轉速采集異常情況下的主機遙控技術研究

吳富民 陳岱岱 李培正 徐深洋 徐斌

摘? ?要：主機遙控系統對發動機的轉速控制通常采用PID閉環控制，但在轉速測量發生故障時，會導致轉速控制異常，嚴重時發生飛車事故。為了解決該問題，文章基于主機遙控系統，闡述了一種調速模式切換技術，能實現轉速測量故障時自動或手動切換，強化主機遙控系統的冗余控制策略，提高系統的可靠性。

關鍵詞：主機遙控系統;調速模式;開環

隨著計算機技術和控制技術的飛速發展，船舶機艙自動化技術也在不斷的發展和創新。但我國船舶機艙自動化技術與國外先進技術相比，仍存在一定差距。作為機艙自動化的核心—主機遙控系統，國內雖然有部分生產廠家，但普遍存在創新力度不足，僅滿足基本功能，控制策略和可靠性不能和國外媲美，難以滿足復雜多變的應用環境，航行過程中，一旦出現故障，沒有自動切換的冗余控制方式或者足夠的維修輔助建議，船員難以正確處置，只能機旁手動操作，大大影響了航行效率和操作體驗，緊急情況下甚至會導致安全事故發生。為達到發動機轉速精確控制的目的，目前，主機遙控系統通常采用比例—積分—微分控制器（Proportion Integration Differentiation，PID）轉速閉環控制算法，然而，當轉速傳感器故障、安裝松動或者線纜斷開時，轉速反饋信號異常，使主機遙控不能按照預設檔位進行調速，部分情況下會在短時間內將油門拉到最大，導致發動機機械負荷和熱負荷快速增加而造成損傷，嚴重時甚至發生飛車事故。因此，有必要在主機遙控系統中加入一種調速模式自動切換和冗余控制機制，防止因轉速反饋信號異常而出現控制異常問題。

1? ? 主機遙控系統設計

主機遙控系統采用雙路冗余控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線架構，不同控制單元和模塊之間采用數字信號進行通信，并在通信接口采用電氣隔離和抗干擾措施，保證通信的穩定性，整個系統根據功能和分工可以劃分為車鐘系統、控制系統和安保系統，在駕駛室、集控室和機旁均有相關布置，實現不同控制位置的指令和狀態同步。主機遙控系統架構如圖1所示。

車鐘系統將轉速設定轉換為數字信號傳輸給控制系統，控制系統經過運算后，通過CAN總線下發給機艙執行模塊，控制發動機和齒輪箱按照邏輯達到車鐘系統設定檔位，同時，保安系統檢測動力裝置的運行狀態，一旦有參數超標則產生報警，并按照設定的報警級別執行報警、降速和停車動作，除了具備這些基本控制功能外，該主機遙控系統充分考慮了轉速反饋異常情況下的冗余控制技術—調速模式自動切換技術，主要由機艙轉速采集和處理功能模塊及駕駛室調速模式切換功能模塊組成，分別集成在機旁轉速控制箱的轉速采集模塊和駕駛室控制面板的顯控單元中[1]。

2? ? 調速模式自動切換技術

2.1? 轉速采集和處理

主機遙控系統通過安裝在發動機飛輪上的兩只非接觸式磁電式接近開關傳感器，來感應發動機的轉速變化，通過調理電路將轉速信號轉換為處理器，能夠識別的脈沖信號，原理如圖2所示。

轉速與頻率具有共同的量綱，因此可以利用測量頻率和周期的方法來測量轉速。對高、中速柴油機通常采用測頻法，對于低速柴油機采用測周法。所謂測頻法就是測量電信號頻率的方法，即測量單位時間內電脈沖數。所謂測周法就是定角測量，即用標填充的方法測量相當于某一旋轉角度的時間間隔。這兩種方法交替使用、相互補充，可以展寬測量范圍、提高測量精度，測頻法、測周法示意如圖3所示。

主機平均轉速n按下列公式進行運算：

公式中：Z—飛輪齒數;T—轉速脈沖計數周期;C—計數周期內計數器捕獲的脈沖數。

在實際使用過程中，會由于傳感器吸附鐵屑、傳感器松動導致離飛輪齒頂距離改變或者接線松脫等原因發生轉速采集異常等，當兩個計數器中測量值不一致時，選取數值大的用作主機轉速計算，當轉速相差大于1%額定值時，輸出測速故障報警數據。當兩個高速計數器脈沖數值均小于某一設定值，則表明兩支測速探頭均斷線或脈沖失落，發出測速故障報警數據，通過CAN總線發送給駕駛室控制面板中的顯控單元進行報警和調速模式切換[2]。

2.2? 調速模式切換

駕駛室顯控單元進行轉速調節運算，它將測得的實際轉速與操縱手柄設定轉速進行比較，當兩者之差超過一定值，立即調整顯控單元通過CAN總線輸出給調速器的設定值，使柴油機轉速快速回到手柄設定轉速。為達到轉速測量故障情況下的調速模式自動切換功能，對原有的閉環PID控制策略進行改進，調速模式切換邏輯如圖4所示。

當駕駛室收到機艙轉速采集模塊發送的測速故障報警數據后，顯控單元液晶屏發出聲光報警提示，并自動調速閉環控制轉為開環控制，實現轉速控制的遙控切換。此后，發動機轉速的控制不再參考轉速反饋，而是直接輸出控制命令，經過選小器后，給執行器調整發動機油門，也可通過顯控單元液晶屏的軟按鍵手動將調速模式由閉環切換為開環，當測速故障報警消失后，可手動將調速模式切換回閉環。

3? ? 結語

本文提出了一種主機遙控系統的調速模式自動切換方法，能夠在發生轉速測量異常時，有效防止因轉速反饋信號異常而出現的控制失靈，強化了系統的冗余控制策略，提高了系統的可靠性。

[參考文獻]

[1]湯旭晶，薛培紅，李鶴鳴，等.基于PLC的中速主機遙控裝置研制[J].造船技術，2009（2）：17-19.

[2]羅紅英.內燃機及動力裝置測試技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.