毛紹兵

(南京市板橋汽渡服務中心,江蘇 南京 210039)

0 引言

長江是我國重要的黃金水道,航行的船舶非常密集。長江汽車渡船作為穿梭長江南北主航道的特種船舶,其航行的安全可靠性非常重要[1]。49 m車客渡船的推進器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、全回轉舵槳控制系統(tǒng)的配備按冗余要求配備,該船配備2套全回轉舵槳裝置,一套全回轉舵槳配一套控制系統(tǒng),可以保證汽車渡船在航行營運中如果一套控制系統(tǒng)發(fā)生故障,另一套控制系統(tǒng)正常工作。這種配置方案雖能確保船舶基本安全但風險很大。實際營運時發(fā)生故障后,該船推進動力嚴重不足,其他正常航行的船如不主動避讓極易發(fā)生碰撞,引發(fā)重大水上交通事故,尤其是汛期航道水流流速急、通航船舶密度大,發(fā)生安全事故幾率更高。

針對全回轉舵槳控制系統(tǒng)存在的缺陷,本文對舵槳控制系統(tǒng)的西門子S7-1200可編程序控制器的輸出模塊和程序進行優(yōu)化,使得輸出模塊的重要輸出點有冗余,與之相關的程序也有冗余,這樣可有效預防、消除控制系統(tǒng)輸出模塊突發(fā)故障引起全回轉舵槳失控問題,從而確保車客渡船航行安全。

1 全回轉舵槳裝置控制系統(tǒng)組成

本文研究的車客渡船全回轉舵槳控制系統(tǒng)是由西門子S7-1200系列可編程序控制器構成的隨動電液控制系統(tǒng)(見圖1)。駕駛人員操縱駕控臺舵槳控制板操舵手輪全向旋轉實現(xiàn)舵槳全回轉控制,轉動操舵手輪同時控制手輪與控制板夾角實現(xiàn)推進主機油門控制,全回轉舵槳和油門通過反饋裝置構成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。上述2個信號直接進入中央控制箱PLC模塊處理輸出執(zhí)行,中央控制箱則由西門子S7-1200系列可編程序控制器構成舵槳控制系統(tǒng)。

1—反饋裝置;2—應急泵啟動箱;3—離合器;4—測速傳感器;5—速度執(zhí)行機構;6— 中央控制箱;7—液壓系統(tǒng);8—前操縱面板;9—報警板;10—后操縱面板;11—報警板;12—報警輸出。

2 全回轉舵槳裝置的控制原理

全回轉舵槳裝置控制指令與反饋電位器的電源電壓為9.5～10.0 V,其為雙滑臂型電位器,設置電位器電壓對應的角度為0～2.5 V/0°～90°,2.5～5 V/90°～180°,5～7.5 V/180°～270°,7.5 ～10 V/270°～0°;電位器的旋轉位移中間成線性連續(xù)變化,指令值在反饋值前為右轉即右舵,反之為左舵。駕駛人員旋轉操舵手柄時,轉舵指令電位器發(fā)生位移,每轉一個位移就產生一個電壓模擬量。這個電壓模擬量輸入PLC進行邏輯運算,輸出模塊驅動相應的轉舵液壓系統(tǒng)電磁閥推動全回轉舵槳左右旋轉。舵槳反饋裝置帶動反饋電位器位移,直到反饋電位器的電壓與指令電位器電壓相等即兩電位器電壓差為零。輸出模塊立即停止驅動轉舵液壓系統(tǒng)電磁閥,全回轉舵槳則停止旋轉,駕控臺舵角指示器指針與水下舵角一致(舵角即為推力方向),不斷旋轉駕控臺操舵手柄方向就可改變推力方向,從而改變渡船行駛方向。

推進主機速度控制系統(tǒng)也是一個閉環(huán)隨動系統(tǒng)。推進主機速度控制指令電位器與反饋電位器電源電壓為9.5～10.0 V。這2個電位器均為單滑臂型電位器,電源電壓為0-5 V-10 V,5 V為中間值。主機速度由怠速680 r/min至高速1 750 r/min,設定具體如下:0 V、680 r/min,5 V、1 200 r/min,10 V、1 750 r/min。電位器的旋轉位移中間呈線性連續(xù)變化,通過操舵手輪上的速度控制手柄來實現(xiàn)(手柄與控制板夾角)。在隨動工作狀態(tài)時,手柄處于垂直狀態(tài),速度指令電位器的電壓信號和反饋指令電位器的電壓信號一致,主機處于怠速狀態(tài)。當操作人員將手柄下壓,手柄帶動指令電位器轉動,原有的平衡被打破,主機加速,同時主機執(zhí)行機構內的電機得電動作帶動反饋電位器旋轉,直到反饋電位器與指令電位器電壓信號一致,主機停止加速。手柄回位至豎直位置,主機則減速至怠速狀態(tài)。

3 全回轉舵槳控制系統(tǒng)改進

3.1 推進主機速度控制改進

改進前控制系統(tǒng)發(fā)生故障后,立即接通駕控臺速度隨動/應急備用開關使繼電器b13K2動作切斷繼電器b13K1工作,b13K1繼電器常閉點立即復位將速度執(zhí)行裝置切換至手動應急操縱線路,這時駕駛人員根據(jù)需要不斷操縱按鈕。

全回轉舵槳推進主機速度控制系統(tǒng)主要做了如下改進(見圖2):

圖2 推進主機速度控制電路圖

駕控臺上首先增加了轉換開關b13S3、切換繼電器b13K3(即速度控制1/控制2切換),其次增加了輸出點DQa端Q0.3和Q0.4驅動(與輸出點DQe端Q0.0和Q0.1冗余)。

正常情況下轉換開關b13S3處于斷位(即速度控制1位),繼電器b13K3不動作,推進主機的速度控制由控制系統(tǒng)輸出點DQe端Q0.0和Q0.1驅動。當輸出點DQe端Q0.0和Q0.1驅動發(fā)生故障,立即將開關b13S3切換至速度控制2,b13K3繼電器動作將輸出點DQe端Q0.0和Q0.1切換至輸出點DQa端Q0.3和Q0.4,以保持控制系統(tǒng)正常工作。控制軟件按上述要求改進編制。

經舊船和新船驗證,改進后的控制系統(tǒng)消除了車客渡船原有控制系統(tǒng)缺陷,使船舶航運更加安全可靠。全回轉舵槳控制系統(tǒng)改進后原應急系統(tǒng)繼續(xù)保留(控制系統(tǒng)改進后有3種模式)。

3.2 舵槳轉舵控制系統(tǒng)改進

原全回轉舵槳轉舵控制系統(tǒng)主要工作過程如下(見圖3):

(1)正常工況下,全回轉舵槳轉舵由機帶泵驅動,應急時立即切換至電動泵。

(2)機帶泵運行時DQa端輸出點Q0.1通過常閉點b14K2接通繼電器b14K1,繼電器b14K1動作接通比例閥驅動板,DQa端輸出點Q0.0和Q0.2通過比例閥驅動板控制隨動操舵比例閥。

(3)機帶泵運行時,通過比例閥轉舵;電動泵運行時,通過電磁閥轉舵。

原控制系統(tǒng)若機帶泵出現(xiàn)故障,可切換至電動泵運行,手動接通駕控臺開關b14S1或b14S1F,繼電器b14K2通電動作,使繼電器b14K1失電觸點復位比例閥驅動板失效,轉至駕控臺手動控制應急操舵電磁閥,比較繁瑣。針對原系統(tǒng)的缺陷進行了改進,增加DQa端輸出點Q1.0和Q1.1作為應急操舵驅動,即驅動應急左舵繼電器b14K12和應急右舵繼電器b14K13。改進后的控制流程為發(fā)生故障手動接通駕控臺開關b14S1或b14S1F,繼電器b14K2通電動作,使繼電器b14K1失電觸點復位比例閥驅動板失效,DQa端輸出點Q1.0和Q1.1激活,操縱轉舵手柄模塊確定Q1.0動作還是Q1.1動作,即應急左舵繼電器b14K12動作還是應急右舵繼電器b14K13動作。動作的繼電器觸點直接接通相應的應急操舵電磁閥,保證了船舶安全可靠航行。這個過程和正常工況下操舵基本一致。相應的PLC程序按動作要求編制。

4 結論

改進優(yōu)化了幾艘原有車客渡船的控制系統(tǒng),并將改進優(yōu)化的成果應用與新造船,經實船驗證非常成功。概括總結如下:

(1)利用PLC模塊備用輸出點,增加少量器件,使得控制冗余,提高了系統(tǒng)可靠性和航行安全性。 (2)改進后的控制系統(tǒng)在應急工況下船員操縱舵槳裝置與正常工況基本一致,減少了繁瑣的動作,減輕了船員工作強度。

(3)改進后的控制系統(tǒng)保留原來的應急手動操縱模式,使得舵槳控制更加可靠。