除遇到应急情况，主机在从海速降速时进行一段减 速程序负荷控制，对延长主机使用寿命和降低故障率都是十分重要的。因此，部 分主机转速控制系统还设有减速程序负荷。 ( 2 ) 转速一负荷控制 主机的转速与负荷控制回路是一个综合控制回路。在正常的航行工况下，控 制回路主要是通过调速器对主机转速进行定制控制。控制回路的作用就是克服各 8 船舶主机遥控系统的设计与实现 种扰动，把主机转速控制在车钟手柄所设定的转速上。但是，当船舶在恶劣海况 下航行时，螺旋桨可能会频繁露出水面导致转速升高，若此时仍采用转速定时控 制，调速器为了维持主机运行在设定转速上，不得不频繁的大幅度调节主机供油 量，这就有可能导致主机超热负荷【。一旦调速器减油不及时，主机就会发生飞 车而使主机超机械负荷。这时，主机转速控制系统常采用负荷控制方式或死区控 制方式来保障主机的安全运行。 ( 3 ) 转速限制 为了保证主机安全、可靠及有效地运行，车令设定的转速值必须符合主机自 身特性的要求，因此，遥控系统将对进入主机调速器的设定转速进行临界转速避 让、最小转速限制、最大转速限制以及轮机长手动设定最大转速限制。 临界转速自动避让。当车钟设定转速处于临界转速区时，为了保证主机不 再临界转速上运行，遥控系统将自动地把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，自动地控制其快速通过临界转速区，以确保主机安 全运转。 最小转速限制。当车令设定转速值小于主机最低稳定转速时，为了防止主 机不稳定运转或熄火停车，遥控系统将自动地把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，为防止 主机超速，遥控系统将自动地把设定转速限制在主机所允许的最大范围之内。由 于主机倒车运行工况较正车差，故有些遥控系统还设置了数值上较正车小的最大 倒车转速限制。 轮机长手动设定最大转速的限制。在非应急运转工况下，当车令设定转速 值大于轮机长手动设定最大转速的值时，遥控系统将对其车令设定转速值进行限 制，以确保主机转速不超过轮机长所设定最大允许转速1 1 5 1 。 ( 4 ) 负荷限制 主机转速控制系统在对主机转速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， 有可能使主机因供油量太大而超负荷。为此，遥控系统应对主机的供油量进行限 制，负荷限制主要包括以下几个方面： o 第2 章船舶主机遥控系统的综述 起动油量的限制。若要使主机顺利且平稳地起动起来，就必须在主机起动 时供给适量的燃油，为了使起动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信号，给出一个最佳起动转速及 最大允许起动油量，以确保主机安全、平稳、可靠地起动。 转矩的限制。为了保证主机的安全运转，延长使用寿命，遥控系统一般都 设置转矩限制功能，原因是主机在某一转速下运行时，如供油量过大就有可能使 主推进轴的扭矩超机械负荷。此时，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允许供油范围，从而将主机 的转矩限制在安全范围内。 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 刻增压器输出地增压空气压力较低，这样就会出现油多气少的现象，导致燃烧不 充分而冒黑烟【1 6 1 。为防止主机在加速过程中出现冒黑烟现象，遥控系统将自动地 根据增压空气压力的高低来限制主机的供油量，以保证喷入气缸的燃油充分燃烧， 同时也可防止主机受热部件的过热现象。 螺旋桨特性限制。主机与螺旋桨的配合是按螺旋桨推进特性工作的，即功 率与转速成三次方关系，转矩与转速成平方关系，而前述的各种限制方式都是在 某一负荷范围内的直线限制特性。有的遥控系统设置了按螺旋桨的特性来限制主 机的供油量，用来修正原有负荷的限制特性，使之接近螺旋桨推进特性曲线形状， 以满足螺旋桨吸收功率的需要。 最大油量的限制。在主机供油量超出轮机长所设定最大供油量时，遥控系 统将自动地将主机供油量限制在轮机长设定的最大供油量上，以实现主机的最大 负荷限制【1 7 1 。 2 4 4 安全保护及应急操纵功能 ( 1 ) 安全保护 如前所述，安全保护装置是主机遥控系统的重要组成部分，当主机重要参数 越限时，它能使主机自动减速或自动停车，并发出报警信号显示安全系统动作的 原因，以保护主机的安全。有些重要参数的安全保护值有两个：一个是自动减速 值，另一个是自动停车值。当出现安全保护装置动作且故障排除后，这时需要对 1 0 船舶主机遥控系统的设计与实现 故障复位才能进行起动和加速。 ( 2 ) 应急操纵 在应急情况下，为了保证船舶的安全需要对主机进行一些特殊的操纵，主要 包括以下三个方面： 机旁应急运行。在主机遥控系统失灵的情况下，为了保证主机仍然继续运 行，只要将主机操纵部位从驾驶台或集控室直接切换到机旁，即可实现机旁手动 操纵。 应急运行。在运行中的全速换向操作一般在紧急避碰中使用，属于应急运 行，它包括应急换向、应急起动及应急加速。应急换向指的是主机在应急换向转 速下换向。应急起动除了采用重起动外还将自动取消慢转起动和时间起动。应急 加速主要是指取消负荷程序进行快加速，同时还自动取消某些限制( 如增压空气 压力限制、转矩限制等) 。船在锚地走锚后所进行的应急起动和应急加速也是一种 应急运行。还有当安全保护系统动作后，使主机减速和停车，但从整个船的安全 看，又不允许停车和减速，这时应采取“舍机保船措施，取消自动减速和自动 停车信号，破事主机“带病运转，但对一些严重的故障停车信号( 如主机滑油 低压和超速) 一般是不能强迫运转的。有的船上只能在有自动减速信号时才可采 取应急运行的强迫运转方式，而对所有故障停车信号都不能采取强迫运转方式。 手动应急停车。当车钟手柄扳回到停车位置，由于遥控系统出现了故障， 不能使主机听油，这时应按下“应急停车 按钮，通过应急停车装置使主机立即 断油停车，并发出报警。若要重新起动主机，必须对应急停车信号进行复位，才 可进行起动操作【1 引。 2 4 5 模拟试验功能 各种主机遥控系统几乎都设置了相应的模拟实验装置。它主要用于：显示遥 控系统的运行工况，如电磁阀的状态、主机凸轮轴的位置以及起动过程等；测试 和调整遥控系统的各种参数；检查遥控系统的各种功能是否正常，若有故障，可 利用模拟试验来查找和判定故障位置。 掌握正确的模拟试验方法对轮机管理人员来说是十分重要的。尽管有各种各 样的模拟试验装置和多种试验方式，但其中最基本的试验方式是在主机停车时利 第2 章船舶主机遥控系统的综述 用车钟( 实际车钟或模拟车钟) 和模拟转速旋钮配合操作，使遥控系统完成一系 列动作。因为，遥控系统对主机的实际转速和模拟转速是没有辨别能力的，把模 拟转速同实际转速等同对待【1 9 1 。正是利用这一点，使之达到检查遥控系统各种功 能和判断故障的目的，按设计要求完成各种动作。在用实际车钟和模拟转速的试 验中，除了主机因主起动阀关闭而不能转动以外，遥控系统的各种阀和部件都可 以动作。因此，在进行模拟试验前要做好相关的准备工作。 2 5 船舶主机遥控系统的类型 根据所采用的遥控设备及实现手段的不同，船舶主机遥控系统可分为以下几 种类型。 ( 1 ) 气动主机遥控系统 气动式主机遥控系统主要是由气动遥控装置和起动驱动机构组成，并配有少 量的电动原件如电磁阀和测速电路等。它的主要特点是驱动功率大，工作可靠， 结构简单、直观，便于掌握和管理。但是存在压力传递滞后的现象，因此控制距 离受到限制，而且对气源要求高，气动元部件容易出现漏气、脏堵及磨损现象。 ( 2 ) 电动式主机遥控系统 电动式主机遥控系统的遥控装置和驱动机构均由电动元部件构成。它的主要 特点是结构紧凑，遥控距离不受限制，控制性能好，较灵活地实现各种功能。但 执行机构的驱动功率小，对管理人员技术要求高。电动遥控系统又可分为触电继 电器式和无触点集成电路式两种。 ( 3 ) 电气主机遥控系统 电气式主机遥控系统的遥控装置主要由电动元器件构成，而驱动机构则 由气动元件构成。这种结构充分发挥了电动式和气动式两种遥控系统的优点，是 较完善的遥控系统。 ( 4 ) 电液式主机遥控系统 电液式主机遥控系统主要由电动遥控装置与液压执行机构组成。它具有 驱动功率大，可控性好，便于远距离控制等优点，但结构复杂，需设置液压油回 收系统，并且容易出现漏油、漏气现象。 ( 5 ) 微机控制的主机遥控系统 1 2 船舶主机遥控系统的设计与实现 微机控制的主机遥控系统主要由p l c 或微型计算机及其接口电路组成，只有 驱动机构采用气动或电动元件。遥控系统的功能主要由软件实现，具有应用灵活、 功能强大、适用性强和可靠性高的特点。近几年下水的船舶几乎全部采用微机控 制，并朝着分布式和网络化的方向发展【2 0 1 。 1 3 第3 章船舶主机气动遥控系统 第3 章船舶主机气动操纵系统 3 1 m a n b & w 二m c m c e 型主机气动操纵系统简介 m a n b & w - m c m c e 型主机气动操纵系统的气路如图3 1 所示，其主要控制 元部件分布在集控室操纵台、机旁和专门的气动控制箱内。系统提供了对主机进 行机旁操纵和集控室手动遥控的功能，若配上自动遥控装置，则可实现驾驶室自 动遥控。该系统要求提供3 0 m p a 动力气源。此外，还要求提供两个相对独立的 0 7 m p a 气源，分别用作控制气源和安全保护气源。 图3 1 所描述的当前工况为：主机处于停车状态；凸轮机构的齿轮处于正车位 置；已具备电源和气源条件；调速器连接油门拉杆的供油离合器处于“遥控 位 置；机旁操纵台的“遥控机旁转换阀1 0 0 处于“遥控 ，已具备集控室操纵工作 条件；盘车机已脱开；至空气分配器的气路已打开。 3 2 集控室操纵 集控室的主机操纵台有两个操作手柄：a 为换向手柄兼回令车钟手柄；b 为主 机操纵手柄。另外还有控制空气压力表、“电子调速器供油限制取消指示灯、“电 子调速器供油限制取消 开关、“慢转起动 指示灯、“慢转起动 控制开关、“驾 控集控转换阀。下面以停车、换向、起动和运行中换向起动四种情况为例说明 对主机进行集控室手动遥控的操纵方法和气动操纵系统的动作原理。 3 2 1 停车 当驾驶室车钟给出“s t o p 指令时，操作手柄a 和b 都将处于“s t o p 位 置，阀“被压下，工作于上位，控制空气通过，然后分成两路。 一路流经速放阀5 8 - 单向节流阀6 9 - 正、倒车换向指令阀7 0 ，作为后续操作 的准备条件； 另一路经管路2 一两位三通阀2 7 l 一或门阀8 5 一两位三通阀3 8 控制端，来自 管路4 4 的控制空气通过阀3 8 和2 3 后再分成两路。 一路使阀2 5 下位通，控制空气一阀2 5 一阀2 8 6 一阀1 2 8 使高压油泵处于不可 供油状态。另一路使阀1 1 7 下位通，为起动操作提供准备条件。同时，为了确保 可靠地停油，限位开关6 0 此时向电子调速器发出了断油停油信号。 1 4 船舶主机遥控系统的设计与实现 图3 1m a n b & w - m c m c e 型主机的气动操纵系统 f i g 3 1p n e u m a t i cm 锄0 e u v 陀s y s t e mo fm a n - b & w - m c m c e 1 5 第3 章船舶主机气动遥控系统 3 2 2 换向 在停车的时候，当驾驶台发出了指令时，轮机员首先进行回令。当集控台指 示灯所显示的凸轮轴位置与驾驶台车令一致时，再将操作手柄b 由“s t o p 位置 推向“s t a r t ”位置。 比如现在驾驶台发出了正车( 6 她a d ) 车令，首先集控室的轮机员将手柄a 推向“a h e a d ”位置。此时就会存在两种情况：一种情况是车令与凸轮轴的位置 是一致的，即“a h e a d ”指示灯亮，这说明满足起动逻辑鉴别条件，可直接将手 柄b 推向“s t a r t 位置，进行起动操作：二是车令与凸轮轴位置不一致，即 “a h e a d 指示灯不亮，操纵系统将首先进行正车换向，必须等换向结束之后才 能进行起动操作。 现假设车令与凸轮轴位置不一致，即车令为正车，而凸轮轴位置为倒车。此 时因手柄b 停留在“s t o p 位置，而手柄a 在正车位置，故管路6 通气一或门阀 8 7 后分成两路：一路送至阀5 5 等待，另一路一或门阀2 9 一阀1 0 的控制端，使之 工作于左位而打开。气源经过阀1 0 左位后也分为了两路：一路通过阀9 到达了各 个高压油泵的换向气缸，以进行正车换向；另一路则经阀2 9 2 ( 此时控制端无气， 下位通) 到达了空气分配器的换向气缸，此时推动活塞向左运动进行正车换向。 换向到位以后，通过机械动作使阀5 5 工作于右位，在阀前等待的控制空气一阀5 5 一或门阀5 0 ，使管路4 6 有气。 管路4 6 有气标志着空气分配器换向结束，控制空气到达阀3 7 前等待，为主 机起动准备条件。高压油泵换向结束后，各个换向气缸上的磁力开关7 动作，通 过电路处理给出凸轮轴位置信号。这一信号用作集控台“a h e a d 指示灯的控制 信号，此外还用于自动遥控系统进行逻辑判断。 以上为操纵系统进行正车换向的过程，倒车换向过程类似。 3 2 3 起动 当车令与凸轮轴位置一致时，将集控室手柄b 推倒“s t a r t 位置，阀6 被压下，工作于上位，管路5 有气；由于是油气分进型主机，此时阀6 3 仍处 于上位，管路2 继续有气，系统仍然处于停止供油状。 管路5 的控制空气一或门阀9 1 一阀3 7 的控制端，使其下位通，阀前等待的气 1 6 船舶主机遥控系统的设计与实现 源一阀3 7 - - 或门阀3 1 - - * 阀3 3 控制端，使阀3 3 下位通。只要盘车机是脱开的，阀 1 1 5 上位通，管路4 5 有气，控制空气就将通过阀3 3 下位使管路4 3 有气。管路4 3 的控制空气将产生以下逻辑动作： 使阀2 9 2 、2 9 3 工作于上位，空气分配器的位置被锁定； 使阀2 6 工作于右位，为空气分配器投入工作准备条件； 使阀2 7 工作于左位，阀前等待的气源经过阀2 7 左位到达起动阀。 当动力空气进入起动空气总管，一方面到达各缸，另一方面经过手动阀1 1 8 和阀2 6 的右位，然后分成两路：一路进入空气分配器，另一路经阀1 1 7 下位( 停 油时工作于下位) 使空气分配器投入工作，指挥各个气缸起动阀按照正车的顺序 开启，使主机进行正车起动，此遥控系统没有设置慢转起动，当主机转速已经达 到起动转速时，将操作手柄b 从“s t a r t 推向“f u e lr a n g e 区域，这时阀 6 3 、6 4 都复位到下位通，电位器2 8 8 输出转速设定电压信号。 阀6 4 的复位使管路2 的停车指令立即消失，阀3 8 复位到上路通，于是就有： 阀2 5 复位到上位通，各高压喷油泵停车气缸内的压缩空气通过阀2 5 泄气， 进入工作状态； 阀11 7 复位到上位通，空气分配器停止工作。 管路6 要经过单向节流阀6 9 进行延时放泄，有利于各缸高压油泵换向成功。 阀6 3 的复位使管路5 立即失压，阀3 7 和阀3 3 先后都复位到上位通，管路4 3 上的控制空气将通过阀3 3 上位和单向节流阀3 2 延时泄放。阀3 2 的节流作用是使 进气过程延时结束以获得约1 秒钟的油气重叠的时间，保障主机起动的成功率。 起动供油阶段结束以后，主机操纵手柄b 下面的电位器2 8 8 输出转速设定信 号送至电子调速器，调速器