柯于春，　王　健

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

0　引　言

船舶噴水推進是一種特殊的船舶推進方式，與螺旋槳推進不同，它不是利用推進器直接產(chǎn)生推力,而是通過推進泵噴出水流的反作用力推動船舶前進或后退。船舶噴水推進技術(shù)由于具有諸多常規(guī)螺旋槳推進技術(shù)所不及的優(yōu)點，在特種船型、高速船舶和一些高性能船舶中被廣泛采用。

噴水推進器的可靠運行離不開穩(wěn)定且高效的監(jiān)控系統(tǒng)，噴水推進系統(tǒng)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)包括對輸入設(shè)備的采樣、為用戶提供良好的人機交互界面、與下位機進行數(shù)據(jù)通信及對系統(tǒng)信息的存儲與查詢等，實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)記錄故障和一般性故障診斷等功能。

1　噴水推進原理概述

1.1　基本原理

1.1.1推力產(chǎn)生機理

船舶噴水推進的基本原理和傳統(tǒng)的螺旋槳工作原理相似，都是通過向艦船運動的相反方向噴射加速后的水流, 使船體受到水流的反作用力而產(chǎn)生推力。推力的大小等于流經(jīng)推力器流道的流體在單位時間內(nèi)的動量變化率[2]為

T=ρQ(Vj-V0)

(1)

式(1)中:T為噴水系統(tǒng)產(chǎn)生的推力；ρ為水的密度；Q為流經(jīng)流道水流的流量；Vj為噴水的流速；V0為進水口速度。

噴水推進的理想效率為

(2)

式(2)中:k為噴速Vj與進口速度V0之比, 即k=Vj/V0。實際噴水推進器的效率ηT為推進泵效率ηP和系統(tǒng)效率ηC的乘積為

ηT=ηP·ηC

(3)

ηP=ρQHg/Ne

(4)

ηC=gTV0/ρQH

(5)

式(4)和式(5)中：H為推進泵的揚程；Ne為推進泵的輸入功率；ρ為水的密度；g為重力加速度。

1.1.2倒航斗工作原理

方向舵和倒航斗由液壓組件驅(qū)動，所有的液壓組件構(gòu)成液壓系統(tǒng)。由操斗油缸控制倒航斗的位置，改變噴水噴出的方向，產(chǎn)生前進或后退的動力。當(dāng)?shù)购蕉吩谀硣娏鞯南蚯巴屏拖蚝笸屏_(dá)到平衡時，可達(dá)到零推力(駐航)；當(dāng)向后噴水產(chǎn)生的推力大于向前噴水的推力時達(dá)到正車狀態(tài)；當(dāng)向后噴水產(chǎn)生的推力小于向前噴水產(chǎn)生的推力時達(dá)到倒車狀態(tài)。整個倒航斗上、下顎的張開是一個連續(xù)的過程，所以噴流產(chǎn)生的正、倒車推力的變化也是連續(xù)的，可實現(xiàn)船舶的無級調(diào)速，原理見圖1。

a)正車b)駐航(零速)c)倒車

圖1倒航斗工作原理

1.1.3方向舵工作原理

船舶航向改變則通過改變噴水推進器的方向舵位置(改變噴流方向)實現(xiàn)，噴流方向左舵30°至右舵30°原理見圖2。

圖2　方向舵工作原理

1.2　噴水推進系統(tǒng)特點

相對于螺旋槳推進器，以軸流泵為主動力源的現(xiàn)代噴水推進器克服其效率低下的缺點，顯示出傳統(tǒng)螺旋槳推進器無法比擬的優(yōu)越性。泵噴水推進器的主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面[3-5]:

(1) 抗空泡能力強、推進效率高。噴水推進裝置的導(dǎo)管不僅起到了分割流場，產(chǎn)生推力增值的作用，而且使推進泵的葉輪在均勻的流場中工作，抗空泡能力強，特別是中高速時推進效率較高；

(2) 振動小是噪聲較低，由于泵噴水推進器的傳動結(jié)構(gòu)相對簡單，振動大幅降低，抗空泡性能好，可明顯降低噪音和振動；

(3) 附體阻力小。噴水推進裝置把導(dǎo)管內(nèi)的水流與船底水流分開,阻力減小，同時 適宜淺水航行，減小淺水效應(yīng)；

(4) 適應(yīng)變工況的能力強。在船舶工況發(fā)生變化的條件下，能充分吸收主機功率，以調(diào)節(jié)和適應(yīng)工況的變化。操縱和動力定位性能較好，可實現(xiàn)無級調(diào)速，正車和倒車間過度平滑，在整個航速范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，且可和操舵裝置配合；

(5) 保護性能好，推進泵的葉輪在導(dǎo)管中受到較好的保護。

2　控制對象及目標(biāo)

噴水推進系統(tǒng)由推進柴油機、噴泵及連接軸系組成，遙控系統(tǒng)通過控制斗位來改變噴水方向，借助水的反作用力推動船舶前進或后退，通過控制主機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)推進泵的轉(zhuǎn)速以改變噴水量和噴速；通過控制舵角使船向左(或右)改向，來實現(xiàn)舵效。

通過對噴水推進裝置操縱方式的選擇，操縱相應(yīng)操縱手柄、手輪及開關(guān)按鈕，通過向控制模塊輸入相應(yīng)的噴水推進裝置方向舵和倒航斗以及主機轉(zhuǎn)速的控制指令，根據(jù)設(shè)定的程序，控制模塊輸出控制指令至相應(yīng)的機器(泵閥)旁控制箱，執(zhí)行對噴水推進裝置方向舵、倒航斗、離合器及主機轉(zhuǎn)速的程序控制功能?；贏RM單片機硬件平臺的控制模塊，通過軟件編程，按照噴水推進裝置聯(lián)控曲線，實現(xiàn)噴水推進裝置主機轉(zhuǎn)速、方向舵和倒航斗及齒輪箱離合器接脫排狀態(tài)的最佳匹配，確保噴水推進裝置穩(wěn)定、安全、可靠及高效的運行。

3　噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1　總體設(shè)計

噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計采用“標(biāo)準(zhǔn)化”、“模塊化”及“獨立化”原則。組態(tài)靈活且功能完善，監(jiān)控系統(tǒng)采用雙冗余現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和雙冗余以太網(wǎng)絡(luò)，主要任務(wù)是實施對噴水推進裝置及其輔助系統(tǒng)的自動控制、安全保護和監(jiān)測報警及數(shù)據(jù)管理一體化，保障推進裝置可根據(jù)操作人員的操縱及指令安全可靠運行，并可通過雙冗余以太網(wǎng)與其它系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)、互通和數(shù)據(jù)交互。

設(shè)計一套噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件配置狀態(tài)取決于推進裝置的技術(shù)狀態(tài)。推進裝置可由1臺柴油機、1套軸系、1個倒航斗，也可由多臺柴油機、多套軸系及多個倒航斗組成?，F(xiàn)以2臺柴油機、雙軸系及2個倒航斗組成的推進裝置為例，設(shè)計一套推進監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)原理見圖3。

圖3　推進監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖

3.2　硬件設(shè)計

噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備主要布置在駕駛室、集控室、主機艙及推進泵艙。系統(tǒng)主要功能是采集各操作面板操縱手柄、手輪、開關(guān)按鈕的命令信號及噴水推進系統(tǒng)運行狀態(tài)的反饋信號，經(jīng)遙控控制模塊、柴油機調(diào)速控制模塊和安?？刂颇K等模塊進行邏輯運算處理后，輸出控制信號到柴油機、離合器、方向舵和倒航斗，實現(xiàn)噴水推進系統(tǒng)柴油機的起動、停車、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、離合器的接脫、方向舵的方向及倒航斗噴水流速等控制。

整個系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成，控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)均由標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場控制模塊構(gòu)成。遙控控制模塊、柴油機調(diào)速控制模塊、安全控制模塊等。監(jiān)測報警系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場I/O模塊構(gòu)成，包括開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、熱電偶模塊、熱電阻模塊及脈沖輸入模塊等。

表1　系統(tǒng)硬件設(shè)備組成

3.3　軟件設(shè)計

3.3.1軟件功能設(shè)計

噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)可在駕駛室和集控室進行遙控控制，也可在機旁進行手動控制。機旁的手動控制優(yōu)先級高于駕駛室和集控室的遙控控制，集控室的遙控控制優(yōu)先級高于駕駛室的遙控控制。機旁和集控室間的控制權(quán)轉(zhuǎn)換只能在機旁進行，集控室和駕駛室間的控制權(quán)轉(zhuǎn)換只能在集控室進行，操作部位相互聯(lián)鎖，任何時刻都只能由1個部位操縱。在駕駛室和集控室操作時，可遙控控制柴油機起動或停止(集控時實現(xiàn))、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、離合器接脫及噴泵的水流速等，駕駛室還可控制方向舵的方向來改變船舶的行進方向。

噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)可接受推進柴油機、離合器及軸系、方向舵及噴泵等系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)出的故障信號，進行故障降速和故障停車等安全保護處理。系統(tǒng)的主要功能如下。

(1)控制系統(tǒng)

操作部位和控制方式：駕駛室、集控室和主機艙等3個操作部位可轉(zhuǎn)換，運行過程中只有一個操作部位操作有效。在駕駛室和集控室可執(zhí)行遙控自動和半自動控制、主機艙可執(zhí)行機旁手動控制。方向舵和倒航斗有1套應(yīng)急操縱板通過硬線直接連接到駕駛室，在遙控系統(tǒng)故障時，可通過應(yīng)急操縱板改變方向舵和倒航斗位置。

柴油機：啟動或停止控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制。

起動聯(lián)鎖：推進器運行前，控制系統(tǒng)采集到限制起動信號，即使有遙控起動的指令也無法起動，部分參數(shù)可應(yīng)急越過控制屏蔽后起動。

接排聯(lián)鎖：控制系統(tǒng)采集到限制接排信號，必須解除接排相應(yīng)限制才可接排，有些限制可應(yīng)急越過控制屏蔽后接排。

推進裝置啟停：推進器在滿足運行條件時，可以在集控室執(zhí)行遙控起動和停車以及接脫排控制。機旁臺實行手動起停和接脫排操作。

推力調(diào)節(jié)：在自動控制方式下，車鐘發(fā)出車令，控制模塊根據(jù)車令，結(jié)合聯(lián)控曲線控制柴油機轉(zhuǎn)速和倒航斗的位置，控制船舶的前進 或后退。半自動方式下，可分別調(diào)節(jié)主機轉(zhuǎn)速和倒航斗位置。

方向調(diào)節(jié)：駕駛室手輪發(fā)出方向調(diào)節(jié)信號給控制模塊，控制模塊調(diào)節(jié)方向舵的位置來改變船舶航行的方向，應(yīng)急操作板可在緊急情況下直接通過硬線控制方向舵。

限制保護：推進裝置在運行過程中設(shè)定負(fù)荷限制、冒煙限制、最大轉(zhuǎn)速限制、最大油門限制、最低溫度轉(zhuǎn)速限制、臨界轉(zhuǎn)速避讓及泵輪葉片防撞等保護功能限制。

(2)安全保護系統(tǒng)

故障降速：推進系統(tǒng)在運行過程中，安保系統(tǒng)收到任一故障降速原因信號，即刻或按要求延時發(fā)出故障降速指令并發(fā)出聲光報警，使主機轉(zhuǎn)速降低至較低的安全值。

故障停車：推進系統(tǒng)在運行過程中，安保系統(tǒng)收到任一嚴(yán)重故障信號時，即刻或按要求延時發(fā)出故障停止指令并發(fā)出聲光報警，柴油機停車，離合器故障脫排，故障解除切系統(tǒng)復(fù)位后可重新起動。

緊急停車：在駕駛室、集控室和主機旁都設(shè)有獨立的“緊急停車”按鈕，這些按鈕不受操作部位控制權(quán)的限制，可直接使柴油機停止運行，離合器故障脫排，復(fù)位后才可重新起動。

(3)監(jiān)測報警系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和傳輸：通過主機艙的數(shù)據(jù)采集模塊，采集噴水推進裝置及輔助設(shè)備的傳感器信號，傳感器信號包括：溫度、壓力、液位、開關(guān)量等，并通過雙冗余控制局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)由網(wǎng)關(guān)模塊上傳至上位管理機和綜合顯控模塊，以太網(wǎng)也可輔助傳輸數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺W(wǎng)絡(luò)管理平臺存盤[6]。

參數(shù)顯示和報警功能：液晶顯示器分頁顯示每個測點的名稱及實際測量值，若超過報警上、下限值時，顯示器的報警窗口彈出報警信息，發(fā)出聲、光報警信號，可進行消聲應(yīng)答處理。實測值在顯示器上動態(tài)刷新，當(dāng)檢測到傳感器故障時，顯示器報警窗口彈出傳感器故障指示。

圖形顯示功能：在液晶顯示器的人機界面上顯示噴水推進系統(tǒng)的模擬圖、運轉(zhuǎn)動態(tài)圖和模擬二次儀表顯示。

數(shù)據(jù)記錄與查詢功能：具有測量參數(shù)、相關(guān)控制參數(shù)和命令的定時自動記錄保存、報警消警即時記錄等功能，而且隨時可將當(dāng)前測量參數(shù)手動存盤；可查詢某一時間保存的測點數(shù)據(jù)、控制參數(shù)和命令，也可查詢某一測點的報警歷史。

故障自檢及診斷功能：每個模塊具有通信狀態(tài)指示、電源指示，在顯示器上對系統(tǒng)的電源失電、傳感器斷線、通訊故障進行自檢與報警。

趨勢分析：可將歷史參數(shù)調(diào)出來，以曲線顯示出來，方便分析比較后得出結(jié)論。

故障表：具有強大的數(shù)據(jù)整理及處理能力，根據(jù)時間或故障類別可分類列出。一方面除可自動記錄一些報警故障及處理方法，同時可手動輸入故障現(xiàn)象、類別及處理方法；另一方面相同船型可同步數(shù)據(jù)庫，分享數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，擴大數(shù)據(jù)庫，便于盡快找到排除故障的方法?；趶姶蟮臄?shù)據(jù)庫，發(fā)生明顯的故障時系統(tǒng)會自動搜索數(shù)據(jù)庫給出提示，也可手動搜索出相同故障現(xiàn)象的發(fā)生時間和解決方法。

3.3.2軟件性能要求

監(jiān)控系統(tǒng)的各數(shù)據(jù)采集模塊和各控制模塊，對輸入、輸出的電氣信號處理時，既需考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又需采取相應(yīng)濾波處理，防止輸入擾動，進而影響系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和可靠性；在處理CAN網(wǎng)絡(luò)信號時，應(yīng)計算每個單獨CAN網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量，在保證穩(wěn)定性的前提下減小系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新的時間間隔，提高系統(tǒng)運行的實時性。具體需求見表2。

表2　系統(tǒng)性能需求表

3.4　網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

推進監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息的可靠傳輸。系統(tǒng)采用開放式、分層式及雙冗余結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。推進系統(tǒng)監(jiān)控裝置采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，下層為實時數(shù)據(jù)采集網(wǎng)和控制網(wǎng)，采用CAN現(xiàn)場總線。上層為數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)，分為基于以太網(wǎng)全艦主干網(wǎng)和基于CAN現(xiàn)場總線的上層CAN網(wǎng)。

為保證系統(tǒng)的可靠性，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均采用雙冗余結(jié)構(gòu)?？紤]到系統(tǒng)的生命力和可靠性，將下層網(wǎng)絡(luò)分為6個相互獨立的子網(wǎng)：左軸遙控CAN網(wǎng)、左軸安保CAN網(wǎng)、左軸監(jiān)測CAN網(wǎng)、右軸遙控CAN網(wǎng)、右軸安保CAN網(wǎng)及右軸監(jiān)測CAN網(wǎng)。6個下層現(xiàn)場子網(wǎng)相互獨立且電氣隔離，某個子網(wǎng)故障或損壞，將不影響其他子網(wǎng)正常工作?？杀ＷC系統(tǒng)的可靠性與實時性，也保證系統(tǒng)的生命力。各子網(wǎng)通過相應(yīng)的CAN中繼模塊將下層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸至上層CAN網(wǎng)。上層CAN網(wǎng)中有2臺上位管理機、駕駛室、機艙及輪機長室的綜合顯控模塊等7個節(jié)點，可選擇選擇部分節(jié)點接入船舶的主干網(wǎng)，也可全部節(jié)點接入，與其他系統(tǒng)進行信息交互。

噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)上層以太網(wǎng)設(shè)備通過交換機接入全船的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的主干網(wǎng)，通過主干網(wǎng)實現(xiàn)各上層網(wǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，可通過4G網(wǎng)絡(luò)與岸基網(wǎng)絡(luò)連接，接入岸基的網(wǎng)絡(luò)管理平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控。

3.5　系統(tǒng)功能設(shè)計

左、右舷各設(shè)置一套獨立的推進控制系統(tǒng)，分別控制2套噴水推進裝置。2套控制系統(tǒng)功能相同，可在不同的操作模式下工作。

3.5.1柴油機系統(tǒng)監(jiān)控功能

柴油機是整個推進系統(tǒng)的動力源，對柴油機系統(tǒng)的控制效果直接決定了整個推進系統(tǒng)的性能。柴油機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括柴油機啟停系統(tǒng)、柴油機轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)、柴油機配氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等。通過對柴油機各系統(tǒng)的監(jiān)控及柴油機運行的熱工參數(shù)的采集來判斷柴油機的運行狀態(tài)，進行綜合分析控制。

柴油機起停系統(tǒng)：起動時，打開起動空氣氣源，將主機吹到發(fā)火轉(zhuǎn)速以上，同時打開燃油閥，給定起動油門供油量，保證柴油機則順利起動。停車時，迅速切斷燃油閥，保證機器迅速停機。

柴油機轉(zhuǎn)速監(jiān)控：利用PID調(diào)節(jié)器，對柴油機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，控制柴油機轉(zhuǎn)速隨著負(fù)荷的變化穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速附近。

3.5.2軸系監(jiān)控系統(tǒng)功能

軸系系統(tǒng)主要將主機的機械能傳遞給噴泵，其監(jiān)控系統(tǒng)包括離合器的監(jiān)控，軸系潤滑監(jiān)控等。

3.5.3噴水泵監(jiān)控系統(tǒng)功能

噴水泵主要是將主機傳遞過來的機械能轉(zhuǎn)換成為噴水的動能，然后通過反沖力推動船舶的運動。監(jiān)控系統(tǒng)主要對倒航斗、方向舵、管道系統(tǒng)和水泵等系統(tǒng)設(shè)備進行監(jiān)控。

方向舵：根據(jù)遙控控制模塊的控制命令，與操舵反饋傳感器的信號進行比較，運算后把電信號送入電液換向閥，從而驅(qū)動操舵油缸。

方向舵?zhèn)溆每刂疲焊鶕?jù)駕駛室備用操縱板的手動按鈕，將信號發(fā)送至操舵油缸的液壓控制系統(tǒng)，驅(qū)動操舵油缸，實現(xiàn)開環(huán)控制。當(dāng)方向舵失效時，可通過備用控制保證船舶航向的可控性。

斗位控制：根據(jù)遙控控制模塊的控制命令，與倒車斗反饋傳感器的信號進行對比，運算后把電信號送入電液換向閥，驅(qū)動倒車斗油缸。

斗位備用控制：根據(jù)噴泵機旁的備用操縱板的手動按鈕，直接將信號發(fā)至驅(qū)動倒車斗油缸的液壓控制系統(tǒng)，驅(qū)動倒車斗油缸，實現(xiàn)開環(huán)控制。當(dāng)斗位控制遙控失效時，可保持動力輸出，保證船舶不失去動力。

管道系統(tǒng)監(jiān)控：主要是對管道系統(tǒng)進行監(jiān)控，監(jiān)控對象主要包括進水口、進水格柵、擴散管、推進水泵進流彎管、出流彎管和噴口等。

潤滑與密封系統(tǒng)：主要是對軸承潤滑和密封進行監(jiān)控。

4　結(jié)　語

以噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，通過對1套噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)的介紹，為噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展提供一定的指導(dǎo)意義。隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)和大數(shù)據(jù)理論等的不斷發(fā)展，噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展得到了更多技術(shù)支持，也對噴水推進監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。

參考文獻：

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