（轮机工程专业论文）船舶主机遥控系统的设计与实现(1).pdf

中文摘要 摘要 在船舶集控室或驾驶台通过自动控制设备操纵主机的系统称为主机遥控系 统。主机遥控系统在保障船舶的安全运行方面起着至关重要的作用，遥控系统的 各种故障会造成主机设备不能正常运行，会降低主机运行质量，影响船舶的航行 安全、增加机务管理的难度。根据国际海事组织相关公约，船员在上岗前必须要 进行相关培训，必须加强实践环节。由于现代船舶轮机仿真训练器可以在很大程 度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船很相似的场所下进行各项轮机管理、 操作以及排除故障的训练，因此轮机模拟器成为海员训练中心和航海类院校教育 训练现代远洋轮机人员的必备设施。船舶主机遥控仿真软件的设计与实现作为轮 机模拟器的一个部分，因此它既符合当前研究的需要、也具有强烈的现实意义。 本文是以大连海事大学新建实习船“育鲲”轮的主机遥控系统为原型而进行 的主机遥控系统仿真软件的设计与研究的。首先在对主机遥控系统控制功能与控 制原理进行详尽分析的基础上，针对性研究育鲲 轮d g s 8 8 0 0 e 电子调速系统， s s u 8 8 1 0 安保系统的软件功能与运行模式为进一步实现软件功能打下基础。其次， 根据中国船级社c c s 自动化机舱等级a u t 0 的要求进行包括主机监视系统，报警 系统的设计，其中包括主机停车项目，主机降速项目等设计。同时结合控制流程 图实现对主机遥控系统的逻辑程序控制设计。再次，利用c o r e l d r a w 软件绘制气 动操纵系统原理图，对控制空气进行分解，根据逻辑关系动态地描述控制空气的 气路走向，分别建立备车，停车，起动三种不同工况的逻辑模型，为实现气动操 纵系统各个工况的功能提供条件。最后是仿真软件功能的实现。本文是在v c 环境 下利用c 拌语言结合f l a s hc s 3a c t i o n s c r i p t 3 0 面向对象语言进行编程，在f l a s hc s 3 的环境下制作出多个m o v i e c l i p 控件，由a c t i o n s c r i p t 3 0 语言实现各个控件彼此之 间的逻辑关系和相应的动态效果，用a c t i o n s c r i p t 3 0 命令函数的调用和e x t e r n a l a p i 函数来实现a c t i o n s c r i p t 和c 拌语言的交互与数据的传递。由于该两种语言的交互 使用，从而整个软件的动态效果和交互性都得到了很大的提高，使该仿真软件在 教学和培训上效果更加生动、逼真。 关键词：主机遥控；v i $ u a i 钟；f i a s hc 8 3 ；仿真 英文摘要 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f m a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t 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 mi sk n o w na sb yu s i n gt h ea u t o m a t i cc o n t r o l e q u i p m e m st om a n i p u l a t et h em a i ne n g i n e ，w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei np r o t e c t i n g s h i p sr u n n i n gs a f e t y r e m o t ec o n t r o ls y s t e mf a i l u r ew o u l dc a u s et h ed e v i c e sr u n a b n o r m a l l y ，r e d u c et h em a i ne n g i n eo p e r a t i n gq u a l i t y ，a f f e c tt h es a f e t yo fn a v i g a t i o no f s h i p sa n di n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo fe n g i n e sm a i n t e n a n c em a n a g e m e n t a c c o r d i n gt ot h e i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) r e l e v a n tc o n v e n t i o n s ，t h ec r e wn e e d r e l e v a n tt r a i n i n gt os t r e n g t h e nt h ep r a c t i c ea b i l i t yb e f o r et h e yw o r ko nt h es h i p b e c a u s e t h em o d e ms h i p sm a r i n ee n g i n et r a i n i n gs i m u l a t o rc a ns u b s t i t u t es h i pe q u i p m e n t sa ta l a r g ee x t e n t , t r a i n e r sc a np r a c t i s eu n d e rav e r ys i m i l a re n v i r o n m e n tt oc o n d u c tt h e m a r i n em a n a g e m e n t , o p e r a t i o na n dt r o u b l e s h o o t i n gt r a i n i n g m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r b e c o m e st h ee s s e n t i a lf a c i l i t yf o rt r a i n i n gt h ec r e wi nt h es e a m e n st r a i n i n gc e n t e ra n d m a r i t i m ee d u c a t i o n a li n s t i t u t i o n a sap a r to ft h em a r i n ee n g i n es i m u l a t o r , t h er e s e a r c h o nm a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e mn o to n l ym e e t st h ea c t u a ln e e d sb u ta l s oh a sa g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i st h e s i si sb a s e do nt 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 mo f ”y u - k u n ”w h i c h i sas p e c i a lt r a i n i n gs h i po fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y f i r s t l y , i no r d e rt ob em o r e c o n v e n i e n tt or e a l i z et h es o f t w a r ef u n c t i o n si nd i f f e r e n tm o d e s ，t h ea u t h o rm a k ea s p e c i a lr e s e a r c ho nt h ed i g i t a lg o v e r n o rs y s t e ma n ds a f e t ys e c u r eu n i ts y s t e mo nt h e b a s eo fc a r r y i n go u tad e t a i l e da n a l y s i so ft h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o n so fm a i ne n g i n e r e m o t ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , d e s i g n i n gt h em a i ne n g i n em o n i t o r i n gs y s t e ma n d a l a r m i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t yf o re n g i n e r o o ma u t o m a t i o no nt h el e v e lo fa u t - o i ti n c l u d e st h ei t e m so fm a i ne n g i n es h u t t i n g d o w na n dm a i ne n g i n es l o wd o w n b e s i d e s ，a c h i e v et h el o g i c a lc o n t r o lp r o g r a md e s i g n b yc o m b i n i n gc o n t r o lf l o wc h a r to fm a i ne n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e m t h i r d l y , b y 英文摘要 u s i n gt h em a p p i n gs o f t w a r ec o r e l d r a wm a po u tt h ep n e u m a t i cm a n i p u l a t es y s t e m ， d e s c r i b i n gc o n t r o lg a s m o t i o nd i r e c t i o na c c o r d i n g t oi t sl o g i cp r i n c i p l ea f t e rt h ec o n t r o l a i rd i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s r e s p e c t i v e l ye s t a b l i s ht h em a i ne n g i n e ss t a n d i n gb y ， s t a r t i n g ，a n ds t o p p i n gm a t h e m a t i c sm o d e l sf o rf u r t h e rr e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o n s 。o ft h e s o f t w a r e f i n a l l y ，a f t e rs e r i n gu pl o g i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ，u s i n gcj | j p r o g r a m m i n g l a n g u a g ea n da c t i o n s c r i p t 3 0u n d e rt h ev ce n v i r o n m e n tc o d i n gt h ep r o g r a m a n d n u m b e r so f m o v i ec l i pc o n t r o l sa r ec r e a t e di nt h ef l a s hc s 3e n v i r o n m e n t u s i n gt h ea c t i o n s c r i p t 3 0l a n g u a g et or e a l i z et h el o g i cr e l a t i o na n dd y n a m i c e f f e c t sa m o n gt h e s ec o n t r o l s ，a l lt h ed a t at r a n s f e r r i n ga r ea c h i e v e db e t w e e nt h ec # a n d a c t i o n s c r i p tb yw a yo fe x t e r n a la p if u n c t i o no r 、析t ha c t i o n s c r i p t 3 0c o m m a n d f u n c t i o n a sar e s u l to ft h ei n t e r a c t i v eu s eo fb o t hl a n g u a g e s ，t h ed y n a m i c sa n di n t e r a c t i v e e f f e c t so ft h ew h o l es o f t w a r eh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d a n dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e b e c o m e sm o r ev i v i da n dl i f e l i k ei nt e a c h i n ga n d t r a i n i n g 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 ；v i s u a l c # ；f l a s hc s 3 ；s i m u l a t i o n 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= = 墼自自圭扭堡蕉丕统的遮盐量塞现：。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：勉 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。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文储签名缘 孙导师虢孙 日期：年月 e t 船舶主机遥控系统的设计与实现 第1 章绪论 随着科技的进步与自动化技术的发展，船舶自动化程度越来越高，装设主机 遥控的船舶逐年增多。尤其是近年来新造远洋船舶几乎都采用了高度自动化的主 机遥控系统，主机遥控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 。主机遥控系统在保障船舶的安全运行方面起 着至关重要的作用，因此对于主机遥控系统的研究既符合当前的需要又有强烈现 实意义。 1 1 本文选题背景及意义 现代船舶正向大型化、专业化和智能化方向发展，单船价值高，管理难度大。 随着船舶技术状况的优化和自动化程度的提高，船舶定员正在逐年减少。然而 高科技的船舶对高级船员在技术等方面的要求大大提高，致使符合国际标准的 高质量船员紧缺，给船舶安全留下了隐患。 传统的操作人员的方法是在实际装置上以师傅带徒弟的方式进行。由于实际 装置通常在正常工况下运行，所以被培训者很少有自己动手练习操作的机会，并 且相关成本高，培训效果也差。随着一些大型、复杂的生产装置不断出现和集散 控制系统的应用，现代人员培训问题越来越突出。计算机仿真培训系统的应用为 解决上述问题提供了一种有效的方法。 轮机仿真训练器( m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r ) 是计算机实时仿真技术在航海 领域的典型应用，目前己成为广大船员培训、考核的重要手段。我国是一个航运 大国，国际海事组织i m 0 在1 9 9 5 年7 月7 日全面修订的海员培训、发证和值班标 准国际公约中，明确规定：航海、轮机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的 培训才能上岗【2 】。每年有大量的高等院校的轮机学员走向航海工作岗位他们虽然 具有较强的理论知识但还是不够的，需要岗前训练，此外还有大批社会上的在职 船员要求技能提高培训，具有很大的船员培训市场。然而传统的实船培训高级船 员的方法不仅周期长、耗资巨大，而且风险也很大。现代船舶轮机仿真训练器可 以在很大程度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船很相似的场所下，进行 各项轮机管理、操作以及排除故障的训练。因此轮机模拟器成为海员训练中心和 第1 章绪论 航海类院校教育训练现代远洋轮机人员的必备设施。本文船舶主机遥控仿真软件 的设计作为轮机模拟器的一个部分，它既经济安全同时也能达到培训的实际的效 果。 1 2 仿真模拟器技术的发展动态 1 2 1 仿真模拟器的类别 船舶模拟器仿真技术在三十年的发展过程中，其系统的实现方法依据模型选 取类型的不同分为三大类【3 】： 1 实物仿真：按照真实系统的物理性质来构造系统的物理模型，对实际行 为和过程进行仿真。早期的仿真大多属这一类。 2 混合仿真：又称数学物理仿真，是将系统的部分模型用数学模型描述， 并在计算机上运算，而其它的模型直接使用实物，然后将它们连接成系统。这种 仿真系统主要用于大型船舶操作人员的培训、设备的分析和研究、运行特性分析 和控制系统研究等。这种仿真系统接入的实物部分则必须是实时的。 3 数字仿真：按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，也就是将实 际系统的运动规律用数学形式表达出来，以再现系统的特性并在数学模型上进行 试验。数字仿真可在实时、超实时和欠实时环境下运行。计算机为数学模型的建 立、运算和试验提供了有力的工具。 随着计算机软、硬件的发展，船舶模拟器仿真系统的研发工作也经历了三个 不同的发展阶段，它们分别是： 1 基于u n i x 或v m s 操作系统的仿真技术； 2 基于u n i x 或v m s 操作系统的图形化仿真技术； 3 基于g r m d o w s 操作系统的图形化仿真技术。 将虚拟现实技术引用到船舶模拟器仿真系统中，动态仿真得以实现，仿真系 统可以提供虚拟现实的能力，船舶模拟器系统可以用三维的虚拟世界加以描述。 研发实物仿真或混合仿真类型的船舶模拟器仿真系统成本高，可扩展性差，开发 基于软件的船舶模拟器仿真系统势在必行。采用基于软件的虚拟设备代替实际设 备，则增强了系统的灵活性和可扩展性，能够在保证较好的逼真度的前提下大幅 度地提高仿真训练的辅助教学功能。软件仿真系统能够适合有实船操作经验和无 实船操作经验的轮机管理人员的培训需要。这类仿真系统成本低、升级快，目前 2 船舶主机遥控系统的设计与实现 大多数仿真器均属此类。 1 2 2 轮机模拟器国际发展现状 二十世纪七十年代以来，挪威的挪控公司( n o r c o n t r 0 1 ) 、英国船商公司 ( t r a n s a s ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、波兰g o l y n i a 航海学院、日本三菱公 司( m i t s u b i s h i ) 、美国a v m o r 技术公司等大公司和院校均开始研制和生产轮机 仿真模拟器【4 j 。其中以n o r c o n t r o l 公司最为著名，产品居世界领先水平，已有近 5 0 0 套模拟仿真器交付全世界的商船公司、海军及航海院校、研究所和职业培训 中心使用，约占整个市场份额的8 0 t 5 1 。下面着重介绍n o r c o n t r o l 公司的二十世 纪九十年代最新产品p p t 2 0 0 0 及t r a n s a s 公司的1 9 9 7 年产品t e r s 2 0 0 0 。 p p t - 2 0 0 0 型轮机模拟器( 含船舶模拟器模拟器) 是f u l lm i s s i o np r o p u l s i o n p l a n tt r a i n e r 的简称。由教练员室、模拟机舱( 无模拟主机) 、学员练习室( 包括若 干学员练习终端) 等组成【6 】。p p t - 2 0 0 0 由集中式计算机网络系统构成，网络为以太 网，网络有h p 工作站2 台、微处理器若干。该系统运行于u n i x 操作系统之上， 使用二维流程图来显示系统流程结构，基本上为字符界面，人机界面不友好。不 配置示教板系统，只有一个c r t 对整个动力装置系统进行集中监控。t e r s 2 0 0 0 型轮机仿真模拟器( 含船舶模拟器模拟器) 是t r a n s a se n g i n er o o ms i m u l a t o r 的简 称。该产品具有多级别，模块化、通用性、开放性、组合性等腰三角形独特风格， 具有较高的性能价格比。t e r s 2 0 0 0 保留了机舱集中控制室的全部硬件，取消了 模拟机舱，模拟主机以及大型式教板等硬件设施，代之以软件型点触式屏幕控制 面板，多台学员练习终端以及大屏幕投影仪。全部使用微机，运行于 w 1 n d 0 w s 9 5 n t 环境之上，使用伪三维流程图和软控制面板，人机界面友好。 其主机模型和船舶模拟器模型可根据用户要求进行定制，并可与该公司生产的航 海模拟器相互连接。t e r s 2 0 0 0 中的s t a n d a l o n gp c 型属于纯软件模拟器。 1 2 3 轮机模拟器国内发展现状 我国的轮机模拟器研究工作起步较晚，总体技术正在赶超发达国家。在上世 纪7 0 年代末，大连海运学院率先从n o r c o n t r o l 公司引进了轮机模拟器。上世 纪8 0 年代中期，青岛远洋船员学院也从该公司进口了同类产品。这些产品目前 已显得陈旧落后【。7 1 。 1 9 9 4 年，武汉理工大学研制了以杂货船舶为仿真对象的国产轮机模拟器。国 第1 章绪论 产第一台全任务式轮机仿真训练器“w m s 一型轮机仿真训练器投入实际运行 后效果良好。与n o r c o n t r o l 公司的产品p p t 2 0 0 0 相似，“w m s 1 型轮机仿真训练 器”采用了与真实系统相似的控制设备，对仿真母型船的主机控制系统、集中监 视系统、工况计算机检测系统等进行了软件仿真，而且l 匕p p t 2 0 0 0 的人机界面友 好。 自从武汉理工大学轮机仿真训练器研制成功后，国内纷纷开始进行轮机仿真 训练器的研制，上海海运学院研制完成了以大型集装箱船机舱系统为仿真对象的 国产轮机模拟器“s m s c 2 0 0 0 型轮机仿真训练器”。上世纪9 0 年代末大连海事大 学也开始了轮机模拟器的研制，并且其产品也应用到了青岛船员学院学员的培训 上。此外，上海宏皓科技有限公司、上海船舶运输科学研究所、上海船舶设计院 等均在从事船舶轮机系统的建模和数字仿真工作。 1 ，3 本文研究的主要内容 本文是以大连海事大学新建实习船“育鲲”轮的主机遥控系统为母本进行主 机遥控系统的软件设计与研究。在对主机遥控系统原理熟悉的基础上，通过对备 车，启动，停车各个工况的逻辑的分析，建立出它们的逻辑数学模型，在v c 环 境下用c 群语言进行编程，结合f l a s h 的动画制作，实现一个完全逼真，界面友好 主机遥控系统的仿真软件。 具体的来讲主要有以下几个部分的工作要完成。 ( 1 ) 介绍主机遥控系统的基本知识，包括其功能以及逻辑回路的分析。 ( 2 ) a l p h t r o n i c2 0 0 0p c s 推进控制系统与调距桨的分析 ( 3 ) d g s 8 0 0 0 e 型电子调速器，s s u 8 8 1 0 型安全保护系统结构与软件功能 的研究 ( 4 ) 主机监视系统，安全系统，报警系统的设计 ( 5 ) 主机遥控系统逻辑控制程序的设计 ( 6 ) 气动操纵系统逻辑模型的建立 ( 7 ) 仿真软件的设计与实现 4 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概述 2 1 船舶主机遥控系统的基本知识 2 1 1 船舶主机遥控系统的发展 在船舶集控室或驾驶台通过自动控制设备操纵主机的系统称为主机遥控系 统。主机遥控系统是船舶自动化、特别是机舱自动化系统的一个重要组成部分， 是现代船舶不可缺少的设备之一。 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。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，己经出现了集控室 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 8 - - 9 。 九十年代中期，网络结构的分布式计算机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 2 船舶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【1 0 】。如图2 1 所示 5 第2 章船舶主机遥控系统概述 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。 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 关用于驾驶室与集中控制室之间的遥控部位选择。 6 船舶主机遥控系统的设计与实现 ( 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【1 1 】。 2 3 船舶主机遥控系统的功能 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。本 文研究对象“育鲲轮所采用的是调距浆推进系统，紧急制动时通过操纵车钟手 柄改变螺距进行倒车1 1 2 】。因此主机遥控系统的主要功能包括主机遥控系统的起动 控制功能以及主机遥控系统的其他限制。 2 3 1 船舶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 1 3 - 1 4 】。 柴油机起动对控制电路的要求如下： ( 1 ) 发出起动指令。 ( 2 ) 盘车机脱开。 第2 章船舶主机遥控系统概述 ( 3 ) 开始起动时，油门必须关闭。 ( 4 ) 柴油主机的转速必须低于正常起动转速。 ( 5 ) 无三次起动失败，或者说在允许的起动时间内。 ( 6 ) 起动空气压力足够。 慢转起动：如果主机停车时间较长，一般超过3 0 m i n 左右，因为主机长时间 停车后，缸套壁上的滑油下沉，缸壁干燥。在这种情况下，若直接起动主机，因 缺乏润滑而导致主机磨损厉害，使用寿命缩短。这种以低速慢转一圈的运动，叫 做慢转，在紧急情况下可以不经过慢转而直接起动。 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，自动控制主机中断起动片刻后的再次起动。重复起动的次数一般为三 次，三次起动失败，终止起动，发出起动失败报警。待查明原因或排除故障后， 方可重新起动。 2 3 2 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 5 - 1 6 】。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型1 7 1 。图2 8 为电子调速系统框图。 图2 8 电子调速系统框图 f i g 2 8s y s t e mc h a r to fe l e c t r o n i cs p e e dg o v e r n i n g 8 船舶主机遥控系统的设计与实现 ( 1 ) 转速限制：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 果把该信号直接送至调速器的输入端，则在调速器的p i 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。 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，因此是不可取的；阶跃信号虽能使稳态误差为0 ， 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和 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。加速度限 制器的作用是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【l 鄹。下图2 9 为加速限制曲线 n 1 0 0 5 0 图2 9 加速限制曲线 f i g 2 9a c c e l e r a t i o nl i m i t e dc u i v e 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。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 9 第2 章船舶主机遥控系统概述 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 避上刚1 9 1 。本系统只介绍运用最广泛的一种：当车令转速落在临界转速范围内靠 近下限时，将主机转速限制在临界转速下限以下；当车令转速落在临界转速范围 内靠近上限时，以最快上升速率将速度通过临界转速区限制在上限以上不变。如 图2 1 0 所示： n 上限值 下限值 图2 1 0 临界转速限制 f i g 2 10c r i t i c a ls p e e dl i m i t e d 转速区 ( 2 ) 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， 主机已经承受很高的机械负荷和热负荷，此后的加速过程必须严格加以限制，防 止超负荷。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，即为程序负荷【2 0 1 。 负荷限制是对主机的供油量进行限制，主机在起动过程中，加速过程中和定 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【2 1 1 。 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，由于存在一个较快 的加速过程，因而转矩值可能会很大。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。实现方案有两种：一是采用实际 转速限制油量方式，二是采用设定转速值限制油量方式。 l o 船舶主机遥控系统的设计与实现 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， 导致冒黑烟和受热部件过热等后果。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，会对主机安全有效的运 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 2 1 。 2 3 3 船舶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 的转速限制及最稳定转速限制等【2 3 1 。 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 古 间。 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。 第2 章船舶主机遥控系统概述 2 4 主机遥控逻辑回路的分析 对主机的控制与操作都是依靠各个控制逻辑的正确完成来实现的，因此对于 主机的备车，起动，停车等逻辑的理解与设计就变得尤为重要。 在自动遥控系统中，起动逻辑回路是基本的逻辑与控制回路之一。其基本功 能是，当有开车指令时，能自动检查是否满足起动的逻辑条件；当所有的起动逻 辑条件均得到满足时，能自动输出一个起动信号去开启主起动阀，对主机进行起 动；当主机达到发火转速时，能自动撤消起动信号，关闭主起动阀，结束起动， 使主机在供油状态下运行。用于完成这一基本功能的逻辑回路称为主起动逻辑回 路【2 4 】。 2 4 1 主机启动逻辑回路 主起动逻辑回路是遥控系统完成起动的最基本的控制回路。它能检查起动条 件是否得到满足，并对起动过程进行自动控制。而起动条件包括起动鉴别逻辑条 件和起动准备逻辑条件。 ( 1 ) 起动鉴别逻辑条件 对于采用可调距螺旋桨主机来说，起动鉴别逻辑条件只包含一个内容：是否 有没有开车指令；如果用圪表示起动的鉴别逻辑，圪= 1 表示有开车车令，且 车令与凸轮轴位置一致，满足起动鉴别逻辑；否则，表示不满足起动鉴别逻辑。 ( 2 ) 起动准备逻辑条件 满足了起动鉴别逻辑并不意味着可以打开主起动阀进行起动，要进行还必须 满足起动准备逻辑条件。这些起动准备逻辑条件多数是在备车时完成的。不同机 型的起动准备逻辑条件不尽相同。对于m a n b & w6 s 3 5 m c 来说，需要满足以下 条件，这些条件可用符号表示如下i t g 盘车机脱开信号，脱开为1 ，否则为o ； 主起动阀位置信号，在自动位为1 ，否则为0 ； 只起动空气压力信号，压力正常为l ，太低为o ； 昂操作空气压力信号，压力正常为1 ，否则为0 ； 只滑油压力信号，压力正常为1 ，否则为o ； 1 2 船舶主机遥控系统的设计与实现 e s 遥控系统电源信号，正常为1 ，否则为0 ； 髂操纵部位转换信号，转换完成为1 ，否则为0 ； 巧模拟实验开关位置信号，在工作位置为1 ，在实验位置为0 ； ：妤故障停车复位信号，已复位为l ，否则为0 ； i 三次起动失败信号，无三次起动失败信号为1 ，在重复起动过程中， 经三次起动均未成功为0 ； 起动限时信号，未到限时时间为1 ，达到起动限时时间为o ； 仫起动转速信号，n s n z ( 发火转速) 为1 ，体一为0 。 主机起动时，上述准备条件必须全部满足，因此它们之间应是“与 的关系， 其逻辑表达式为( “表示与，“+ 表示或) ： = t g 椰。巴弓乞e s p s t s s t e 。n s 显然，= l 表示所有准备条件均满足，而= o 则说明至少有一个条件 不满足。 ( 3 ) 主机起动逻辑回路逻辑图 起动逻辑回路要最终发出起动信号，必须同时满足起动鉴别逻辑和起动准备 条件，因此，这两者是“与的关系，其逻辑表达式为： = r s l2 t g m v e 。p o 。e s p s t s s t 历。乙。n s 。 根据该逻辑表达式可画出主起动逻辑回路的逻辑图，如图2 1 1 所示。 逻辑图是逻辑表达式的一种等价描述，它并不代表某一具体遥控系统的实际 电路。但它可以是对某一具体系统的逻辑分析结果，也可以是某一具体系统的逻 辑设计方案。至于其实现，可以采用气动元件，有触点或无触点电路，甚至是计 算机程序。 下面以该逻辑图为例说明主起动逻辑回路的工作过程，以求对主起动逻辑回 路的进一步理解。若所有的起动逻辑条件均已满足，即= 1 ，则主起动阀开启， 对主机进行起动。当主机转速达到发火转速时，n s 为0 ，k ：0 ，立即由1 变0 ，关闭主起动阀停止起动。如果从发出起动信号( r s o = 1 ) 开始，在规定的 第2 章船舶主机遥控系统概述 时间内，主机仍未达到发火转速，则= 0 ，终止起动，并发出起动失败的声光 报警信号。起动失败的另一种情况是，在起动时，主机能达到发火转速，即为 0 ，但撤消起动信号后，主机转速立即下降，以至下降到零。如果起动逻辑回路 设有自动重复起动功能，那么第一次起动失败后，将会在间隔一段时间之后自动 进行再起动。但是，当第三次起动仍然失败时，只将变为0 ，终止整个起动过程， 并发出起动失败的声光报警信号。s t 是故障停车的复位信号。如果主机由于某 些故障而自动停车，或者三次起动均失败，s t 为0 ，不允许起动主机，待故障 排除后，必须把车钟手柄扳回到停车位置，使之由0 变为l ，这个过程叫故障 停车复位，只有复位后才允许动车，这就避免了在排除故障期间，主机突然动车 而造成危险。其余的逻辑条件很明显，这里不再详细说明。 m v p l t s t m 图2 1 1 主起动逻辑回路逻辑图 f i g 2 11l o g i