嚴(yán) 華，王興福，曾步輝

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船舶起貨機(jī)故障設(shè)置教學(xué)裝置的研制

嚴(yán) 華，王興福，曾步輝

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021）

簡要介紹船舶起貨機(jī)組成及功能，設(shè)計了一種船舶起貨機(jī)故障模擬系統(tǒng)。為了使學(xué)生的動手能力得到有效的提高，在起貨機(jī)控制系統(tǒng)上建立了故障設(shè)置裝置。用單片機(jī)對起貨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體的控制，也使在校學(xué)生有機(jī)會學(xué)會處理一些相對復(fù)雜的電氣故障，解決了在教學(xué)上如何提高學(xué)生動手能力這一難題，在實(shí)際的教學(xué)中驗(yàn)證了該裝置的可行性。

教學(xué)裝置 故障 起貨機(jī) 單片機(jī)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，船舶電氣設(shè)備的控制技術(shù)得到日新月異發(fā)展。最新的控制技術(shù)與手段運(yùn)用到船舶的控制系統(tǒng)中，給船舶電氣的維護(hù)管理人員提出了更高的要求。作為航海院校如何提高船舶電氣管理類學(xué)生的基本的素質(zhì)，這是大家普遍關(guān)注的問題。為此我們研制了船舶起貨機(jī)故障設(shè)置裝置作為必要的教學(xué)設(shè)備用于實(shí)踐教學(xué)。

1 船舶電動起貨機(jī)的功能及特點(diǎn)

船舶起貨機(jī)是一種典型的甲板機(jī)械之一，在船舶上主要承擔(dān)著裝卸貨物的重任。就其控制方式而言可分為電控制和液壓控制兩種。電控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，電動起貨機(jī)可分為恒功率和恒轉(zhuǎn)矩兩種。它們具有控制方便、調(diào)速范圍廣、較高的生產(chǎn)率和安全可靠等特點(diǎn)，在船舶上應(yīng)用廣泛。

2 故障設(shè)置裝置的特點(diǎn)

故障設(shè)置裝置實(shí)際上在很多的院校都已經(jīng)在使用，但大多數(shù)的設(shè)備實(shí)驗(yàn)臺式的模擬設(shè)備，其功能僅限于使用和故障的模擬，所達(dá)到的教學(xué)效果就是讓學(xué)生熟悉設(shè)備的基本操作和了解故障的基本現(xiàn)象。當(dāng)然這對提高學(xué)生的素質(zhì)是起到一定的作用，但讓學(xué)生處理故障，確實(shí)提高他們動手能力這塊尚有欠缺。我們研制的這一教學(xué)設(shè)備充分考慮了這一因素。首先是采用控制箱的設(shè)計方案，這一方案改變了傳統(tǒng)的模式使學(xué)生能夠進(jìn)行故障的排查。再者采用的真實(shí)的主令控制器對控制箱進(jìn)行操控，這樣學(xué)生就有機(jī)會對主令控制器有更深的了解。這一裝置的使用對提高學(xué)生基本素質(zhì)是起到積極的作用。

3 故障設(shè)置裝置的基本組成及功能

3.1基本組成

本裝置由控制箱和三個大的基本單元組成，一是船舶起貨機(jī)基本控制電路，此電路是以船舶恒功率起貨機(jī)控制電路為原型，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些功能。二是故障設(shè)置單元，此單元主要由故障設(shè)置模擬開關(guān)和單片機(jī)組成；三是故障的顯示及模擬電動機(jī)的控制單元，主要由單片機(jī)、顯示屏、指示燈組成。其基本的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1故障設(shè)置裝置基本結(jié)構(gòu)圖

3.2故障設(shè)置裝置的功能

3.2.1基本功能

本故障設(shè)置裝置基本功能有兩個：①可以模擬起貨機(jī)正常工作時的各種工作狀態(tài)；②通過相應(yīng)的設(shè)置可模擬出船舶起貨機(jī)的最常出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，此功能是由單片機(jī)和故障模擬開關(guān)來完成。

3.2.2教學(xué)功能

研制本教學(xué)裝置最主要的目的是用于教學(xué)。在校的學(xué)生沒有實(shí)船的工作經(jīng)驗(yàn)，如何大力提高他們的專業(yè)素質(zhì)，提高他們的邏輯思維和判斷、處理故障的能力這是我們一直在研究的課題。由于電動起貨機(jī)控制線路有它獨(dú)特的控制特點(diǎn)，邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，選用電動起貨機(jī)控制線路用于實(shí)踐教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力來說是一個很好的途徑。通過本教學(xué)裝置的教學(xué)，可達(dá)到兩個重要目的即：可很大程度上提升學(xué)生的邏輯思維能力。學(xué)生可通過本裝置設(shè)置的故障認(rèn)識所產(chǎn)生現(xiàn)象，而后對控制線路進(jìn)一步詳細(xì)的分析判斷故障可能出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，由此來提高自己的邏輯思維能力。其二也可大大提高學(xué)生的處理故障的能力。學(xué)生通過前期的對故障的分析、判斷后可采用測量手段對控制裝置可能出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一測量排查故障最終準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)，并教會他們?nèi)绾蝸硖幚泶祟惞收稀?/p>

4 起貨機(jī)控制箱面板及控制箱內(nèi)部的設(shè)計

4.1控制箱面板設(shè)計

本裝置作為教學(xué)設(shè)備在設(shè)計控制控制面板時是考慮了兩個因素：即考慮到控制箱整體的真實(shí)性，又充分考慮教學(xué)效果。例如制動器的動作過程，剎車線圈在剛開始得電的時候是全電壓的，一旦剎車打開在其控制電路中是要串入經(jīng)濟(jì)電阻的。因此，在控制面板上安裝一剎車指示燈來模擬制動器的工作情況。事實(shí)證明用燈泡可很好模擬了這一動作過程。此外設(shè)計一可旋轉(zhuǎn)示燈的電路來模擬電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，這樣學(xué)生就可在控制面板上對電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速有一個更清楚的認(rèn)識，對整個系統(tǒng)的工作情況一目了然?？刂葡涞耐獠吭O(shè)計圖如圖2所示。

圖2 控制箱的外部設(shè)計圖

4.2控制箱內(nèi)部的設(shè)計

本裝置控制箱內(nèi)部的設(shè)計要滿足三個要求：

1）合理性和規(guī)范性。設(shè)計控制箱首先要滿足規(guī)范性的要求，如果控制箱整體設(shè)計不符合規(guī)范就不能用于教學(xué)，容易誤導(dǎo)學(xué)生。再一個是要考慮合理性：一是元器件安裝排列的合理性。二是布線走向的合理性。

2）安全性和可操作性。由于本裝置用于教學(xué)安全因素應(yīng)考慮第一位，我們在設(shè)計時用了漏電保護(hù)裝置，且能用低壓電器的地方盡量使用低壓電器。二是本裝置不僅是用于操作還有一主要功能是讓學(xué)生在上面排除故障，故在設(shè)計上還要考慮方便學(xué)生查找和排除故障。

3）功能性。對于功能性本裝置主要考慮的是兩個問題：一模擬設(shè)備本身固有的功能；二是設(shè)備可能會出現(xiàn)的故障，這些故障的模擬可讓學(xué)生認(rèn)識故障，也可讓學(xué)生通過測試的手段排除故障?？刂葡涞膬?nèi)部設(shè)計如圖3所示。

圖3 控制箱的內(nèi)部設(shè)計圖

5 單片機(jī)控制電路的設(shè)計

5.1單片機(jī)控制電路的基本流程

故障設(shè)置裝置的基本控制流程是由兩部分組成的，一是起貨機(jī)正常工作時單片機(jī)對其進(jìn)行相應(yīng)的控制；二是在設(shè)置故障時單片機(jī)對其進(jìn)行控制，這部分還含故障顯示和報警的功能。整體的基本流程圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制電路的基本流程圖

5.2故障顯示與報警電路的設(shè)計

經(jīng)過與有實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)的船舶電氣管理人員認(rèn)真探討、研究和通過對船舶起貨機(jī)的控制電路的分析（如圖5所示），我們在控制線路上設(shè)置了20個船舶起貨機(jī)控制電路常見的故障點(diǎn)，用故障設(shè)置開關(guān)作為單片機(jī)控制電路的故障輸入信號，再由單片機(jī)對整個電路進(jìn)行相應(yīng)的控制。

圖5 恒功率起貨機(jī)控制線路

故障顯示與報警電路實(shí)際上由這幾個部分組成：顯示器、單片機(jī)、譯碼器、輸出繼電器、故障設(shè)置開關(guān)、報警示燈等。故障設(shè)置模塊的控制電路以51系列單片機(jī)（STC89C52）為核心，P2口低5位（P2.0--P2.4）作為輸入端檢測起貨機(jī)方向接觸器和速度接觸器的觸頭通斷情況，并將信息傳到CPU進(jìn)行處理，P1口作為輸出端口，控制光耦隔離開關(guān)TLP521控制8個24VLED燈實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、低速、中速、低速幾種狀態(tài)。P2口的高3位（P2.5--P2.7）作為液晶模塊的控制信號，實(shí)現(xiàn)對液晶顯示模塊的觸發(fā)，讀寫數(shù)據(jù)和指令等。該液晶顯示模塊采用12864中文顯示模塊，考慮到采集速度要求不是很高及端口擴(kuò)展需要，液晶模塊采用串行顯示模式。P3口低5位（P3.0--P3.4）作為故障檢測口，采集外部CD4067模擬開關(guān)的狀態(tài)，CPU將此數(shù)據(jù)信息與儲存器存儲的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后通過單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的故障模擬，同時將故障所對應(yīng)的數(shù)據(jù)送至液晶顯示模塊。CD4067為十六路模擬開關(guān)，其內(nèi)部包括一個16選1的譯碼器和被譯碼輸出所控制的16個雙向模擬開關(guān)，當(dāng)禁止端INH為低電平0時，X0－X15中被選中的一個輸入端與輸出公共端X（即1腳）接通，被選通端由外部地址輸入端A1～A4決定，當(dāng)INH為高電平1時，處于禁止?fàn)顟B(tài)，所有模擬開關(guān)均不接通。CD4067最多只能設(shè)置16個故障，如果需要設(shè)置更多的故障，可按要求對P0端口進(jìn)行分配，其電路如圖6所示。

圖6 單片機(jī)控制電路

6 結(jié)束語

本船舶起貨機(jī)故障設(shè)置教學(xué)裝置是以實(shí)際船舶起貨機(jī)控制電路為原型，在對起貨機(jī)控制電路進(jìn)行全面系統(tǒng)分析和根據(jù)起貨機(jī)工作時的實(shí)際情況，對設(shè)備功能進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，設(shè)置了一系列的故障點(diǎn)。此設(shè)備投入到實(shí)踐教學(xué)后，學(xué)生對起貨機(jī)整個工作原理和過程的認(rèn)知度得到大幅度的提升，并且也極大提高了他們的分析問題和處理問題的能力，獲得良好的教學(xué)效果。

[1] 王哲, 譚業(yè)雙, 霍曉磊. 裝備維修訓(xùn)練中模擬故障設(shè)置方法與實(shí)現(xiàn)[J]. 信息技術(shù), 2013, (12): 174-176.

[2] 尹昭輝. 基于AT89S52的數(shù)控實(shí)訓(xùn)臺故障設(shè)置裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)電技術(shù), 2013, (4): 29-30.

[3] 王峰. 數(shù)控機(jī)床故障設(shè)置及排除裝置的研發(fā)[J].溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2012, (2): 48-50.

[4] 孫力. 船舶起貨機(jī)的單片機(jī)控制[J].中國修船, 1999, (1): 36-38.

Fault Setting for Teaching Device of Ship Cargo Winch

Yan Hua, Wang Xingfu, Zeng Buhui

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

U665.261

A

1003-4862（2015）02-0067-04

2014-10-08

嚴(yán)華（1963-），男，高級實(shí)驗(yàn)師。研究方向：船舶自動控制。