主推進裝置兩級應急操控系統(tǒng)優(yōu)化設計

袁臻業(yè)，孟海輝，張 曉

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

某船現使用MAN公司制造的Alphatronic 3000型可調距漿，其通過液壓系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、漿軸和主機的配合可實現分控、聯(lián)控和恒轉速變螺距控制3種模式，系統(tǒng)自動化程度高，航速保障性能優(yōu)越。但是一般采用的是恒轉速變螺距控制。在某次出海期間，該船右推進裝置螺距手柄出現通訊故障，螺距手柄自動歸零，嚴重影響駕駛室對主機的正常操控和船舶航速的保持。經過排查診斷，故障歸因為1#可調距漿控制箱交換機單元故障，手柄與本地的數據通信閃斷，手柄螺距無法保持[1]。

在狹水道航行、急需減速避讓操作時，主機無法反轉，如遇螺距失控，船舶將無法進行倒車作業(yè)，船舶來不及避讓，車鐘系統(tǒng)的操作需要人為到現場操作比例閥，從集控室到現場最快速度需要1 min以上，無法在第一時間做出反應，錯過最佳的避讓時間。為預防此類通信故障在急需調整螺距的情況下發(fā)生，本文提出主推進裝置兩級應急操控系統(tǒng)-應急車鐘操控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)借助現有的應急車鐘通信系統(tǒng)，結合專用的控制指令編碼器，實現對CPP單元螺距的實時控制，該編碼器部署在CPP單元附近，實現對應急車鐘信號的解釋以及對外部控制信號的輸出，采用應急車鐘操控系統(tǒng)的船舶可以在船舶失控狀態(tài)下及時實現控制切換，滿足極端條件下船舶的控制需求，對船舶動力系統(tǒng)安全性能和可靠性能有大幅提高。

1 現有主推進系統(tǒng)原理及功能

1.1 主推進裝置遙控系統(tǒng)

某船的主推進裝置有電源、應急電源、油泵控制箱、本地控制模塊及控制箱、集控室控制面板、駕駛室控制面板、通信模塊等組成。系統(tǒng)構成如圖1和圖2所示。

圖1 主推進裝置實體結構圖

某船主推進裝置遙控部分主要分為：1）Alphatronic 3000 PCU。推進控制裝置主柜，帶過程計算機和I/O模塊；2）推進控制面板，用于通過彩色圖形觸摸屏遙控推進裝置；3）帶電動軸的設定桿，確保到/從集控室的無干擾轉移；4）車鐘系統(tǒng)；5）緊急停車面板；6）所連接系統(tǒng)的外部接口。

由圖3可看出，主推進系統(tǒng)遙控系統(tǒng)各分為兩級，駕控和集控，兩者可以轉移權限，相互獨立。

圖2 主推進裝置數據通信原理圖

其遙控模式可分為：

1）螺距手柄控制，正常情況下由螺距手柄進行控制。全船共有4個螺距手柄，分別為集控室控制手柄1個，駕駛室主控手柄1個，兩翼分控手柄各1個。除主控狀態(tài)的手柄進行控制時，其他手柄自動跟隨。其間通訊使用的是局域網通信。

2）AT3000操作面板控制，手柄失靈時由AT3000面板控制。駕駛室和集控室各2個操作面板，分別控制左右推進裝置。其使用二級交換網絡實現通信。

3）車鐘令-本地控制，當上述控制方式均失效時，沿用車鐘發(fā)令，人員于CPP單元本地操作控制面板控制。駕駛室或集控室發(fā)出車種指令，機艙人員根據指令進行本地操作。車鐘使用硬電線即電連接，相比復雜的網絡通訊，簡單可靠。

就地控制箱是CPP控制的核心，系統(tǒng)為了增加可靠性設置了兩路電源，控制核心有2塊控制模塊組成，主要承各種擔著信號處理，控制油泵，控制2個比例閥，就地控制面板可以在機旁通過觸摸屏設定操作螺距。

1.2 該船CPP螺距控制系統(tǒng)

螺距漿螺距是通過液壓調節(jié)的。系統(tǒng)中包括 2大部件：液壓動力單元和反饋傳感器。如圖4所示。

圖3 主推進裝置的控制系統(tǒng)原理圖

控制單元：船上一塊遙控操作面板上的手柄一動，即給出一個電信號并傳遞到液壓動力單元上的控制箱。箱內有一個PD控制器，該控制器可操作漿液壓油送到正車或倒車方向的比例閥，比例閥是一種電磁閥組，通過控制器，傳感器輸入的電信號動作以控制螺距大小。控制器從反饋傳感器接收反饋信號，螺距調節(jié)通過立冬螺旋槳軸孔內的伺服油管來實現。

液壓動力單元：液壓動力單元經螺距漿軸孔/伺服油管將所需的壓力油中的油管送到活塞。油通過比例閥分配，然后通過 ODF單元中的導引單向閥流向活塞；PD控制器發(fā)出的電信號控制比例閥上2只電磁閥動作。

反饋單元：在螺距控制系統(tǒng)內有1只位移傳感器，發(fā)出2個獨立信號。一個信號作為反饋信號送到控制單元，另一個信號用作螺距指示，反饋傳感器具有優(yōu)先地位，若該傳感器發(fā)生故障，改變接線即可將螺距指示改為反饋信號。

圖4 螺距控制系統(tǒng)連接圖

1.3 現有主推進系統(tǒng)的優(yōu)缺點

現有主推進系統(tǒng)的優(yōu)點有：1）集成化程度高，系統(tǒng)均采用模塊化設計制作，外圍元件少，減少了故障率；2）兼容性強，不但自身可操作，還可以和主機的SaCoSone系統(tǒng)兼容，完成聯(lián)動控制；3）界面清晰，操作簡單，全系統(tǒng)操作均采用液晶觸摸控制，數據讀數直觀。

現有主推進系統(tǒng)的缺點有：1）通信回路單一，一旦通信故障，如DPU模塊、SIO多串接口模塊故障失效，系統(tǒng)將面臨失控。2）應急操作即最原始和最可靠的保障應急措施，應急車鐘反應時間慢，人員需對集控室或駕駛室車鐘面板下達指令，機艙本地處確認后方可使用，如遇突發(fā)狀況和極端航行條件的約束下將對船舶安全性造成影響。

2 應急車鐘操控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及功能設計

2.1 應急車鐘操控系統(tǒng)的組成及各部分的作用

本系統(tǒng)由電源、駕駛室車鐘面板、PLC模塊、數模轉換模塊、比例閥組成。

1）電源：采用220 V/24 V 10A電子電源，主要給系統(tǒng)提供可靠的電力供應。

2）駕駛室車鐘面板：沿用車鐘面板的按鈕和接線，應急操作時可操作螺距。

3）操作面板：通過組態(tài)軟件對CPP進行應急操作，并顯示螺距的狀態(tài)反饋還是共用CPP本身的位置反饋，顯示采用指針直接顯示，確保直觀可靠。

4）PLC模塊：負責控制與控制策略的協(xié)調。

5）數模轉換模塊：將CPP的反饋信號轉換成PLC可識別的信號，把槳角信號變成電壓信號。

6）比例閥：PLC通過該模塊直接控制CPP上的比例閥，從而控制漿角的調整。

2.2 應急車鐘操控系統(tǒng)的基本原理

應急車鐘操控系統(tǒng)的基本原理首先采集 CPP的故障信號，或者可以根據人為判斷將CPP打至本地，切斷其他操作系統(tǒng)的干擾，由機旁的PLC接收報警或遙控/本地開關信號，沿用車鐘線路和操作面板，按下車鐘上按鈕后PLC實現將車鐘電信號轉換為控制信號功能，沿用 OFD單元后方的位移傳感器功能，接收來自傳感器的漿角信號，將漿角信號切換至模數轉換模塊，由模數模塊將漿角信號轉換成PLC可識別的數據，反饋信號輸入PLC中，將其與車鐘指令進行比對，達到指令螺距后PLC控制比例閥停止液壓調節(jié)，完成需要螺距大小的變更。

應急操作系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 應急車鐘操控系統(tǒng)工作流程圖

元器件的選型如下。

1）PLC：西門子S1200型編碼器；

2）電源：開關電源220 V/24 V 6A各1塊；

3）電纜：型號為24 V硬點線和220 V三線制電纜；

4）路由器1個：至少5個轉接口；

5）模數轉換模塊：1個數模轉換模塊；

6）比例控制器：2個可調距漿單元上的部分，與液壓系統(tǒng)相連。

本系統(tǒng)的優(yōu)點有：1）反應快，接到報警信號，本系統(tǒng)能夠迅速切換到應急操作模式進行操作；2）可靠性高，本系統(tǒng)隨時。

2.3 機旁PLC設置

機旁PLC作為本系統(tǒng)的控制核心，其控制程序由編碼器完成，PLC型號選用西門子S1200PLC，這是新一代的可編程控制器，功能更加強大，具備復雜邏輯的編輯功能，主要優(yōu)勢有抗干擾、可靠性高；模塊化組合式結構，使用靈活方便；編程簡單，便于普及；可進行在線修改；網絡通訊功能，便于實現分散式測控系統(tǒng)；與傳統(tǒng)的控制方式比較，線路簡單。其系統(tǒng)改造方案如圖6所示。

程序設計為由車鐘上“進5”到“退5”8個按鈕指令輸入PLC后，正車時，進1設置為提高15%正向螺距，每進一格提升15%螺距，倒車時以此類推。

圖6 改造后系統(tǒng)線路連接

圖7 PLC接線端子圖

對應輸出為電壓信號來調節(jié)電磁閥開度，設置故障判斷程序，只有當檢測到通信故障時，PLC才能接收駕駛室車鐘面板的電信號，或當崗位人員將CPP權限打至本地時（判斷設備通信故障）才接受駕駛室車鐘面板的電信號并轉換為控制信號[2]，其他操作均不可介入比例閥的控制系統(tǒng)。其端子接線圖和接線點名稱如圖7和表1所示。

PLC端子接線分為輸入和輸出兩大部分。輸入部分主要有24 V電源輸入，設有接地觸電保障電源安全，反饋輸入連接 ODF尾部的位移傳感器，通信故障報警作用為系統(tǒng)提醒操作人員可以視情況使用本系統(tǒng)的提示報警，系統(tǒng)切換輸入端子用于一鍵切換本系統(tǒng)的輸入。輸入部分有4個端子，220 V電源接口、螺距正向、螺距逆向和系統(tǒng)切換，實現將控制指令轉化為電信號的功能[3-4]。

表1 PLC接線端子名稱表

2.4 啟用應急車鐘操控系統(tǒng)的步驟

啟用本系統(tǒng)可分為2步：

1）視情決定。通過故障信號和情況緊急程度聽令啟用本系統(tǒng)，按下切換按鈕，系統(tǒng)將切斷手柄和AT3000遙控系統(tǒng)的控制權限，本系統(tǒng)將轉入控制，實現PD控制器的邏輯功能。啟用后，應急車鐘操控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)獨立，不相互干擾。

2）操作設備。聽令操作應急車鐘面板，調整螺距，控制船速。接受過設備操作培訓的崗位人員聽令操作駕駛室車鐘面板，輸入要求的螺距實現實時控制。

3 應急車鐘操控系統(tǒng)的優(yōu)點

3.1 提高系統(tǒng)可靠性

現駕駛室、集控室和本地之間的通訊連接為星型線路連接，信號接收傳輸由以太網交換機完成，上一方將信息數據送至DPU模塊和SIO中進行匯總、計算處理交付下一方，通信回路單一，一旦通信故障，如DPU模塊、SIO多串接口模塊故障失效，系統(tǒng)將面臨失控，航速調節(jié)將回復原始的車鐘調節(jié)。

如圖8所示，原系統(tǒng)的控制模式通信分3層網絡。第一層：基于局域網通信的螺距手柄控制。第二層：基于二次交換網絡的AT3000操作面板控制。第三層：基于硬點線的車鐘令-本地控制，在局域網絡出現故障時采用AT3000控制，在二次交換網絡出現通信故障時還能采用車鐘控制。應急車鐘控制系統(tǒng)是基于硬點線通信，區(qū)別網絡通信，其性能可靠，是在緊急情況下（車鐘模式來不及控制船速）的另一層保障。

圖8 3種控制模式的通信網絡圖

3.2 緊急情況下可快速反應

某船的操作模式一般使用恒轉速模式，螺距的操作主要由主機的操作手柄來操作，主機本身不可反轉，主要依靠改變可調距槳葉角度（反方向）來實現倒車操作，一旦出現故障或不可控現象，那么，在應急情況下雖然有舵可以把握方向，但是卻除了停機降速外，無法做到變螺距倒退減速。緊急情況下，人員從集控室到本地進行應急操作需要至少半分鐘時間，反應時間太慢，對于應對突發(fā)情況顯然無法滿足操控的需要。CPP應急操控系統(tǒng)設計可以在主機的操作手柄是失控的情況下解決這個問題，使船舶在失控狀態(tài)下都能做到可靠操控。

在突發(fā)情況下傳統(tǒng)的調度和車鐘模式無法保證在預期要求下使船速得到有效控制。停車操作下，雖然主機轉速歸零，但由于慣性影響，船速仍不能得到快速控制以規(guī)避風險。如果在遙控系統(tǒng)失效的情況下遇到需要規(guī)避船只或暗礁的情況，駕駛室可通過 CPP應急操作系統(tǒng)直接依據自身判斷進行倒車操作，此時能在最快時間內反應，為保全船只創(chuàng)造有利條件。

4 結論

應急車鐘操控系統(tǒng)設計作為一種關鍵點應急船舶操作系統(tǒng)設計，在預防通信故障在急需調整螺距的情況下發(fā)生，如狹水道航行、急需減速避讓操作，應急車鐘操控系統(tǒng)的存在顯得尤為關鍵。目前正在與場所專家研究討論，為下一步改進工作創(chuàng)造有利條件。