袁臻業(yè)，孟海輝，張 曉

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

某船現(xiàn)使用MAN公司制造的Alphatronic 3000型可調(diào)距漿，其通過(guò)液壓系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、漿軸和主機(jī)的配合可實(shí)現(xiàn)分控、聯(lián)控和恒轉(zhuǎn)速變螺距控制3種模式，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，航速保障性能優(yōu)越。但是一般采用的是恒轉(zhuǎn)速變螺距控制。在某次出海期間，該船右推進(jìn)裝置螺距手柄出現(xiàn)通訊故障，螺距手柄自動(dòng)歸零，嚴(yán)重影響駕駛室對(duì)主機(jī)的正常操控和船舶航速的保持。經(jīng)過(guò)排查診斷，故障歸因?yàn)?#可調(diào)距漿控制箱交換機(jī)單元故障，手柄與本地的數(shù)據(jù)通信閃斷，手柄螺距無(wú)法保持[1]。

在狹水道航行、急需減速避讓操作時(shí)，主機(jī)無(wú)法反轉(zhuǎn)，如遇螺距失控，船舶將無(wú)法進(jìn)行倒車(chē)作業(yè)，船舶來(lái)不及避讓，車(chē)鐘系統(tǒng)的操作需要人為到現(xiàn)場(chǎng)操作比例閥，從集控室到現(xiàn)場(chǎng)最快速度需要1 min以上，無(wú)法在第一時(shí)間做出反應(yīng)，錯(cuò)過(guò)最佳的避讓時(shí)間。為預(yù)防此類(lèi)通信故障在急需調(diào)整螺距的情況下發(fā)生，本文提出主推進(jìn)裝置兩級(jí)應(yīng)急操控系統(tǒng)-應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)借助現(xiàn)有的應(yīng)急車(chē)鐘通信系統(tǒng)，結(jié)合專用的控制指令編碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)CPP單元螺距的實(shí)時(shí)控制，該編碼器部署在CPP單元附近，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急車(chē)鐘信號(hào)的解釋以及對(duì)外部控制信號(hào)的輸出，采用應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)的船舶可以在船舶失控狀態(tài)下及時(shí)實(shí)現(xiàn)控制切換，滿足極端條件下船舶的控制需求，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)安全性能和可靠性能有大幅提高。

1 現(xiàn)有主推進(jìn)系統(tǒng)原理及功能

1.1 主推進(jìn)裝置遙控系統(tǒng)

某船的主推進(jìn)裝置有電源、應(yīng)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(gòu)成如圖1和圖2所示。

圖1 主推進(jìn)裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

某船主推進(jìn)裝置遙控部分主要分為：1）Alphatronic 3000 PCU。推進(jìn)控制裝置主柜，帶過(guò)程計(jì)算機(jī)和I/O模塊；2）推進(jìn)控制面板，用于通過(guò)彩色圖形觸摸屏遙控推進(jìn)裝置；3）帶電動(dòng)軸的設(shè)定桿，確保到/從集控室的無(wú)干擾轉(zhuǎn)移；4）車(chē)鐘系統(tǒng)；5）緊急停車(chē)面板；6）所連接系統(tǒng)的外部接口。

由圖3可看出，主推進(jìn)系統(tǒng)遙控系統(tǒng)各分為兩級(jí)，駕控和集控，兩者可以轉(zhuǎn)移權(quán)限，相互獨(dú)立。

圖2 主推進(jìn)裝置數(shù)據(jù)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(jìn)行控制。全船共有4個(gè)螺距手柄，分別為集控室控制手柄1個(gè)，駕駛室主控手柄1個(gè)，兩翼分控手柄各1個(gè)。除主控狀態(tài)的手柄進(jìn)行控制時(shí)，其他手柄自動(dòng)跟隨。其間通訊使用的是局域網(wǎng)通信。

2）AT3000操作面板控制，手柄失靈時(shí)由AT3000面板控制。駕駛室和集控室各2個(gè)操作面板，分別控制左右推進(jìn)裝置。其使用二級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。

3）車(chē)鐘令-本地控制，當(dāng)上述控制方式均失效時(shí)，沿用車(chē)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(chē)種指令，機(jī)艙人員根據(jù)指令進(jìn)行本地操作。車(chē)鐘使用硬電線即電連接，相比復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊，簡(jiǎn)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(shè)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(dān)著信號(hào)處理，控制油泵，控制2個(gè)比例閥，就地控制面板可以在機(jī)旁通過(guò)觸摸屏設(shè)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(guò)液壓調(diào)節(jié)的。系統(tǒng)中包括 2大部件：液壓動(dòng)力單元和反饋傳感器。如圖4所示。

圖3 主推進(jìn)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(dòng)，即給出一個(gè)電信號(hào)并傳遞到液壓動(dòng)力單元上的控制箱。箱內(nèi)有一個(gè)PD控制器，該控制器可操作漿液壓油送到正車(chē)或倒車(chē)方向的比例閥，比例閥是一種電磁閥組，通過(guò)控制器，傳感器輸入的電信號(hào)動(dòng)作以控制螺距大小?？刂破鲝姆答亗鞲衅鹘邮辗答佇盘?hào)，螺距調(diào)節(jié)通過(guò)立冬螺旋槳軸孔內(nèi)的伺服油管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

液壓動(dòng)力單元：液壓動(dòng)力單元經(jīng)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(guò)比例閥分配，然后通過(guò) ODF單元中的導(dǎo)引單向閥流向活塞；PD控制器發(fā)出的電信號(hào)控制比例閥上2只電磁閥動(dòng)作。

反饋單元：在螺距控制系統(tǒng)內(nèi)有1只位移傳感器，發(fā)出2個(gè)獨(dú)立信號(hào)。一個(gè)信號(hào)作為反饋信號(hào)送到控制單元，另一個(gè)信號(hào)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(hào)。

圖4 螺距控制系統(tǒng)連接圖

1.3 現(xiàn)有主推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)有主推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：1）集成化程度高，系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)制作，外圍元件少，減少了故障率；2）兼容性強(qiáng)，不但自身可操作，還可以和主機(jī)的SaCoSone系統(tǒng)兼容，完成聯(lián)動(dòng)控制；3）界面清晰，操作簡(jiǎn)單，全系統(tǒng)操作均采用液晶觸摸控制，數(shù)據(jù)讀數(shù)直觀。

現(xiàn)有主推進(jìn)系統(tǒng)的缺點(diǎn)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(yīng)急操作即最原始和最可靠的保障應(yīng)急措施，應(yīng)急車(chē)鐘反應(yīng)時(shí)間慢，人員需對(duì)集控室或駕駛室車(chē)鐘面板下達(dá)指令，機(jī)艙本地處確認(rèn)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(duì)船舶安全性造成影響。

2 應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)急車(chē)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(chē)鐘面板、PLC模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)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(yīng)。

2）駕駛室車(chē)鐘面板：沿用車(chē)鐘面板的按鈕和接線，應(yīng)急操作時(shí)可操作螺距。

3）操作面板：通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)CPP進(jìn)行應(yīng)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(fù)責(zé)控制與控制策略的協(xié)調(diào)。

5）數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：將CPP的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別的信號(hào)，把槳角信號(hào)變成電壓信號(hào)。

6）比例閥：PLC通過(guò)該模塊直接控制CPP上的比例閥，從而控制漿角的調(diào)整。

2.2 應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)的基本原理

應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)的基本原理首先采集 CPP的故障信號(hào)，或者可以根據(jù)人為判斷將CPP打至本地，切斷其他操作系統(tǒng)的干擾，由機(jī)旁的PLC接收?qǐng)?bào)警或遙控/本地開(kāi)關(guān)信號(hào)，沿用車(chē)鐘線路和操作面板，按下車(chē)鐘上按鈕后PLC實(shí)現(xiàn)將車(chē)鐘電信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)功能，沿用 OFD單元后方的位移傳感器功能，接收來(lái)自傳感器的漿角信號(hào)，將漿角信號(hào)切換至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，由模數(shù)模塊將漿角信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別的數(shù)據(jù)，反饋信號(hào)輸入PLC中，將其與車(chē)鐘指令進(jìn)行比對(duì)，達(dá)到指令螺距后PLC控制比例閥停止液壓調(diào)節(jié)，完成需要螺距大小的變更。

應(yīng)急操作系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)工作流程圖

元器件的選型如下。

1）PLC：西門(mén)子S1200型編碼器；

2）電源：開(kāi)關(guān)電源220 V/24 V 6A各1塊；

3）電纜：型號(hào)為24 V硬點(diǎn)線和220 V三線制電纜；

4）路由器1個(gè)：至少5個(gè)轉(zhuǎn)接口；

5）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；

6）比例控制器：2個(gè)可調(diào)距漿單元上的部分，與液壓系統(tǒng)相連。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：1）反應(yīng)快，接到報(bào)警信號(hào)，本系統(tǒng)能夠迅速切換到應(yīng)急操作模式進(jìn)行操作；2）可靠性高，本系統(tǒng)隨時(shí)。

2.3 機(jī)旁PLC設(shè)置

機(jī)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(hào)選用西門(mén)子S1200PLC，這是新一代的可編程控制器，功能更加強(qiáng)大，具備復(fù)雜邏輯的編輯功能，主要優(yōu)勢(shì)有抗干擾、可靠性高；模塊化組合式結(jié)構(gòu)，使用靈活方便；編程簡(jiǎn)單，便于普及；可進(jìn)行在線修改；網(wǎng)絡(luò)通訊功能，便于實(shí)現(xiàn)分散式測(cè)控系統(tǒng)；與傳統(tǒng)的控制方式比較，線路簡(jiǎn)單。其系統(tǒng)改造方案如圖6所示。

程序設(shè)計(jì)為由車(chē)鐘上“進(jìn)5”到“退5”8個(gè)按鈕指令輸入PLC后，正車(chē)時(shí)，進(jìn)1設(shè)置為提高15%正向螺距，每進(jìn)一格提升15%螺距，倒車(chē)時(shí)以此類(lèi)推。

圖6 改造后系統(tǒng)線路連接

圖7 PLC接線端子圖

對(duì)應(yīng)輸出為電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電磁閥開(kāi)度，設(shè)置故障判斷程序，只有當(dāng)檢測(cè)到通信故障時(shí)，PLC才能接收駕駛室車(chē)鐘面板的電信號(hào)，或當(dāng)崗位人員將CPP權(quán)限打至本地時(shí)（判斷設(shè)備通信故障）才接受駕駛室車(chē)鐘面板的電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)[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(diǎn)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(shè)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(bào)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(bào)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(gè)端子，220 V電源接口、螺距正向、螺距逆向和系統(tǒng)切換，實(shí)現(xiàn)將控制指令轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的功能[3-4]。

表1 PLC接線端子名稱表

2.4 啟用應(yīng)急車(chē)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(guò)故障信號(hào)和情況緊急程度聽(tīng)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(quán)限，本系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入控制，實(shí)現(xiàn)PD控制器的邏輯功能。啟用后，應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)獨(dú)立，不相互干擾。

2）操作設(shè)備。聽(tīng)令操作應(yīng)急車(chē)鐘面板，調(diào)整螺距，控制船速。接受過(guò)設(shè)備操作培訓(xùn)的崗位人員聽(tīng)令操作駕駛室車(chē)鐘面板，輸入要求的螺距實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

3 應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 提高系統(tǒng)可靠性

現(xiàn)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(hào)接收傳輸由以太網(wǎng)交換機(jī)完成，上一方將信息數(shù)據(jù)送至DPU模塊和SIO中進(jìn)行匯總、計(jì)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(diào)節(jié)將回復(fù)原始的車(chē)鐘調(diào)節(jié)。

如圖8所示，原系統(tǒng)的控制模式通信分3層網(wǎng)絡(luò)。第一層：基于局域網(wǎng)通信的螺距手柄控制。第二層：基于二次交換網(wǎng)絡(luò)的AT3000操作面板控制。第三層：基于硬點(diǎn)線的車(chē)鐘令-本地控制，在局域網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)采用AT3000控制，在二次交換網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信故障時(shí)還能采用車(chē)鐘控制。應(yīng)急車(chē)鐘控制系統(tǒng)是基于硬點(diǎn)線通信，區(qū)別網(wǎng)絡(luò)通信，其性能可靠，是在緊急情況下（車(chē)鐘模式來(lái)不及控制船速）的另一層保障。

圖8 3種控制模式的通信網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 緊急情況下可快速反應(yīng)

某船的操作模式一般使用恒轉(zhuǎn)速模式，螺距的操作主要由主機(jī)的操作手柄來(lái)操作，主機(jī)本身不可反轉(zhuǎn)，主要依靠改變可調(diào)距槳葉角度（反方向）來(lái)實(shí)現(xiàn)倒車(chē)操作，一旦出現(xiàn)故障或不可控現(xiàn)象，那么，在應(yīng)急情況下雖然有舵可以把握方向，但是卻除了停機(jī)降速外，無(wú)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(jìn)行應(yīng)急操作需要至少半分鐘時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間太慢，對(duì)于應(yīng)對(duì)突發(fā)情況顯然無(wú)法滿足操控的需要。CPP應(yīng)急操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以在主機(jī)的操作手柄是失控的情況下解決這個(gè)問(wèn)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(diào)度和車(chē)鐘模式無(wú)法保證在預(yù)期要求下使船速得到有效控制。停車(chē)操作下，雖然主機(jī)轉(zhuǎn)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(fēng)險(xiǎn)。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(guò) CPP應(yīng)急操作系統(tǒng)直接依據(jù)自身判斷進(jìn)行倒車(chē)操作，此時(shí)能在最快時(shí)間內(nèi)反應(yīng)，為保全船只創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)論

應(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為一種關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)急船舶操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在預(yù)防通信故障在急需調(diào)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(yīng)急車(chē)鐘操控系統(tǒng)的存在顯得尤為關(guān)鍵。目前正在與場(chǎng)所專家研究討論，為下一步改進(jìn)工作創(chuàng)造有利條件。