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毕业论文:船舶机舱自动化研究(终稿)doc

发布时间:2019-06-11 23:29 来源:未知 编辑:admin

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  摘 要 本论文结合电站自动化系统和主机遥控系统应用实例,依据船舶自动化系统设计经验以及沪东厂成功建造的各型船舶,就船舶机舱自动化现状、功能和特性、现行规范对自动化船舶分级及入级设计要求、主要配置的监测、报警、辅机的遥控操作和自动切换以及自动化系统的试验、验收等进行了综述;较好地总结了船舶自动化系统的设计规律,基本理顺了船舶自动化系统设计思路,可以指导今后的船舶自动化造船设计工作。并以此为基础,关注船舶电气自动化的新技术及发展方向。并进而展望未来船舶自动化发展趋势,紧跟电气自动化的发展潮流,以适应现代的船舶造船设计之需要。使我们的造船设计水平再上新台阶,并为我国建造高水平的船舶作出贡献。 关键词: 电站自动化系统 电站监控 主机遥控系统 监测报警 ABSTRACT In this paper,close1y conncting with the actual appication of automatization on power station and main engine remote control,and based on the experiences in automatization design together with the successively-built vessels of all kinds in our yard,summarized descriptions will go to the present status,performance and characteristics of automatization in machinery room,analysis and discussion will also be given to classified requirement by rules and regulation on system design of monitoring,alarm,remote control and automatic shift of main and auxiliary equipment including test and inspection;all of which by summarizing the design skeleton and the design ideals on ship automatization,have made some guidance with ship automatization design in the future. Fue more,close attention will be paid on the development of new technology on ship automatization by looking into the distance of tendency on the development of ship automatization and keeping up with the Joneseson the development of electric automaticzation,so that. Which can be qualified in shipbuilding design requirement in the 2l century. In the end,the paper is to aim at raising the shipbuilding design to a higher level as a contribution to buildingdvanced ship in China. Key Words: automatization on power station;Power statlon monitonng;main engine remote control; alarm 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 机舱自动化发展历史及现状 1 1.2 机舱自动化配置及其主要系统 1 1.3 机舱自动化设备配置及其功能特性 2 1.4 机舱自动化设备监测及报警 3 第二章 电站自动化系统 6 2.1 电站自动化系统的历史与发展 6 2.2 电站自动化系统的一般介绍 6 2.2.1 安全保护系统 7 2.2.2 自动控制系统 7 2.2.3 自动监测报警记录系统 9 2.3 电站自动化系统分析 9 2.3.1 CY8802C型电站自动化系统的特点 10 2.3.2 CY880ZC型电站自动化系统的功能 12 2.4 本章小结 15 第三章 主机遥控系统 16 3.1 主机遥控系统的历史与发展概况 16 3.2 主机遥控系统的基本形式 16 3.2.1 机械遥控系统 16 3.2.2 液压控制系统 16 3.2.3 气动遥控系统 17 3.2.4 电动遥控 17 3.2.5 气电遥控系统 17 3.3 主机遥控系统分析 17 3.3.1 WICHMATIC-Ⅱ主机遥控系统的组成 17 3.3.2 主机操纵部位的选用切换 18 3.3.3 主推进系统的控制 20 3.3.4 主机启动、停车和安全保护的PLC控制 23 3.4 本章小结 33 第四章 主机推进装置 33 4.1 近年来的推进装置主要形式 33 4.2 轴系 35 4.3 柴油机的动力系统 36 4.4 本章小结 37 第五章 自动化系统设计 38 5.1 自动化船舶分级和入级 38 5.1.1自动化船舶的分级级别 38 5.1.2自动化船舶入级及设计建造 38 5.2 船级社对机舱自动化的基本要求 39 5.2.1 设备设计 39 5.2.2 环境条件 39 5.2.3 电源和液压、气压源 40 5.2.4 绝缘电阻 40 5.2.5 耐压试验 40 5.2.6 电磁兼容性 40 5.3 船级社对无人值班机器处所的监测要求 41 5.4 无人机舱主要辅机的遥控操作和自动切换 41 5.5.1 设备接口 42 5.5.2 传感器 42 5.6 自动化系统设备安装和电缆敷设生产设计 42 5.6.1 设备布置安装基本要求 42 5.6.2 设备安装和电缆敷设的基本原则 43 5.7 自动化系统系泊和航行试验 43 5.7.1 系泊试验 43 5.7.2 航行试验 45 5.8 本章小结 45 第六章 自动化船舶发展趋势展望 45 结 论 46 致 谢 49 第一章 绪论 1.1 机舱自动化发展历史及现状 舰艇装备武器、观导、通信系统的自动化、电子程控化是衡量舰艇现代化程度的主要尺度,而机舱自动化是当代舰船共同研发的课题。然而,由于舰船使用任务的差异,受其战术技术要求或和技术经济指标的制约,在船舶自动化设计上也会有不同的定位和取向。 舰艇机舱自动化设置的目的在于避免和防止船员判断和操作失当,贻误战机,其次为减轻船员大量重复体力消耗,进而提高其战斗力和生命力。民用船舶机舱自动化除安全可靠因素外,尤以追求船舶运行的经济性为目的。 从本世纪50年代机电设备单元(或单机)自动化在舰船上大量采用,1961年日本建成“金华山丸”号,实现机舱集中控制和驾驶室遥控主机,成为世界上第一艘自动化船。60年代中期发展无人值班机舱,出现了第二代自动化船,如1964年日本为丹麦建造的“赛灵月”号(SELEM DAM)65型油船。该船除了机舱集中控制和驾驶室遥控主机外,还有火灾探测及自动灭火装置。在机舱、驾驶室和船员居住区之间设有通信和报警装置。其后,各国船级社陆续出台了满足不同程度自动化分级的一人或无人值班机舱船舶的技术标准,从而使舰船机舱自动化纳入规范化。 1.2 机舱自动化配置及其主要系统 分析研究沪东设计建造的自动化舰船,机舱自动化的配置和主要系统大致如下: 1.主推进装置自动化系统; 2.主柴油发电机组及电站自动化系统; 3.应急柴油发电机组自动化系统; 4.艏侧向推进装置遥控系统; 5.舰船自动减摇鳍/减摇水舱系统; 6.探火、易燃易爆气体探测、浸水报警、消防灭火等损害管制系统; 7.甲板机械自动化系统; 8.冷藏、空调、通风、辅锅炉或废气热油锅炉自动化系统; 9.焚烧炉、舱底水、生活污水、油净化器等环保设备自动化系统;/N2气等、惰性保护气体发生器系统; 11.离子膜海水制淡系统; 12.液货/干货(横向、纵向、垂直)补给系统; 13.直升飞机支援系统; 14.燃油/滑油输送阀控系统; 15.疏水/压载阀控系统; 16.液货阀控系统; 17.全船监测报警、打印系统; 18.冷藏集装箱控制监测系统; 19.其它辅助系统-传令、呼叫、时钟、监护等。 以上,各系统在舰船上的配置、在船东订货技术规格书有不同约定,每一系统一经设置,就必须满足有关船级社的规范。 1.3 机舱自动化设备配置及其功能特性 机舱自动化设备各系统在舰船上的配置特性,取决于各独立系统的要求一般均在船东技术规格书和/或在船级社规范中有明确规定。现以主推进装置自动化系统为例,描述如下: 1.三级操作功能:在机旁、主机集控室、驾驶室进行应急手动控制、全自动、半自动遥控; 2.优先控制功能:机旁优先集控室、集控室优先驾驶室; 3.主要操控装置布点:机旁控制板(LOP)、主机集控台(ECC)、驾驶室控制台(WHC)、桥楼舷翼控制台(BWC); 4.安全保护功能:应独立于控制和报警系统,以保证主推进装置连续安全运行; 5.联锁功能:主推进装置的起动控制电路一般设有如下联锁环节: (1)盘车机脱开; (2)预润滑滑油压力不低于设定值; (3)CPP处于零位; (4)PTO离合器位置正常; (5)安全停机、应急/正常停机信号有效; (6)阻塞/备便开关处于备便(Ready to start)位置; (7)PLC程控器等电子器件和供电电源正常有效; (8)主机转速处于点火速度以上,完成起动过程。 6.自动跨越船舶共振区功能:当主机转速临界船舶共振点,会引起不允许的共振现象。自动系统一般设有自动跨越该共振区的保护功能; 7.越控功能:为确保舰船安全,即使主推进装置安全系统发出停机指令,在WHC上还设有“越控”按钮(overrid push button),以便实施“弃车、保船”效能; 8.应急停机功能:在LOP、ECC、WHC等处设有“应急停机”按钮,万一当自控系统保护装置失效时,实施人工手动保护停机; 9.监测报警功能:监测、控制和安全系统监测参数越限,分为“报警”、“减速”和“停机”三级程序保护,并延伸至WHC和船员住舱等处报警; 10.报警和制表打印功能:设有报警打印机和制表打印机,军用舰船一般还设有车令打印记录装置; 11.彩色CRT或LCD显示功能:CRT(Cathode Ray Tube)彩色阴极射线管有逐渐被LCD(Liquid Crystal Display)彩色液晶显示器所取代的趋势。显示方式有模拟式、光柱式、文字符号图象式、快闪/慢闪/平光闪现式; 12.指令传送功能:作为“自动控制”,“半自动控制”的应急措施。由船长在WHC发出操纵指令,ECC和/或LOP执行指令并复令给WHC,实施人工手动应急操机; 13.主机通信功能:对双机或多机双桨舰船,主推进控制系统的微机除能按照人工设定的最佳经济曲线(主机转速-可调桨螺距-输出功率)自动控制外,还设有参数通信功能,变双手柄操机为单手柄操双机或多机成为可能。简化双机或多机负荷匹配平衡过程; 14.声光组合报警器:一般在机舱设有若干个声光报警器,组合有如下报警功能; (1)主推进器自控系统报警; (2)电站辅机等系统报警; (3)通用报警(弃船逃生); (4)火警(探火器动作2分钟后)报警; (5)CO2灭火(人员撤离现场)报警; (6)电话(自动电话、损管电线)传令钟指令呼叫; 对不同系统的报警或呼叫信号,可以发出3组不同频率的声响和闪光信号,当值守人员应答后,闪光信号由快闪变慢闪,声响信号停止,报警、召唤信号消失后,光闪停比; 15.值守人员监护、呼叫装置-冷库呼救、病房医务监护呼叫、值守人员( Dead man watch alarm)监护、锚机和消防泵过载/故障报警等; 16.UPS不间断电源-按船级社配置供机舱自动化系统的不间断电源应满足断电后连续使用15分钟的要求。 1.4 机舱自动化设备监测及报警 机舱自动化系统测点有一个量的概念1.测点数量与舰船自动化系统的复杂程度相关2.测点采样接口方式并非统一固定模式,而是取决于该船系统组成(1)5000吨级油轮测点采样接口进入全船监测报警系统和探火/可燃气体探测器(2)军用舰船除分别进入全船监测报警系统、损害管制系统外,还分别接入电站、直升机等独立系统,分别由各主管部门监视。 3测点数量与舰船的吨位不成线吨成品油轮: 251点/5000吨,约0.050点/吨(3)大型舰船的测点数量与船吨位的比率还要低于0.005点/吨如22000吨级补给舰:898点/22000吨,约0.041点/吨从中发现成品油轮的测点与船重吨位比率仅为护卫舰的/3,大型补给舰约为护卫舰的1/44.测点数量机舱自动化系统采样量,从侧面反映了这样一个事实:自动化程度越高采样点越多,船价可能会越高。尤以军用舰船从高可靠性出发,要求自动化系统采用热备件的“冗余设计”,故其代价就较般民用船高出一档成为不争之事实。 1 论文工作 本论文以总结沪东己建造舰船的机舱自动化配置为切入口,针对当今世界造船发展趋势,围绕舰船机舱自动化的设计从以下几方面展开论文工作: 1舰船机舱自动化的发展历史、现状、设备配置及发展趋势2.舰船电站自动化系统的设计研究3.舰船主机遥控系统设计研究4.舰船自动化系统造船设计、试验及验收5.自动化船舶发展趋势展望结合电站自动化、主机遥控以及自动化系统的试验、验收实例,分析研究机舱自动化,既供总结经验,还可指导今后机舱自动化造船设计工作,理顺舰船机舱自动化设计思路,提高设计质量,降本增益,进一步创收增效,提高造船国内、国际竞争能力。1.6 本章小结 舰船机舱自动化从单机自动化、无人机舱,跨入一人桥楼驾驶船舶大约了近年时间。沪东从1982年设计建造4000/6000马力,出口澳大利亚(按英国劳氏船级社规范设计)的无人机舱多用途拖轮,到1992年日德2700TEU“柏林快航”号一人桥楼驾驶大型集装箱船,前后仅12年,创造了令造船界惊叹的发展速度。素有 “护卫舰摇篮”美誉的沪东造船厂,舰艇机舱自动化的发展,同样取得不俗成绩。19891992年为泰国皇家海军设计建造的053HT/O53HT(H)型“昭披(CHAO PHR AYA)”号、“邦巴功”号、“克拉武里”号和“赛武里”号四艘导弹护卫舰,和1996年22000吨级海上补给舰、2001年3500T客货船设计配置满足舰船机舱自动化要求,在东南亚和国际造船界引起广泛赞誉。 本章主要对舰船机舱自动化系统的配置及其主要系统以及功能特性进行了括总结。 第章 电站自动化系统2.1 电站自动化系统的历史与发展 船舶电站是船舶的重要组成部分,而电站自动化是船舶自动化的主要内容之一。电站运行的可靠性、经济性及自动化程度对保证船舶安全、经济航行具有重要意义。随着船舶向大型化和多功能化发展,对船舶电站提出的要求也越来越高,因而船舶电站在近几年中有了很大的发展,其发展的突出标志是自动化。国外船舶自动化一开始大多是从电气部分着手,从最原始的手动本地操纵进化成手动遥控操纵,再进一步发展成半自动控制,最后发展到目前的最高水平电站全自动控制的无人值班机舱。早在60年代初期,日本、德国、英国等国就有电站单元自动化装置,如:英国的MMF自并车装置,日本的XET自动并车装置和XP自动负荷分配装置。到70年代中后期,人们在单元自动化装置的基础上,把它们系统地组合成成套电站自动化设备,系统可在集控室进行集中控制,如:“里言斯顿”号船上的SEPA电站自动化控制系统,日“星光”号船上电站自动化系统。随着微型计算机的发展和推广应用,在80年代初期国外研制成功了微型计算机单机控制系统,如:用在我国“德大”轮上的日本大发公司配套的电站自动化控制系统,广州远洋公司15000吨上使用的丹麦SEMCO公司的APM电动自动化系统。到80年代中后期,随着微机网络技术的日趋成熟,国外众多国家相继开发研制多微机分布式网络型自动化控制系统,如:西门子、AEG等国际著名的大公司近期的产品,是目前国际上最新技术产品。 我国在船舶电站自动化方面起步较晚,而且计算机技术发展和应用落后于国际水平。因此,在电站自动化技术方面存在很大差距。前儿年,国内研制生产并投入使用的电站自动化产品,在技术上大都相当于国外六七十年代的产品,是分立元件单元化控制装置,在测量、控制精度及性能稳定性和可靠性方面均不太理想。近几年,也有不少单微机电站自动化系统,但由于其存在着一旦微机出现故障则整个电站自动化功能将全部失效等这一系统性先不足问题,因此这一产品的推广应用也受到限制。随着船舶向大型化、自动化方向发展,对船舶电站提出了更高的要求,因此,一个高可靠性、功能齐全的网络型多微机分布式电站自动化控制系统将是未来船电站自动化的发展趋势。 2.2 电站自动化系统的一般介绍 站自动化系统,它应包含三大部分,即安全保护系统、自动控制系统自动监测报警记录系统。下面对以上三个子系统作一般介绍。 2.1 安全保护系统 对于船舶电站安全保护系统又可分为原动机安全保护和电力系统安全护。 1原动机为柴油机的安全保护,主要包括: ()滑油压力过低应急停机(2)机组超速应急停机(3)机组冷却水温度过高应急停机等。 2原动机为汽轮机的安全保护,主要包括: ()滑油压力过低应急停机(2)机组超速应急停机(3)机组轴向位移过大停机(4)机组冷凝器内线.电力系统安全保护一般来说主要包括如下几种: ()过载保护,当运行发电机的输出功率或电流超过其额定值时,过载保护起作用。一般情况下,当过载达101%120%额定值时,延时5自动卸掉部分次要负载;当过载达1%额定值时,延时,使发电机自动跳闸(2)定子绕组内部短路保护,对于额定功率大于000kW的发电机组,当发电机运行主开关未合闸时,发电机电流%额定电流,则发电机自动消磁保护(3)发电机外部短路保护,当发电机电流为35倍额定电流时,延时0.20.6s使发电机跳闸当发电机电流为5倍额定电流时,瞬时动作时发电机跳闸(4)欠压保护,对带时限的发电机欠压保护,当发电机电少低于其额定电压70%-80%时,延时1.53s跳闸;对不带时限的发电机欠压保护,当发电机电压低于其额定电压4%-57%时发电机跳闸(5)逆功率保护,当发电机出现逆功时,其逆功为8%额定功率,延时58s使发电机跳闸以上为一般船舶电站安全保护系统应考虑的功能,在特殊情况下还应考虑过压、过频和欠频保护。 2.2.2 自动控制系统 船舶电站自动控制系统是电站自动化的核心,它所包含的内容繁多,下面就各个功能逐个介绍。 1.电压自动调整。电压自动调整就是对发电机磁场的自动调节,从而达到发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能指标有二个,即静态特性和动态特性。一般情况下,静态电压调整率应不超过额定电压的2.5%;动态电压调整率不超过额定电压的%,恢复时间不超过1.5(电压波动3%额定电压)2.机组自动起动。机组自动起动时应具有三次起动功能,若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以况时,备用机组应自动起动: ()电网电(2)在网运行机组的平均功率大于8%Pe; (3)在网运行机组发生故障需要换机或停机(4)机组接到人工起动指令时。 3.首机自动投入。在电站电网失电时,备用机组自动起动,最先起动成功的备用机组投入电网供用4.自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时,在备用机组起动成功后,自动进入准同步并车程序,根据并车三个条件:相电压相等、频率相同及相位差为零,自动测量和调整发电机电压、频率及相位,使并车三个条件满足并发合闸信号,一般合闸信号要提前几十毫秒发出, 并且待并发电机的频率要略大于电网频率5.自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配制度,使各运行机组负载按比例分配,一般负载分配差度小,频率调节精度为0.25Hz; 6.自动转移负荷及分闸(或称解列)。对已投入电网运行的机组出现以下情况时,则按顺序运行机组逐个解列: ()在网运行机组平均功率小于%Pe; (2)机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障; (3)有人工解列指令,且。当解列机组的负载转移到小于1%Pe时,发分闸信号。 7.机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后,则该机组就自动停机 。一般情况下,机组出现以下情况之一则自动停机; ()机组有严重故障(应急保护停机)或二类故障(2)机组平均负荷小于30%Pe,则先解列再自动停机; (3)机组接到人工指令需要停机。 8.大负荷起动询问控制。大负荷设备起动前发询问信号,电站自动控制系统接到信号后进行储备功率计算,若储备功率大于大负荷设备的额定功率,则大负荷即起动;若储备功率小于大负荷设备的额定功率,则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后,大负荷设备才可投入运行; 9原动机预润滑预热。电站机组在长期不用或环境温度较低的条件下,机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑,主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间,待机组起动成功后再停止,此后机组的润滑工作由机带润滑泵承担;其次,是对机组冷却水的预热,自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。一般冷却水预热装置有电预热和蒸汽预热二种2.2.3 自动监测报警记录系统1.显示和打印(1)动态显示被测参数; ()动态实时显示电站系统各种状态图; ()可进行运行参数全段、分页、故障、故障恢复及召唤等各种打印。 2.报警同时发出声光信号。声响报警信号应有信号收悉后的消声装置,但消声后不得影响后来报警信号的收悉。光报警信号应为闪光信号,当声响信号被消声时,闪光信号应同时转为平光信号,并一直保留到故障消除为止; 3有关机器正常的停机和启动过程中,必然会引起某些控制参数过多地偏离整定值此时考虑能自动联锁报警屏蔽线路,以防报警器误报警; 4.报警系统线路独立于安全系统,并尽量独立于控制系统线路。同时应能对报警系统的所有声光报警和指示灯工作状况进行试验; 5.所有测点均可以进行整点自动记录、报警和消警记录及应急自动记录功能。 2.3 电站自动化系统分析 在我国海军某大型导弹驱逐舰上,装有我国自己研制生产的具有国际九十年代同类产品先进水平的电站自动化系统(型号:CY88OC)。该电站系统有台1120kw主汽轮发电机组、台112OkW主柴油发电机组和一kW停泊发电机组组成,是目前我国海军船舶中电站装机容量最大、装机台数最多并且机组配置规格最复杂的电站系统,该系统的结构和功能框图见图 2.3.1 CY8802C型电站自动化系统的特点 1.系统采用三级分散装置和二级控制原则设计,从而使系统控制操作界线分明、功能全面、操作简便。三级分散布置是指机舱(机旁),前后配电板室和电站监控室,三级控制为手动、半自动遥控、自动(含越控)。手动操作优先于半自动遥控和自动,在机舱进行;半自动遥控优先于自动,在前后配电板室进行;电站监控室为自动控制、越控是指在特殊工沉下取消功率原则增减机的自动控制; 2.系统采用多台微机通过实时控制网络组成系统,构成电动自动化控制、监测、管理一体化系统,相当于国外年代同类产品的先进水平; 3.系统需解决动态、静态特性相差很大的汽柴发电机组的长期稳定并联运行难题。船舶汽柴发电机组的长期稳定并联运行是我国长期以来一直决的难题,因此,系统设计在此问题上采取了很多措施,如:取油门、汽门信号反馈采用“双馈”和“前馈”变结构综合智能控制,利用汽柴发电机组的实测静态特性曲线实行查表快速控制技术,并经同“电站动态模拟系统”联调及陆上动态系统配机联调试验,系统性能达到了预计效果; 4.首次采用星型和环型相结合的网络数据传送方式,解决了数据传送的哄谏性和可靠性问题。系统网络通信枢图图2.系统网络通信框图5.采用一台微机控制一个机组,一台采集器监测一个机组,使控制、监测功能按机组纵向分配,有效地提高了系统的可靠性、可维性及通用性; 6系统采用五种独立原则设计即: ()前、后电站监控系统设独立的供电装置; (2)前、后电站监控系统中具有相互独立的网络节点,可组成各自的通讯子系统,相互不影响; (3)一台机组有一个独立的功能完善的控制器控制,完成该机组的所有控制显示功能; ()一台机组有一个独立的参数采集器,完成该机组的全部参数的监测; ()系统中各单元分别采用独立的电源模块,降低了电源部分的故障率。 7.单元的硬件软件、模块化、通用化设计。系统各单元都有一通用微机模块组成,见图/0接口板可以是不同功能的模块,这样既满足了不同功能的要求,又实现了模块化、通用化的设计思想。另外,电路设计中采用大规模门阵列可编程电路及降额设计等技术措施,CPU采用INETL8089或80196十六位多功能微机,同时还采用硬件软化技术,从而提高了单元的通用性和系统组成的灵活性,使单元不仅体积大大缩小,集成度成倍提高,而且提高了单元组件的可靠性和抗干扰能力;8.关键单元的多重冗余设计: ()CJBW02型上级舰船微机除监测系统的参数报警外,还监视整个电站系统的运行工况,系统的数据管理、定时磁记录、历史数据的查询及实时功率动态趋势分析等,采用双重冗余设计; ()机组控制器和参数采集器采用冷备用冗余设计,冷备用控制、采集单元随时可更换其故障单元(3)2+实时网络采用热备用双重冗余设计,任何一套出现故障将随时无扰动切换到另一套工作; ()各机组重要参数除台CRT显示外,各机控制器中也有显示,因而达到了多重冗余显示。 9.控制与管理一体化。系统采用网络化设计,信息传递灵活方便,可以与管理计算机联网,构成船舶管理中心或船舶电力损管系统,从而在不增加成本或增加极少量成本的基础上,实现控制与管理一体化。2.3.2 CY88OZC型电站自动化系统的功能 制有自动(含越控)、半自动、手动三种控制方式。对控制方式的转换应相互联锁并手动操作优先于半自动操作,半自动操作优先于自动运行。即使装置发生故障,也不影响原有的手动控制。控制操作部位分为机旁、配电板室、集控室三个部位,前后电站配电板上分别具有手动/半自动/自动/越控选择开关,控制方式的设定前后电站都可操纵,后操有效; 2.机组的自动起动: ()组发生故障(如包括冷却水出温度过高、滑油压力过低、超速等)时,备用机组应自动起动。若备用机组为柴油机,则自动合闸供电的时间不超过30,若备用机组为汽轮机,则自动合闸供电的时间以人工起动成功后计算(本系统中汽轮机起动为手动起动);(2)电网负载增大而需要时,备用机组应自动起动。无备用机组可用,则发出报警和指示; ()母线失电后,所有备用机组立即起动,最先起动成功者自动投入; ()接到遥控起动指令时,相应机组能按预定程序自动起动; (5)当装置收到机组起动失败信息后,则能在起动失败时自动将起动指令转至下一台机组;(6)能对每台机组的自动和半自动起动予以闭锁,以便能安全地进行维修; (7)机组起动指令的发出不应超过三次。三次自动起动失败应在电站监控台发出声光报警。 3.机组投入和并联运行。当机组起动成功后能自动(或遥控操作)投入: ()无电时该机组在达到一定电压频率后立即投入; (2)母线有电时,该机组则自动同步,自动合闸; (3)有预防措施,以避免个或三个以发电机组开关同时合闸; ()自动并联后,具有有功功率自动分配功能,并满足负荷分配精度。机组的解列和停机:(1)并联运行的机组,当负荷量减小到在网机组30%Pe以下时,顺序指定机组能自动解列、停机。在越控状态,应有锁定措施、不能自动解列; (2)在解列过程中,除严重故障之外,均应能平滑地自动转移负荷; (3)机组发生超速或滑油失压等严重故障时,必须采取可靠措施紧急停机; ()遥控解列、停机时,相应机组能按程序解列、停机; ()当低负载减机时,按照在网机组号从小到大顺序减少机组。 5.具有分级卸载的功能。可分为三级分别卸掉不重要的负荷,确保电站系统的可靠运行; 6.汇流排母线隔离开关的控制功能见电站单线原理图。装置具有列功能 : ()当自动断路器CB、CB6、CB、CB接通时,发电机GG5组成一个大系统,此时具有一切自动控制功能; (2)当自动断路器CB7、CB分断,CB、CB6接通时,发电机G、G3、G构成一个系统,而发电机G、G构成第二个系统。此时两个系统均具有一切自动控制功能; ()自动断路器CB、CB为手动操作分、合闸,C、CB为人工指令自动分闸、合闸。7.具有岸电与电站单机组运行时的人工指令自动短时并联运行功能; 8.越控功能。在越控功能,不能根据功率原则发出增减机指令,但发生故障情况的自起动、停机功能不受越控的影响;图2.4 电站单线.发电机保护功能: ()过流保护; (2)逆功保护; (3)过压、欠压保护; ()欠频保护; ()主发电机定子内部短路保护控制。 系统对发电机的保护功能,只能作为主开关选择性保护后备保护,不能影响主保护的选择性。 10.自动预热润滑功能。当温度低于规定温度时,具有自动进行冷却水预热功能。当机组使用前首先进行机组预润滑,以保证备用机组处在随时起动的良好状态; 1.发电机组低负荷控制功能。当发电机工作,负荷功率25%额定功率时,控制系统输出柴油机低负荷运行信号,可控制机组进气的加热; 2.重载询问功能。当大负荷进入电网之前应发出询问,电网储备功率足够时,允许重载投入;当储备不足时,先自动起动备用机组,待储备功率足够时,再允许重载投入; 13.半自动控制功能。半自动控制方式下,操作部位为主配电室。起动、停机、合闸、解列分闸均为人工输入指令,但同步并车、调频调载、解列分闸、故障保护、自动预热等功能与自动方式相同; 14.联锁功能: ()前后电站最多允许三台主发电机组并联运行,但分区供电时不受制; ()停泊发电机组可与一台主发电机组长期并联运行; (3)不允许岸电与主发电机组长期并联运行,但可在联锁系统的监控人工指令自动与一台主发电机组短期并联转移负荷; (4)不允许岸电与停泊发电机组长期并联运行,但可在联锁系统的监控人工指令自动短期并联并转移负荷; ()不允许二台或二台以上机组同岸电并联运行。 15.显示和打印功能: ()动态显示被测参数; ()彩色CRT显示器以图形及字符参数表格直观地显示电站装置的工作状况及各测点参数值; (3)可进行运行参数全段、分页、故障、故障恢复及召唤等各种打印。 16.报警能同时发出声光信号。光报警信号为闪光信号,当声响信号被消声时,闪光信号同时转为平光信号,并一直保留到故障消除为止; 17.机器正常的停机和起动过程中,有能自动联锁报警屏蔽线路,以防报警器误报警; 18.报警系统的线路独立于控制系统,独立于安全系统线路。同时能对报警系统的所有声光报警和指示灯工作状况进行试验; 19所有测点均可以进行整点自动记录、报警的消警记录及应急自动记录功能。2.4 本章小结 本章结合CY88OC型电站自动化系统的特点、功能,对电站自动化系统从安全保护、自动控制、自动监测、报警等方面对电站自动化系统进行了分析综述,对电站自动化的造船设计进行了归纳。第章 主机遥控系统3.1 主机遥控系统的历史与发展概况 舰船机舱主机遥控系统是舰船机舱自动化的重要组成部分。在本世纪6年代以前的几十年里,船舶机舱里只有个别的或局部的机组、系统采用自动化技术,从局部自动到全面自动化经历了一段较长的岁月。随着自动化装置的设计、制造和管理各方面的日趋成熟,单项和局部的自动化逐渐增多。1961年1月,日本建成世界上第一艘具有机舱集中监视报警和主机遥控装置的8000吨级“金华山丸”货船,只需一人值班,船员人数减少至37人。引起了世界各国的极大关注,此后,机舱集中监视报警和主机遥控系统得以了迅速发展。70年代中期起,随着微型计算机的发展,微机随即被用到船上。80年代微机迅猛发展,集成度不断提高,中央处理单元由位、8位发展到16、32位以上。使微机在机舱集中监视报警和主机遥控系统中的应用得以迅速发展。 我国在年代后期,紧跟世界轮机自动化发展步伐。1978年,万吨级货船“长顺”轮使用了自行设计制造的主机遥控系统。1990年诞生了我国第一套完整的网络型微机控制主机遥控系统(CY880型)。该系统成功地安装于我海军某综合补给船上。 3.2 主机遥控系统的基本形式 32.1 机械遥控系统 利用钢丝绳、链条、杠杆等机械传动机构把驾控台或集控室的操纵手柄同主机的操纵机构连接起来,便构成了主机的机械遥控系统。这种系统结构简单、容易实现,是最早出现的遥控系统。 32.2 液压控制系统 这种系统具有结构牢固、传递力大、容易实现无级调速等优点。但由于传递距离近、管路接头多、渗漏能性增加而影响准确性,以及液压油的粘度易受温度影响等缺点,致使液压遥控系统很少被采用。虽然整个系统不采用液压,但是某个执行机构如调速器、可变螺距螺旋桨的传动机构通常采用液压系统。 3.2.3 气动遥控系统 由于系统采用的工质是压缩空气,所以系统由各种气动阀件组成,结构简单可靠,传递的距离比液压远,能传送30米左右。气路无需回气管路,而是将回气放大气中,并且不会造成大气污染。因其具有较多优点,船舶主机遥控中获得比较广泛的应用。 3.2.4 电动遥控 这种系统的突出优点是遥控距离不受限制、信号传递快、灵敏度和准确性高,并且易于使用电子计算机控制。尽管该系统具有这些突出优点,但是整个系统全部采用电器元件控制的遥控系统仍然很少。这是因为系统的某些执行部分,如主机的换向、起动、制动部分使用气动元件比电器元件更为适宜。 3.2.5 气电遥控系统 这是根据气动系统和电动系统各自的特点,互相取长补短组成的系统。控制距离近的用气动元件,控制距离远的用电器元件。执行部分用气动元件,控制部分用电器元件。所以目前发展最快,应用最广泛的是这种气电结合的遥控系统。 3.3 主机遥控系统分析 为便于分析,现以为香港机场设计建造的4999T成品油轮(嘉升、嘉宏)号的主机遥控系统为例,展开分析研究,该船主推进系统采用双机双桨设计,主机遥控系统采用瓦锡兰MATIC-Ⅱ遥控系统。现对该系统的组成及控制分别介绍如下: 33.1 WICHMATIC-Ⅱ主机遥控系统的组成 嘉升、嘉宏采用双机双桨设计,主机型号6LARTSILA(200x280),四冲程、涡轮增压中冷,燃油是以直接喷射方式进入主机。 主机转速(额定) 1000RPM输出功率 990KW 发火顺序顺钟向 15-3-6-2-4 逆钟向4-2-6-3-5 控制系统采用ICHMATIC-Ⅱ遥控系统.该系统土要由以下部分组成,见图3.图中:(1)车钟系统(2)驾控台操纵显示板(3)集控台操纵显示板(4)机侧操纵显示板(5)主控制箱(6)机侧接线箱MATIC-Ⅱ主机遥控系统的组成(7)设主机齿轮减速箱,P部分的有关检测传感器和执行部件其中14个检测传感器的工况变化还通过设于执的监测接线,它是机舱监测系统WE300的个组成成分,以便对主机的正常运行进行监视3.3.2 主机操纵部位的选用切换 操纵地点,选用切换的指令信号,是由各处的按钮通过输入接口(VMIO)插件N.5送入微机,其相应的声、光联系信号是由输出接(VMIO)NO.6由操纵地点发送的。 遥控系统对ARTSILA主机转速、离合器及推进器螺距的操调,可以分别在机侧,集控室和驾驶室处进行,操纵地点依据以下两种规律进行选用切换。.“驾驶室集控室”之的选用切换(1)遥控系统在被启用以后,总是立即在驾、集两处给出“驾驶室操纵有效”指示灯常亮显示,这表明操纵地点已选定在驾驶室; (2)驾驶室切换成集控室操纵这种切换要求既可以由集控室提出也可以由驾驶室提出,由要求一方按下“要求换”双位按钮以发出指令,于是在驾、集两处同时给出以声光联系信— 要求切换的声响器立即发出声信号— “驾驶室操纵有效”指示灯仍然常亮— “要求切换”指示给出闪光显示,然后应答一方同样按下双位“要求切换”按钮以表示同意,这时驾、集两处的声光信号将有以下变化: — 声响信号立即停止— “驾驶室操纵有效”指示灯熄灭— “集控室操纵有效”指示灯常亮这就表明,操纵权己经归属集控室; (3)由集控室改成驾驶室操纵同样,这种切换要求不论是驾驶室还是集控室都可以主动提出来,选用切换的过程也是首先由要求一方按下双位“要求切换”按钮以下达指令,驾、集两处同时给出以下声光联系信号.— 要求切换的声响器立即给出声响信号— “集控室操纵有效”指示灯仍然常亮 — “要求切换” 指示给出闪光显示应答一方随即按下双位“要求切换”按钮作出应答,驾、集两处的声光信号会有以下变化— 声响信号立即消失 — 操纵台上只有“驾驶室操纵有效”指示灯持有常亮显示,这时选用切换即告完成; ()以上“驾集”之间的选用切换;“集驾”之间的选用切换,不仅可以在停车情况下进行,而且可以在主机运行状态下进行,在这种情况,必须在切换操作之前做好准备工作,即要求该处给出的转速和螺距指令应保证在切换以后,对原先主机的运行状态没有任何扰。 2.应急情况下操纵地点的优先切换对机侧、集控室、驾驶室三个操纵地点,给出在应急情况下依次优先切换的设计,与通常情况下的选用切换不同,它不需要先联系后切换的操作过程,而是具有以下独特的操作规律: ()如果原先处于驾驶室操纵,现在因情况急需,要求立即切换成集控室操纵,这时轮机值班人员可同时按“要求切换”和“集控室应急操纵”两个按钮,这时驾、集两处会出现以下声光信号 — 声响器立即给出要求优先操纵的声响信号—“集控室操纵有效”指示灯和“要求切换”指示灯同时有常亮显示在这种情况下,集控室操纵已经有效,驾驶值班人员可以按下“要求切换”双位按钮只是表示“知道了”,这样,两处的声响会消失,两处操纵台上只有“集控室有效”指示灯是常亮的; ()如果原先处于驾驶室操纵或者是集控室操纵,现在因出现异常情况要求立即换成机侧操纵,那么轮机值班人员可以在离合器右侧打开保护盖板,按下机侧应急操纵”按钮,这时机侧操纵就立即生效,与此同时,在驾、集两处会给出相应的声光信号,原先操纵部位的值班人员应通过“要求切换”双位按钮给出应答操作,那么声响信号就消失,“机侧应急操纵,指示则会常亮显示,要注意:驾驶室该指示灯的 亮度是不受辉度调节控制的。 3.3.主推进系统的控制 嘉升、嘉宏主推进系统采用的是双机双浆设计,不论在驾驶室、集控室或是在机侧进行操纵都必须对以下三个环节解决好控制问题,即: — 主机的启动、停止和转速控制; — 离合器的啮合和脱开操纵; — 螺距的操调控制。 1.主机备车 要使主机得以顺利启动,事先应做好各项准备工作,这些必要的前提条件可大体上归纳如下: ()盘车机已脱开; ()主机处于正常停车状态; ()主机未进入运行工况; ()主机滑油压力正常; ()齿轮减速箱滑油压力正常; (6)没有故障停车指令; ()没有紧急停车指令; (螺距应处于零位; ()离合器伺服油的油压正常; (1)启动空气压力正常; (1)“闭锁准备”切换开关放在“准备”位置; 这些条件都满足了,就被称为备车结束以启动 2.正常停车 在通常达停车指令之前,必须具备以下条件:是要把螺距调到零位;是要把主机转速降到(600650)RPM,脱开离合器(ARTSILA主机附设有两套离合器,一套是液压离合器,它与主推进器相关连,另一套是气动离合器,它与货油泵相关连,这两套离合器之间设联锁保护)。 3.紧急停车 双位指令按钮在被按下起作用时,该指令与P的停车输入通道无关,而是通过继电器控制接点起作用的,在给出信号显示的同时,一方面使减速保护立即起作用,另一方面离合器脱开,并使停车电磁阀进入工作状态主机就很快停下车来,主机停车以后,要求双位按钮再操作一次,以求复位。通常,遥控系统只在集控室和机侧设置常启动和停车的指令操作按钮,驾驶室不设,而在驾、集和机侧都设有紧急停车的指令操作按钮。 集控室操纵 ()主机启动在启动操纵之前,必须满足允许启动的全部工作条件,这时指示灯给出备车结束可以启动的显示,值班人员按下启动指令按钮,主机就立即启动,其转速可以从转速表显示器读出,很快就达到600M稳定运行转速,启动即告完成; ()离合器的啮合与脱开设计要求,在主机处于M时可以进行离合器的啮合与脱开的操纵. 只要离合器闭锁指示灯没有显示,离合器脱开指示灯处于常亮,值班人员可以通过按钮给出要求啮合的指令,液压系统在控制阀件的切换过程中,与驾驶室的操纵过程一样,经7秒钟,完成离合器的啮合操纵,指示灯出现常亮就是个重要的标志,指示灯则熄灭;如果要把啮合着的离合器脱开,按按钮就可以发出指令,这时阀组立即有所切换,指示灯熄灭和常亮的显示变化是不受延时控制的; (3)主机转速的操纵主机在达到600RM稳定运行以后,值班人员可以转动集控台上的操纵旋钮以便通过电位器向MW系统给出调速指令,经过PL处理,电气变换,调速器使主机转速得到操调,从而达到指令所要求的转速; ()螺距控制主推进装置在停车、启动过程中,其螺距总是处于零位的,在主机达到所要求的转速后,就可以通过操作旋钮,即由与此相关的电位器发出正车、倒车的指令,送到MW,螺距的实际值通过反馈电位器把反馈信号送到MW,经比较处理,相应电磁阀的切换、控制油路等环节,使螺距的大小得到控制(5)正常停车在做好停车准备工作后; — 把螺距调节到零位; — 把主机转速降到稳定运转,脱开离合器,然后按下停车指令按钮,通过停车电磁阀使主机停车; ()紧急停车如遇紧急情况,可立即打开紧急停车保护盖板,按下指令按钮,指示灯即常有亮光显示,主机也会在停车电磁阀控制下停车。主机停车以后,应再次按下双位按钮予以复位。 .机侧操纵机侧操纵是通过设在主机附近的操纵显示板来进行操纵的。 ()主机启动在主机启动的准备工作完成以后,指示灯有常亮显示,在这种情况下,按下启动指令按钮,通过P的逻辑判定,使启动电磁阀得以起作用,主机得以启动并很快达到稳定运行转速; ()离合器的啮合与脱开是通过设在齿轮减速箱左侧阀件的手柄部分进行的,该阀件是沿着主机的轴线方向安装的,朝推进器方向推动阀杆,即给出离合器啮合指令,通过液压控制,使离合器啮合;如果朝向机方向推动阀杆,即给出脱开离合器的指令,液油路发生切换,离合器立即脱开; (3)主机转速控制在机侧操调主机转速是通过在调速器设有的手操部件来进行(4)螺的控制操纵螺距的部件被设在齿轮减速箱右侧,该操纵杆是沿着主机轴线方向安装的,如果向减速箱方向推动操纵杆,即给出螺距升高的指令,如果操纵杆向外拉出,即给出螺距减小的指令; ()正常停车如果已经满足螺距为零,离合器已脱开的工况条件,就可以通过停车按钮使主机停车; ()紧急停车在应急情况下,可以不依常规下达停车指令,即打开保护盖板,按下双位指令按钮就可以通过停车电磁阀,使主机停车。在主机停车以后,应再次按下该指令按钮,以求复位。 3.3.主机启动、停车和安全保护的PLC控制 HMANN.PLC可编程控制器是CHMATIC-Ⅱ系统的重要组成部分,它被安排在主控制箱的下部,担负着主机启动/停机/安全保护的功能,此外还涉及到液压离合器脱开/啮合的控制、液压离合器和气胎离合器(PTO)之间的联锁及以上相关按钮、灯光显示的逻辑判断和信息传递,这个系统被证明具有尺寸小、易于修改参数、可靠性高的特点。可编程控制器要求提供(10%)伏直流电源,环境温度应控制在(055℃)范围内,从而保证控制线路能正常工作。PLC的核心是一个微型计算机,并拥有诸如:EEPROM、/O及其扩展等重要部件,其中EEPR可通过专用的程序装入设备来实现变编程工作,根据NPN、PNP晶体管输入信号的不同特点,选用了两种各种不同的接口部件,所有输入/输出单元,只要输入/输出的信号有效,对应的发光二极管都会有显示变化,如果系统出现反常情况,可以观察这些二极管是否有显示变化,将有助于查找和判定故障,与PC相应的输入/输出信号与输入/输出接口之间的具体安排3.3.4.1 螺距控制 遥控操调是通过电、液和机械传动的协调作用来进行的,对于单机来讲螺距控制的有关组成情况涉及到以下各部分,见图3.所示1.螺距指令发送在驾、集两处操纵地点的选用己被确定的情况下,螺距指令是由操纵台上的正车、倒车指令电位器发出的,然后通过VMO NO.5接口送到微机部分;—驾驶室用螺距操纵手柄,经齿轮传动,带动指令电位器—集控室用螺距旋钮带动指令电位器来发送指令要提到:指令发送信号应该在液压油压力正常时才会有效,如果出现低压,那么即使已由指令发出,这个指令将在主控制箱内受到闭锁控制;2.微机处理在微机部分,有关螺距的首先是把送来的指令信号和反映实际螺距的反馈信号都变成数字量,然后把两者进行比较,从而判断螺距是否需要操调,螺距操调是按照预先编好的程序,依设定的特性曲线.所示,可以看出:螺距变化速率与荷的大小是密切相关的,螺距的变化率是主机负荷的函数;—在低负荷区内,螺距的速度要快些 —超过某一设定点以后,操调速度将随着负荷加大而降下来图3.3 主机负荷特性曲线 图中:最高速度,最低速度和中间点都是预先运用螺距参数选用菜单来进行设定的。在微机处理过程中,从总的方面来看,螺距的操调还会受到负荷的影响,如果主机进入超负荷运行状态,那么螺距将会自动降得低一点,使主机很快从超负荷中解脱出来,如果安全保护系统发来故障减载指令,那么负荷将自动按设定了的减载量,把螺距降下来,见图3.所示此外,在信息处理过程中,螺若在零位5%范围内,系统就定义为“零螺距”,螺距操调过程不仅具有ID调节规律,而且在实际值接近要求时,还会自动切换成界限控制速度,以期应快、稳定的操调,不容易出现超负荷和超调的现象3.执行机构 如图3.所示,不论是遥控系统发来的操调指令,还是应急操纵设备给出的操调指令,都可以通过输出接使执行机构出现操调动作,这里的接口就是把指令信号变成执行机构可以有所动作的变换环节,这涉及到电磁控制阀的控制、液压油路的变化,再通过机械传动使推进器的桨叶得到操调,直到满足指令要求为止;4. 螺距检测及螺距指示执行机构在动作过程中,由机械传动牵拉反馈电位器的活动触点,再通过VMIO NO.5接口把反馈信号送到微机部分;螺距指示信息输出被分成两路,一路引向集控室操纵台上的数字显示屏幕,给出螺距%显示,另一路即使在微机不起作用的情况下,仍然可以由一个专用回路使驾、集两处指示表给出正、倒车螺距指示;5. 应急操纵螺距的备用设备 在集控台上设有应急操纵螺距用的备用设备,其指令具有开关量的特点,具有独立 的电源,而且不通过推进器控制系统,见图3.所示,其执行机构与常规控制是一样的,一旦出现微机有故障、反馈信号有异常等情况 ,遥控系统己不能继续发挥作用,这时系统将自动切换成应急操纵,同时给出声光报警信号。此外也可以由值班人员主动要求使用该应急操纵设备。在这种情况下,通过手操应急操纵手柄的前推、后拉以发出正车、倒车指令6.联合操调 所谓联合操调就是由驾驶室操纵手柄可以同时对螺距和转速进行操纵的一种综合操纵手段。前面已提到:首先必须通过选用联合操纵按钮,向微机发出一个要求进行联合操调的指令,使系统能够起用联合操调程序,从图3.可以看出:每对应一个手柄操纵位置,就对应有一个转速和一个螺距%,其之所以要这种操纵方式,最主要的是从船舶航行的最经济角度来考虑的,一条曲线都是预先设定好的,最多可以由约个点来描述所对应的曲线 转速控制 在主机起到成功以后,就可以通过驾、集控室系统来操调主机的转速如图3.所示,转速控制涉及到以下四个组成部分。1.转速指令的发送 设计规定:转速遥控操纵只能在驾驶室、集控室进行,值班人员通过操纵旋钮,从结构关系上来说,即通过电位器及VMIO NO.5接口来发送转速指令信号,这是一个模拟量信号。2.转速检测 主机转速检测采用BaumerFR16.26.30.K713测速传感器,它被安装在主机大齿轮齿牙的侧面,相互间的间距为(22.5)mm,见图3.所示,从检测传感器的接线情况来看,它是种有源检测传感器(端子1,直流+12V),根据型近似开关的作原理进行作的,其输出(端子:2,3)为与齿轮转速快慢成比例关系的一连串不同频率的脉冲信号,其频率测量范围设定为(775)Hz,相当于转速测量范围为(01500)RPM. 检测控制箱设于机旁,箱内插件C是一块电源板,它可以为测速系统提供必须的+12V直流电源,由编号706,715两个传感器发送来的脉冲频率信号就被送到C,线路上先把这个信号进行比较,并以其较大的一个作为进一步处理的依据,其关键环节就是实现频率电压变换,以期得到(010)伏直流电压信号,这个信号,一方面可以通过机侧的选用开关E702,使转速表07给出转速指示,另一方面通过插件C3设置的继电器,其相关的判定转速信号经输入接口送到微机部分。例如:图3.主机联合操纵曲线.主机转速控制关系图 图3.8 主机转速检测原理图继电器n:判定为300M,可依此给出主机运行信号,同时控制接点,还使运行小时的计数环节重又新计时继电器n:判定为115RPM,可给出切断启动压气的指令信号继电器3:可判定己经超速,可给出超速保护信号。 3微机处理 在转速指令和转速检测这两个模拟量信号通过输入接口以后,首先进行“模数”转换,并进行比较,以求确定是加速、减速还是保持不变。由于微机己经在以下三个方面预先有所考虑,因而如果要求进行转速操调,微机部分就依赖设定好的规律,通过输出接口发送要求操调的(420)mA的指令信号,这只方面的考虑是: —输入转速指令信号,己被变换成内部规范信号—确定进行转速调节的输出信号,按比例关系设定好—作为转速变化速率控制己经被给定吸电/气转换,调速器和油门开度控制微机部分送出转速操调的指令信号,可以直接送到电子调速器,然而我们采用的是3161型调速器,它是以压气输入作为操调指令的,因而在微机部分输出与调速器之间,一定要有一个电气信号变换环节。电气变换调速器油门开度变化应该满足快速响应、稳定和线性关系好的技术要求。图3.给出由ABCO-westinghouse提供电气变换器的工作原理图,如图所示,它是变换控制线路,两个电磁阀、气容、气控调阀以及气电变换反馈等环节组成的。遥控系统给出的模拟量电信号从图中E端引入,它可以是电流、电阻或电压信号。ARTSILA系统采用(4)mA 电流作为输入,打开盖板,由10个微型开关组()的不同位置,就可以与不同的信号相适应。直流电流:(020)mA或(420)mA 直流电压:(010)v或(210)v 电阻:(210)K 不同输入电量,其引出接线的连接方式也是不同的。 经过输入回路变换后,使加到运算放大器()的为电压信号。该变换单元的输出电压从接头3引出,它可在(00.6)Mpa范围内变化,这个信号还被送到()气电变换单,经变换后输出的电压也加到运算放大器(),运算放大器()是个差动放大单元,该单元根据给定输入和反馈信号进行比较和放大,其发送出去的有不同幅值及不同极性的加、减信号,也可以为零信号,差动放大的输出加到(V),同时它接受变换控制线路振荡发生器G送来的一连串振荡信号,从原理来讲,()运放可用来实现代数相加,其输出分别引向触发器()。这两个触发器设定阀值的极性是不同的,如果说(T)只对加车极性信号有效的话,那么(T)将只对减车极性的信号有效。触发器一经触发再经过必要的功放(V3或4)以驱动各自的电磁阀(Ml或M),零信号只能使转速处于保持状态。可以看到:(Ml)电磁阀受控,气控调压阀控制端()的压力得以提升,其输出压气即随之提高,这就是一个加车指令压气信号,如果是(M2)电磁阀受控,气控调压阀的输出就降低,这就是一个减车压气信号。在电气 变换过程中,变换控制线路应满足以下控制要求。 ()当(V)送出的幅值比较大,那么电磁阀受控是持续的; (2)如果(V)送出的幅值已经不太高,那么一连串振荡信号将发挥作用 ,它将使电磁阀受控是间歇的; (3)如果输出压力已经和输入电信号的要求一致了,那么电磁阀应立即停止受控。图3.1给出电流一压气变换的特性曲线为两根基本的特性曲线,它可以通过控制线来选用,如果选用特性曲线还可以对特性曲线的斜率和平行位置进行调节,以符合实际使用要求。但是在调节过程中,切忌使输出压力超过0.6Mpa(6bar)图3.电气变换器工作原理图 图3.10 电气变换特性曲线型调速器是Wodward以压气、液压和机械传动的相互作用而以力平衡关系来进行设计的,它同时接受调速器指令压气以及主机转速信息的输入,经过信息变换和比较,比例一积分调节等环节,最终以机械位移量的变化作为输出去控制油门的开度。根据调速器的输出,油门开度可以有加大、减小和保持二种工况,油门开度的变化还要通过磁电式角位移检测传感器进行检测,这个检测信号就作为负荷控制的个重要依据被送到微机部分。设计给出:由电气变换器送出的压力与主机转速之间应该有如表3.的关系。表3. 电一气变换压力转速关系表指令压气的压力(主机转速() 0.243 0. 5 500 1000 我们实测的数据可列写如表3.: 表3. 电气变换压力转速实测参数表指令压气的压力 ( ) 主机转速 (2.60 3.20 3.60 4.10 4.60 2.65 3.15 3.60 4.05 4.60 600 700 800 900 1000 3.3.4.3 负荷控制 船舶在航行过程中,推进器负荷的变化是经常发生的,尤其在航行条件较差的情况下,更容易出现负荷波动,甚至会造成超负荷,负荷控制主要从总的能量角度来对这种变化进行监视,并设法防止发生超负荷。系统把转速检测以及油门开度监测这两个信息参数都通过MIO ON.5接口送到微机部分,其结果可以形成主机运行状态的轨迹,它描述了主机实际负荷的持续变化情况,如图3.1所示,系统就把这个实际变化的轨迹用预先设定好的主机负荷特性曲线进行比较,不同类型的主机,其负荷特性曲线是不一样的,由于考虑到螺距与负荷之间的密切关系,如果出现过量的负荷变化,即判定大于或小于负荷特性曲线,或者负荷变化率过于剧烈,系统就自动地用减小或加大螺距的办法,使实际运行轨迹贴近这个设定的特性曲线,以便得到最佳的运行效果.负荷情况可以由微机进行运算再通过显示器给出负荷%的数字显示,如果出现超负荷,负荷控制系统将通过控制接点及MIO NO.7接口,使各操纵地点都给出“超负荷”的灯光显示图3.11 主机负荷变化原理框图3.4 本章小结 本章主以为香港机场建造的4999吨成品油轮的主推进控制系统为例,对双机双桨可调螺距主机遥控系统进行了分析介绍,对主机遥控系统的历史和发展概况进行了论述,为主机遥控系统的设计建造提供了参照,可以用于指导今后的设计工作。 第章 自动化系统设计.1 自动化船舶分级和入级 .1.1自动化船舶的分级级别 纵览世界七大船级社美国BS、法国BV、中国CCS、挪威DNV、德国GL、英国日本NK,按船舶机舱自动化配置质量不同,冠以相应附加标志,将船舶分为级别: 1.综合计算机控制的船舶:如的AUTC、LRS的CC。 2.综合推进系统的船舶:如BV的NT。 3桥楼遥控、机舱、集控室周期无人值班船舶一如ABS的ACCU、BV的AUT、CCS的AUT0、DNV的EO、GL的AUTh/24、LRS的UMS、NK的MO。 4.桥楼遥控、集控室有人值班监控船舶一如BV的ACC、CCS的ATU1、DNV的ECO、GL的AUT、LRS的CCS。 5.集控室有人值班监控船舶一如ABS的AC、CCS的MC。 6.桥楼遥控,不设集控站,周期无人值班机舱船舶:如ABS的ABCU。 7.港口锚泊时,对运行机械不设专人值班监视的船舶:如BV的PORT。 8主推进装置和重要辅机集中监控的船舶:如的。 虽然各国船级社对机舱自动化船舶附加标志符号不同,其出发点在于标明其自动化程度的分级差别。我们从表中可以发现对同级自动化的船帕,不同船级社虽赋于不同附加标志符号,深究其基本技术要求则是基本相同或大致相似的。因此,如果我们对某一船级社的某一自动化级别船舶设计建造积累相当成熟经验后,对其它船级社的要求,可以触类旁通,并在设计中把握有关细节的差异,可使设计达到事半功倍的效果。 .1.2自动化船舶入级及设计建造 按船东技术规格书的约定,自动化船舶从技术设计,就需按指定船级社的入级规范进行设计。入级自动化船舶设计建造过程,主要节点如下: 1.遵照船东技术规格书所列规范、规则、标准和厂商表编制自动化设备订货规格书; 2.参与自动化设备制造厂商(公司)技术谈判,并确认签定订货规格书; 3.按照规范、规格书等对厂商提供的设备认可资料进行认可,以传真或书面形式,将认可资料反馈给制造厂商: 4.进行技术设计,送船级社和船东认可; 5.将船级社和船东的认可意见反馈给制造厂商; 6.按制造厂商提供的工作图修改完善技术设计,并反馈给船级社、船东; 7.完成自动化系统施工设计; 8.按照有关资料编制自动化系泊、航行试验大纲、试验规程; 9.参加自动化系统设备出厂平台试验,并确认满足技术规格书要求,取得船级社设备出厂检验合格证书; 10.自动化系统设备装船,对各型号传感器进行调试、自检: .会同验船师、船东代表进行自动化系统系泊航行试验,并分阶段逐项会同质检部门完成试验验收报告书; 12.修改并完善完工图纸资料,最后取得船舶自动化入级航行证书。 .2 船级社对机舱自动化的基本要求 各国船级社对机舱自动化船帕的入级要求,在其规范中都有明确规定。然而,各船厂在自动化船舶入级设计中,如能正确运用并把握规范对机舱自动化的基本要求,完成高质量设计,就不会发生返工、报废,“一次试航交货”能为工厂创造巨大经济和社会效益。各船级社对自动化要求的表述虽有粗细、繁简之别,其基本要求则是致的保证入级船舶安全可靠、操作简便、维护保养方便。 2.1 设备设计 1.具有优良结构,采用可靠无缺陷材料,优良制造工艺,避免管线接错装错,易方便维修,有防止人/机伤害防护措施; 2.安全、遥控和报警系统设备设有安全检查装置,故障时应报警; 3.计算机故障可通过简单更换印刷电路板或通过人机对线.设备应能在船舶特殊环境条件下可靠工作。 .2.2 环境条件 1.振动IEC出版物682-6/1982; 试验FC(213Hz振幅lm/m,25Hz振幅1.6m/m,25100Hz,4,无共振续时间在时1.h)。 2.干热EC出版物682-2/1974; 无热扩散器,试验Bb(552O℃16h) 有热扩散器,试验Bd(7020℃2h) 3.湿热IEC出版物682-30/1980; 试验Db(55,湿度95%12h+12h 二个循环) 4.低温IEC出版物682-1/1976; 修正案1/1983(+53℃,h,25±3℃,h)无热扩散器,试验Ab有热扩散器,试验Ad5.烟雾IEC出版物682-52/1984,试验Kb6.倾斜225℃; 7.附加试验:机械强度,温度突变,强振动,浸水,耐油,冲击试验等。 .2.3 电源和液压、气压源 1.电源故障在5分钟内中断3次,每次断开30秒; 2.电源变化电气和电子设备至少工作15分钟后,在稳态电压变化%UN,频率变化5%FN,还应能承受瞬时电压变化20%UN,频率变化%FN、; 3.由蓄电池供电的设备,在下述稳态电压变化下应能满意工作: 蓄电池充电期间25% - +30% UN、 蓄电池未充电期间25% - +20% UN 4.对液压或气动设备:当液压、气压源20%PN时,其工作特性(15分钟)不变。 .2.4 绝缘电阻在湿热、低温、烟雾试验后测量额定 U65 V 试验电压UN 测试前/测试后1.O. 电压 U 65 V 试验电压 50OV测试前10OM/测试后 5.2.5 耐压试验 额定 65 V 交流50H或60Hz试验电压UN+5OOV 1分钟 电压66 250V 交流50Hz或60Hz试验电压150V 1分钟 U251 - 5OOV 交流OHz或60Hz试验电压2000V 分钟 .2.6 电磁兼容性 1高瞬变IEC出版物8014/1988 模拟触点动作产生电弧干扰 2.传导射频干扰IEC出版物8016/1988 高频模拟电磁场祸合至试样。 3.浪涌电压干扰IEC出版物8015/1986 模拟通断大功率感性负载产生的干扰。 4.传导音频干扰IEC DOC 8O(sec)51一1990电源1%时电源频率15次谐波。 5.静电放电IEC出版物8012/1984 3级烈度标准为V。 6.辐射电磁场出版物8013/1984 30-500KHz 10V/m。 5.3 船级社对无人值班机器处所的监测要求 船舶自动化系统设计,指按船东规格书和规范要求对第一章1.2.1节所列自动化配置及其主要系统进行设计。根据船厂多年建造经验,自动化系统设计难点不在系统本身,引发争议最大的是船级社对不同入级符号船舶的监测报警要求。深入研究各船级社对自动化无人机舱规范,发现规范对点的规定并不是一成不变,而随每年修订有所变动。这就要求设计者,需认真仔细核对当年最新版本规范,以免被动出错。从多 年建造无人机舱船舶实践出发,主柴油机、离合器、齿轮箱、可调桨、侧推器、轴系、电站、辅锅炉、热油装置、惰性气体发生器、焚烧炉、净油装置、制淡装置、空压机、舵机、危险区域、探火与灭火、舱底水油污柜、以及日用水柜、空调等18大项设备监测报警项目。 通过对比分析发现: 1.对不同机型、不同功率设备的监测要求,各船级社规范不尽一致。如对主柴油机的滑油进机压力和进机温度而言,CCS仅对单机功率1470w主机,仅对1500kw主机。而其它船级社则无明确要求;2.对监测越限值测量报警要求,各船级社规范也不尽一致。如就主柴油机滑油进 压力而言,BL要求低限停机,而CCS、DNV、LRS则要求过低限停机、低限减速; 3.纵观各船级社对无人机舱监测要求,尽管简繁不一,但仔细分析还是有规律可 循的 。把握规范和核对制造厂提供的技术资料,就会找到一个合理的切入点,这就是“设计技巧”设计水平。 .4 无人机舱主要辅机的遥控操作和自动切换为保证船舶安全航行,在无人值班期间,主发电机、热油系统、总电源、柴油发电机组、齿轮箱、可调桨、舵机、空压机、消防泵和液压联轴节等主要设备,一旦主要设备参数越限或故障,备用设备需自动切换线,连续工作,并发出报警信号。 无人机舱级和集中控制级船舶的主要辅机的遥控操作和自动切换要求。 例如:5000吨级成品油轮使用WARSLA公司提供26L20型990Kw、10O0r/m6缸直列主机,主机自带滑油泵和高温/低温水冷却1.正常时:主机滑油泵压力3Bar 2.参数越限: 当主机滑油压力2.5Bar时,电动备用滑油泵自动起动,切换上线, 同时发出报警信号 当滑油温度多80时,机减载报警 当主机滑油压力2.OBar时,主机自动停机报警 .5.1 设备接口 自动化系统设备间接口按其提供的物理和信息特征,大致可分为: 1.电源接口:由船上电力系统供给动力源、控制源、信号源的电力供应。如3相38OV HZ或44OV60Hz、单相22OVOHZ或22OV6OHz、DC24V等。对于微机监控的设备,自动化系统再经变压器隔离、整流、稳压、稳流后与免维护蓄电池构成不间断电源(UP),分别向安全保护电路、控制电路和监测报警电路供电。一般船上提供的DC24V电源,作为自动化系统的应急电源,而系统内部的UPS电源容量仅考虑持续供电15分钟,保证微机信息正常工作。 2.功能接口:主要涉及自动化系统安全、控制和监测报警系统的接。 3.通信接口:大多数自动化系统具有指令、信息通信网络。新设训的舰船上,主推进装置、电站自动化装置、损害管制系统由以太网,构成信息共享,实现全船信息源滚动流通,网下载十分便捷。 4.物理接:由电气传感器、变送器将各种物理量位移、液压、液体泄漏、 烟雾 、张力扭、转速、转向等变换成电量信号后,再传送给安全、控制、监测就系统.5.2 传感器 1.功用:如上所述将物理量变换成电量电压、电流、电阻、电感、电容、电脉冲、电平信号量、二进制开关量等2.分类: 开关量传感器模拟量传感器.6 自动化系统设备安装和电缆敷设生产设计 .6.1 设备布置安装基本要求 1.系统的各种设备基于三级操作的要求,分布于机旁、集控室和驾驶室; 2.在舰船详细设计阶段,自动化系统设备的安装部位已有明确规定,生产设计在于深化和标定其坐标位置。 .6.2 设备安装和电缆敷设的基本原则 1.随主机、减速齿轮箱、可调桨提供的(散件除外)安装于机上的各种传感器、电气元器件。由设备制造厂统一连接至机装电气接线箱,并以此作为与船舶电气接口: 2主机机旁板(LOPME)、减速齿轮箱、可调桨机旁板(L/CPP)附,安装于主机和减速齿轮箱操作部位,应与车钟、应急车钟、电话、声光组合报警以及轮机相关的机旁应急操作阀件相协调。其布置位置应直观、明确、前/后、左/右层次分明,满足人机工程原理防止视觉和操作误; 3.机旁测量分站(箱)应分布在左右机接线箱或较集中的信息采集点处; 4.分布于机舱的液(油、水)舱(柜)、压缩空气瓶、轴系、管系、舱底水污水井处的传感器由轮机设计定位。电缆应经相应构架、导板进入机旁测量分站; 5.主机集控室的操作板、报警、显示单元、UPS、二次仪表、起停按钮、灯等,通常组装在集控台(EC)面板或台内,与其相连接的电缆应按集控台的区段、分束经电缆围板由底部进入; 6.驾控台()已组装主推进装置的遥控操作面板、延伸报警板、显示单等。与其相连接的电缆应按集控台的区段、分束经电缆围板底部进入; 7餐厅、轮机长、大管轮、二管轮等房间设有的延伸报警和轮机员呼单元,应与电话、时钟、警铃等相协调,布置于办公室桌前壁处; 8.自动化系统的电缆,按详细设计要求对于敏感电缆和本安型设备电缆应分束, 并与电力电缆束保持一定距离。 .7 自动化系统系泊和航行试验 为方便论述自动化系统的试验,现以出毛里求斯的350OT客货船为例列举试验程序如下: .7.1 系泊试验 完成系统接线、绝缘电阻检验合格、传感器校验无误后,进行如下试验: 1控制部位转换试验 2.主推进系统遥控试验 P准备: P主推进系统和电气设备处于“备便”(READY OT SATRT)状态; P起动闭锁功能正常有效; P系统绝缘电阻不小于0.04兆欧; A集控室遥控起动主机 B功能试验 B检查起动闭锁保护功能 B检查速度控制系统功能 B3检查起动燃油限制功能 B4检查自动停机功能(模拟试验) B检查自动停机复位功能 B6检查自动减载功能(模拟试验) B7检查滑油预供泵起动功能 检查齿轮箱、可调桨电动备泵起动功能. C集控室遥控 Cl单机模式 C联合模式 3发电机模式〔轴带发电机) C将主推进系统遥控权转换至驾驶室 D驾驶室遥控 D单机模式 D联合模式 D3发电机模式(轴带发龟机) D4后备模式 D确认左右推进轴系主要参数 D6将操作权转换至桥翼控制台(对设有桥翼控制台时,见)E D7将主推进系统遥控权转换至集控室 E桥翼控制 E左桥翼遥控主机 E右桥翼遥控主机 E3将主推进系统遥控权转换至驾驶室 F机旁控制 F机旁应急控制:起动、停主机 F机旁应急设定螺距(在配油箱上) G其它自动化项目 G全船监测报警系统功能试验(按全船测点清单) G延伸报警和轮机员呼叫功能试验 G3机舱声光组合报警功能试验 G4应急发电机自起动试验 G值班报警系统功能试验 6瘫船起动试验 G7液位测量系统试验 G阀门遥控系统试验 G防横倾系统试验等 .7.2 航行试验 1.系泊试验验收合格后,按认可的试验大纲及约定程序进行。 ()目的:船舶投入营运前,对系统进行动态试验,以保证该系统全部性能满足船级社要求; ()项目:所有设备进行效用试验; (3)UMS无人机舱试验。 2.无人机舱试验 在海上航行时,通过不少于46小时观察下列情况,以保证自动化系统在无人值班机器处所运行的适宜性。 ()在驾驶室控制时,稳定航行过程中,以及机动操作时,出现的报警和动作频率; ()在机械运转过程中,是否有人预。在海空阔海域连续航行4小时,由船级社验船师、船东和船厂三方代表监督整个试验(无关人员不得进入机舱),若次要报警点少于通一5点,则无人机舱试验即为有效。 .8 本章小结 本章分别从自动化船舶的分级、入级、船级社对机舱自动化系统要求、自动化系统设备配置及接、系统设备安装和电缆敷设以及自动化系统系泊和航行试验等方面进行了分析研究较系统地论述了船舶自动化系统的设计方法。可为其它相关类型舰船自动化系统设计提供经验借鉴。 第章 自动化船舶发展趋势展望自动化船舶从单机自动化、无人值班机舱、进入一人桥楼驾驶,今后的发展趋势如何?相信随着通信一遥控技术、全智能随机实时处理技术、航行空间精确定位技术的发展而更加先进。随着计算机技术的高度发展,带动了该技术在舰船上的日益发展和泛运用。展望21世纪舰船自动化技术,将不断向全船综合自动化这个高层次阶段发展。舰船综合自动化是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。该系统通常有两个作母站、分若干个工作分站组成。通常一个工作母站设在机舱集控室,另一个设在驾驶室。两个工作母站完全独立,可同时或单独操作,并互为备用。分控制系统将根据舰船的种类和自动化的程度而定,如主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵浦控制、液位遥测和压载控制、冷藏集装箱监控、自动导航等。所有作母站和分控制系统采用高速传输技术组成一个综合网络系统,在网络上根据需要连接一定数量的工作分站,以达到在舰船重要部位对各设备进行监测、控制和操作等目的。同时,其工作分站可作为一个窗口,与舰船对外通信设备联网,借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段,执行岸与船、船与船之间对话,进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动,从而最大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。目前德国西门子公司,挪威挪康公司、丹麦约克船舶冷冻公司等国际著名的船电产品制造厂已有较成熟的技术和相应的配套产品,并已实际应用于各类船舶。我们深信,在21世纪将会有越来越多的新建船舶配套综合自动化系统在实现了遥控无人飞机,“阿波罗”登月,火星探测计划的时一代,三维空间自动航行技术日趋完善的今天,全自动无人驾驶船舶并不遥远。着眼于环境安全、经济效用,人们对全自动无人驾驶船舶的态度,现在仅是“有为而不为”。当全球消除了各种紧张因素,无人驾驶船舶会自地扬帆航行于“地球村”。 结论本论文从舰船自动化系统的历史、发展及自动化系统设计等方面进行了论述。从中我们可以得出以结论:自动化技术是舰艇和船舶共同研发课题,其取向和定位并不相互排斥。舰船自动化技术已经规范化,强化了船厂、船东、船级社的相关性。船舶自动化技术已取得相当进展,正朝着综合自动化方向发展,有着广阔前景,取得新突破并不遥远。分析研究电气技术的发展趋势和舰船自动化设计的前景,不难看出: 1.造船技术是船体建造、轮机和电气设备三者有机组合的统一体。随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在舰船上的广泛应用,进入新世纪后,船舶自动化程度将会有一个较大程度的提高。机电一体化使学科界限互相交叉渗透。电力与电子、强电与弱电更难分难解。随着舰船电工技术的进一步发展,必将会对造船和航运业带来重大变革2.随着新一代大功率半导体电力电子器件及计算机的应用发展,船舶电气设备将会进一步向高可靠、节能型方向发展。将会对舰船电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革;可编程控制器在我国将逐渐发展成为舰船电力系统自动控制设备的一种新型控制方式。上世纪末本世纪初,舰船正向着桥楼综合自动化、微机监视、卫星通讯导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化延伸 3.出于经济性和可靠性的考虑,在今后1020年左右,柴油发动机船舶作为船舶原动机具有无可争议的地位。然而当石油面临枯竭、环境污

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