船舶主机遥控系统的设计与实现

1、船舶主机遥控系统的设计与实现 大连海事大学硕士学位论文船舶主机遥控系统的设计与实现姓名:黄建霖申请学位级别:硕士专业:轮机工程指导教师:张均东;曹辉20090601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

2、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,针对性研究育鲲轮电子调速系统,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,根据中国船级社自动化机舱等级.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

3、对主机遥控系统的逻辑程序控制设计。再次,利用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。本文是在环境下利用拌语言结合 .面向对象语言进行编程,在的环境下制作出多个控件,由.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.命令函数的调用和函数来实现和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;钟; ;仿真英文

4、摘要, ., . , . . . ” ., ., .英文摘要 ,. , 。 , ., ,., 、析 ., .: ;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

5、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 月船舶主机遥控系统的设计与实现第章绪

6、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【。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。.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

7、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 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,国际海事组织在年月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

8、机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的培训才能上岗【】。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

9、际的效果。.仿真模拟器技术的发展动态.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【】:.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。.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。.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

10、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:.基于或操作系统的仿真技术;.基于或操作系统的图形化仿真技术;.基于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

11、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,目前船舶主机遥控系统的设计与实现大多数仿真器均属此类。.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、英国船商公司、德国西门子公司、波兰航海学院、日本三菱公司、美国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【。其中以公司最为著名,产品居世界领先水平,已有近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

12、%。下面着重介绍公司的二十世纪九十年代最新产品及公司的年产品.。型轮机模拟器含船舶模拟器模拟器是的简称。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【】。由集中式计算机网络系统构成,网络为以太网,网络有工作站台、微处理器若干。该系统运行于操作系统之上,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,只有一个对整个动力装置系统进行集中监控。.的简型轮机仿真模拟器含船舶模拟器模拟器是 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。.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

13、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/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型属于纯软件模拟器。海模拟器相互连接。.中的.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。在上世纪年代末,大连海运学院率先从公司引进了轮机模拟器。上世纪年代中期,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【。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。国第章绪论产第一台全任务式轮机仿

14、真训练器“一型轮机仿真训练器投入实际运行后效果良好。与公司的产品相似,“.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,而且匕的人机界面友好。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“.型轮机仿真训练器”。上世纪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

15、作。,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,在环境下用群语言进行编程,结合的动画制作,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。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。推进控制系统与调距桨的分析型电子调速器,型安全保护系统结构与软件功能的研究主机监视系统,安全系统,报警系统的设计主机遥控系统逻辑控制程序的设计气动操纵系统逻辑模型的建立仿真软件的设计与实

16、现船舶主机遥控系统的设计与实现第章船舶主机遥控系统概述.船舶主机遥控系统的基本知识.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

17、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。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。.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

18、【】。如图.所示第章船舶主机遥控系统概述紧急操纵图.主机遥控系统的组成.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。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

19、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。船舶主机遥控系统的设计与实现遥控装置: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

20、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。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。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,

21、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【】。.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】。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。.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

22、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:发出起动指令。盘车机脱开。第章船舶主机遥控系统概述开始起动时,油门必须关闭。柴油主机的转速必须低于正常起动转速。无三次起动失败,或者说在允许的起动时间内。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

23、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。.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】。电子调速器主要是由调节器组成,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

24、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。图.为电子调速系统框图。图.电子调速系统框图.船舶主机遥控系统的设计与实现转速限制: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

25、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,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【鄹。下图.为加速限制曲线%图.加速限制曲线.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

26、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,遥控系统能第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。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.所示:上限值转速区下限值图.临界转速限制. 负荷限制:当主机转速达到额定转速的%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

27、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【。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【。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。船舶主机遥控系统的设计与

28、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。.船舶主机遥控系统中的其他限制在转速

29、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【。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

30、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。第章船舶主机遥控系统概述.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

31、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【】。.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。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

32、指令;如果用圪表示起动的鉴别逻辑, 圪表示有开车车令,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。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. 来说,需要满足以下条件,这些条件可用符号表示如下?盘车机脱开信号,脱开为,否则为;?主起动阀位置信号,在自动位为,否则为;只?起动空气压力信号,压力正常为,太低为;昂?操作空气压力信号,压力正常为,否则为;只?滑油压力信号,压力正常为,否则为;船舶主机遥控系统的设计与实现?遥控系统电

33、源信号,正常为,否则为;髂?操纵部位转换信号,转换完成为,否则为;巧?模拟实验开关位置信号,在工作位置为,在实验位置为;:妤?故障停车复位信号,已复位为,否则为;?三次起动失败信号,无三次起动失败信号为,在重复起动过程中,经三次起动均未成功为;%?起动限时信号,未到限时时间为,达到起动限时时间为;仫?起动转速信号,发火转速为,体一为。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:?椰。巴弓乞?。%。显然,表示所有准备条件均满足,而则说明至少有一个条件不满足。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

34、动准备条件,因此,这两者是“与的关系,其逻辑表达式为:?。历。乙。根据该逻辑表达式可画出主起动逻辑回路的逻辑图,如图.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,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,为,:,%立即由变,关闭主起动阀停止起动。如果从发出起动信号开始,在规定的第章船舶主机

35、遥控系统概述时间内,主机仍未达到发火转速,则%,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,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,终止整个起动过程,并发出起动失败的声光报警信号。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,为,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,使之由变为,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

36、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。图.主起动逻辑回路逻辑图.慢转启动逻辑回路慢转起动是指,主机长时间停车后,再次起动时要求主机慢慢转动一转到两转,然后再转入正常起动。这样能保证主机在起动过程中的安全,同时对相对摩擦部件起到“布油作用。慢转起动的逻辑条件船舶主机遥控系统的设计与实现起动前主机停车时间超过规定的时间,用.%表示:没有应急取消慢转指令,用表示;主机没有达到规定的转数转或规定的慢转时间,用豆表示;没有重起动信号,瑶为;满足起动的逻辑条件,岛,即、均为。以上逻辑条件是与的关系,因此慢转起动逻辑表达式为%。墨。慢转起动逻辑回路的功能慢转起动逻辑回路用来

37、判断慢转逻辑条件,若满足条件则形成慢转指令。遥控系统送出起动指令后,慢转起动逻辑回路要能判别是否已形成慢转指令,若已形成慢转指令,则要进行慢转起动,否则直接进行正常起动。慢转起动成功后,自动转入正常起动,同时撤销慢转信号慢转电磁阀失电。实现慢转起动的控制方案慢转起动的实现包括两个内容:一是慢转条件的检测和慢转指令的形成,二是慢转动作的实现。在实际应用中,慢转动作的控制方案基本上有两种:控制主起动阀开度的方案和采用主、辅起动阀的方案。“育鲲轮所采用的就是后者。控制主起动阀开度的方案图.示出控制主起动阀开度实现慢转起动的工作原理图。当形成慢转指令时,为,电磁阀通电右位通,当有起动指令为时,阀圪下位

38、通,主起动阀上面的控制活塞被起动空气压下,限制主起动间的开度,进人起动系统的起动空气压力较低,流量较少,主机只能慢慢转动,主机转过转或转后,撤消慢转信号为,电磁阀断电左位通,控制活塞上面的气压信号经阀圪下位放大气,主起动阀全开进行正常起动。主机达到发火转速时,为,阀圪上位通,关闭主起动阀停止起动。第章船舶主机遥控系统概述号起动号图.控制主起动阀开度的慢转起动方案图.采用主、辅起动阀的方案图.示出采用主、辅起动阀控制慢转起动原理图。当形成慢转指令时,为,电磁阀通电下位通,当有起动指令时为,阀右位通输出气源压力信号。该信号使阀形右位通,打开辅起动阀。气源信号被截止在阀的下位,阀%控制端经阀下位放大

39、气右位通,关闭主起动阀。因流过辅起动间的起动空气量较少,主机只能慢慢转动进行慢转起动。在主机转过转或转后,撤消慢转指令,为,电磁阀断电上位通。阀圪左位通,主阀打开,主、辅起动阀均打开进行正常起动。当主机达到发火转速时,为,阀左位通,阀叼和瑶的控制端信号均从阀左位放大气,阀形左位通,阀%右位通,主、辅起动阀全关闭,停止起动。船舶主机遥控系统的设计与实现关?一开图.采用主、辅起动阀控制的慢转实现方案图.慢转是许多大型船用低速柴油机气动操纵系统的一个重要功能,即使未安装自动遥控系统,也能进行慢转操作。此时慢转条件要么由轮机员人工判断,要么由其它独立设备,如主机监控单元进行检测当满足慢转条件时指示灯亮

40、。需要慢转时,轮机员按下集控台上的慢转按钮,主机进行慢转,松开按钮时慢转结束。另一方面,根据实际需要的不同,并不是所有自动遥控系统都具备自动慢转的功能,此时主机的慢转操作也是手动进行的。第章船舶主机遥控系统的设计与分析第章船舶主机遥控系统的设计与分析.育鲲轮主机遥控系统.育鲲轮概述我校新建实习船“育鲲轮由上海船舶研究设计院自行开发,专门针对航海类专业学生教学实习而进行设计,合理设置各类教学实习和科研场所,舱室标准较高,功能区域布局合理。船上设置计算机局域网,全船的机电数据和视频信息除输送到工作场所外,还可送到教室和实验室,为教学实习和实验提供实时信息,为航海科学研究提供全面的实船测试数据。该船

41、具有良好的航海性能和安全性。船舶设置综合驾驶台系统、级机舱自动监控系统、可调螺距螺旋桨、轴带发电机、柴油发电机组、首侧推器和可收放式减摇鳍,改善了船舶性能,在稳性、分舱、消防、救生、脱险通道等方面除满足规范要求外,还有充分的裕度。该船装备了雷达波浪测试仪、船舶姿态测试仪等先进的测试仪器,不仅是现代化的专用航海教学实习船,还可用于交通运输工程、航海和轮机工程的实船测试和科学研究,每个航次可供名学生在船实习。由于该船不设货舱,专门用于学生的教学实习,因而增加了学生的实际操作时间,以保证学生的实习质量【。表.“育鲲”轮设计及工作条件“?.环境温度海水温度低温冷却淡水温度.大气压力%相对湿度横倾 。.

42、横摇纵倾 。纵摇 .。船舶主机遥控系统的设计与实现表.“育鲲轮船体主要技术数据.“”总的吨位.船总长.垂线间长型宽 .型深 ./.设计吃水服务航速 .实验航速续航力.船员包括教研员与实习生学员表.该船采用的. 柴油机主要技术数据. 机型气缸数缸径 行程 .活塞平均速度/.几何压缩比.平均有效压力最大爆发压力肝 .压缩压力肝?发火顺序额定转速/最大持续功率耗油率/.气缸油消耗率/增压器型号第章船舶主机遥控系统的设计与分析根据“育鲲轮的特点,将其主机遥控系统概括为三大部分:由车钟操纵来实现主机启停换向遥控系统,二是实现主机转速控制的数字调速系统:三是实现安全保护功能的安保系统。他们配合使用,组成一

43、套完整而功能齐全的主机遥控系统。.调距桨及其控制系统.装置的组成根据调距桨动作原理,一般调距桨装置包括个基本组成部分。调距桨调距桨包括可转动的桨叶、桨毂和桨毂内部装设的转动桨叶的转叶机构等。调距桨转叶机构的作用是将往复运动变为回转运动。转叶机构如下图所示。其中图.为十字头上开槽,曲柄上带销。图.为十字头上带销,曲柄上开槽。伺服活塞带动十字头作往复运动,转叶机构将十字头的往复运动变为曲柄的回转运动。该机构结构紧凑,传递扭矩能力大。“育鲲轮上的转叶机构如图.所示。础定转龌动图.转叶机构示意图.传动轴调距桨的传动轴由螺旋桨轴和配油轴组成,两者用套筒联轴器相连。这种传动轴和定距桨的传动轴不同,它是中空

44、的,伺服油缸位于桨毂内。中空的螺旋桨船舶主机遥控系统的设计与实现轴见图.内置有一供油管,一路液压油在供油管内部流动,另一路液压油在供油管外侧和传动轴内侧之间的空间流动。另外,供油管一端与伺服活塞相连,另一端通过反馈凸缘与反馈环相连,当伺服活塞移动时,油管和反馈环推拉反馈装置,起到传递螺距的作用。伺图.调距桨结构图 .调距机构调距机构包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞见图.,分配压力控制油给伺服油缸的配油轴见图.,及其附属设备等。它的主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。液压伺服单元的功能是调节和控制螺旋桨的螺距,它是桨毂末端的一个整体部分。伺服活塞的移动是靠液压油的推动,液压油则

45、是由动力单元提供的。来自动力单元的液压油靠配油轴以及在传动轴中的管路传递到活塞,活塞带动桨叶至所要求的螺距。液压系统液压系统主要由油泵、换向阀、油箱和管件组成。他的作用是为伺服油缸提第章船舶主机遥控系统的设计与分析供符合要求的液压油。伺服油泵共两台,分别由.控制箱控制,其作用是为系统提供压力油相关参数见表.。控制箱内部装有磁力启动器和控制电路板,外部设有控制方式选择开关位是“停止”,位是“本地”,位是.“遥控,位是“自动、启动/停止按钮、故障报警以及电源和运行指示。主机运行期间始终保持一台泵运行,另一台泵习惯上被称为“增压泵”,当变距所需油压超过一定值时,第二台泵启动,在伺服油压返回正常范围后

46、自动停止。另外,还有两台漏油输送泵,其作用是适时将泄放柜的油驳回油箱。表.“育鲲”轮调距桨相关参数. 可调桨液压伺服油泵 可调桨泄漏油输送泵数量数量 台 台排量 / 排量 . /. 压力 / 压力. . 功率 功率转速 /操纵系统操纵系统主要由操纵台和指示系统组成。它的作用是按预先确定的控制程序同时调节发动机的转速和调距桨的螺距,以获得所要求的工况。正常情况下,在机舱控制室和驾驶台都有相同的操纵台集控室一个,位于控制台的正中间,驾驶台三个,分别位于驾驶台中间和两翼操纵站,它们之间可以转换控制地点。操纵台上有车钟手柄,螺距指示仪表,螺旋桨转速 如图.所示。船舶主机遥控系统的设计与实现图 调距桨集

47、控台控制面板 控制系统爱控制原理“育鲲”轮变距桨的控制系统包括驾驶台面板、机舱面板、控制箱、螺距反馈装置、电磁换向阀、报警箱等。图.是该系统的原理框图。操纵手柄实际上是一个角度传感器,它输出一个与手柄角度成比例的电信号,是螺距控制的指令信号。螺距反馈装置是一个位置传感器,它输出一个与桨叶的实际螺距成比例的电信号,该信号即螺距控制的反馈信号。伺服电磁阀为三位四通电磁换向阀,是遥控系统的执行装置。控制箱里的单元则是信号的处理中心,最后的执行指令是从这里发出的。报警系统可提供遥控系统的失电、失控,液压系统的油压商、油压低、油温高、油箱油位低以及主机超等报警。当出现异常时,有关传感器或继电器的触头断开

48、,信号经报警板处理后,在驾驶台和机舱总报警显示器上以声光显示出来,目 报警灯闪烁,蜂呜器呜叫,在报警显示器上出现闪动的“”。报警类型为符合船舶检验规范的失电开路报警,当油泵出现故障时,除发出低压报警外,双泵转换装置将自动启动备用油泵,以确保液压系统有足够的变距油压。第章船舶主机遥控系统的设计与分析从图七可知,由车钟发出的指令信号和与供油管联结的螺距反馈装置发出的螺距信号被送到螺距控制单元,在那里信号进行处理、比较。需要变距时,则产生电磁阀驱动信号,打开高压油至配油轴的通路,由此推动油缸活塞,带动转叶机构使桨叶向所需螺距移动。在操纵面板上设有螺距指示表,可以直观地看到螺距变化的过程。当遥控控制发

49、生故障或船舶遇到异常情况需要快速变距时,可以操纵驾驶室的辅助车钟直接驱动电磁阀进行变距。图. 控制系统控制原理图.船舶主机遥控系统的设计与实现.推进控制系统“育鲲”轮所用的推进控制系统是公司开发的。具有如下功能和特点【:.确保柴油机和螺旋桨处于最佳的负荷匹配状态,提高经济性能.确保推进系统的安全控制和船舶操纵的可靠性能。.有利于配备轴带发电机,保证柴油机转速控制在要求的范围内,实现机桨的最佳匹配。.确保推进系统的快速响应和提高调距桨在机动操纵下的效率。.通过程序负荷控制,可以防止柴油机热负荷过高。.防止柴油机超负荷,延长推进系统的使用寿命。.采用模块化设计思想,进一步加强控制系统的冗余、可靠性

50、.提高对环境变化的适应性,实现最小排放控制,减少大气污染。.采用数字计算机系统,主要功能由软件实现,大大降低了硬件的投资费用。.可以实现在驾驶台、驾驶台两侧翼、集控室、机旁操纵推进装置。推进控制系统如下图.所示图. 推进控制系统图.图中可以看出,该系统主要由驾驶台控制面板、驾驶台侧翼控制面板、集中第章船舶士机遥控系统的设训与分斤控制室控制面板、主控制单元组成。驾驶台和集中控制室控制面板主要完成控制指令的发送、操作模式的选掸、控制参数的设定、运行参数的显示和报警等功能.主控制单元是整个控制系统的核一音【分,根据操作模式和设定参速信号给出最佳的拧制信号.将其分别输出到蝶衅,腰系统和柴油机漪速系统,实现螺距和柴油机转速的控制控制面板:下图 是实有鲲轮的集控室控制面板。幽 集控室午钟控制面板实物图在控制面板上可以实现二种控制模式的选择:定速控制模式、组台控制模式和独立控制模式”。定速控制模式:在定速控制模式下,柴油机的转速设定值是不改变的.即柴油机在某一转速稳定运行,此时控制台驾驶台或者集中控制室的操纵手柄仅仅控制螺旋桨的螺距,定速模式通常用于特轴带发电机的运行工况,轴带发电机应与主配电板直接连接而且不需安装变频装置。从推进控制系统到主机调速器的设定值应调整到船舶主机遥控系统的设计与实现一个与主配电板频率相对应的值。螺距的给定值随操纵手柄的变化关系如