NY210主推用柴油機(jī)的電氣控制設(shè)計(jì)

摘 要：柴油機(jī)的電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得以不斷發(fā)展。本文是對(duì)NY210主推用柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的概括，分為硬件部分和軟件部分。柴油機(jī)的電氣控制系統(tǒng)就是船舶的“血液系統(tǒng)”，是船舶賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。我國(guó)船舶電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平與世界領(lǐng)先水平還有一定的距離，廣泛深入地開(kāi)展船舶電氣控制系統(tǒng)各項(xiàng)領(lǐng)域的研究，對(duì)促進(jìn)我國(guó)船舶電氣控制系統(tǒng)跨越式發(fā)展具有十分重大的經(jīng)濟(jì)、軍事意義。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 電氣控制系統(tǒng) 硬件 軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（a）-0103-02

1 NY210主推用柴油機(jī)的背景介紹

自1897年柴油機(jī)問(wèn)世至今，在一百多年的發(fā)展過(guò)程中，柴油機(jī)已充分顯示出它的實(shí)用價(jià)值和適用性。NY210柴油機(jī)的功率等級(jí)為1200～1950 kW，適用于船舶和陸用發(fā)電，本篇重點(diǎn)介紹此機(jī)型在船舶主推上的應(yīng)用，此機(jī)型與其他同類(lèi)型的柴油機(jī)相比，具有高度更低，長(zhǎng)度更短的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用上面空間，使整機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊。

眾所周知，船舶動(dòng)力裝置可分為推進(jìn)裝置、輔助裝置、船舶管路系統(tǒng)、船舶甲板機(jī)械和機(jī)艙自動(dòng)化設(shè)備，而主推用NY210柴油機(jī)就是作為船舶推進(jìn)裝置的主機(jī)部分，是推進(jìn)船舶航行的動(dòng)力機(jī)，動(dòng)力裝置最主要的部分。柴油機(jī)的電氣控制系統(tǒng)就是船舶的“血液系統(tǒng)”，是船舶賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。

對(duì)于現(xiàn)有的船用、陸用NY210系列柴油機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)中的各缸在很大程度上還是采用人工、機(jī)械的控制方式。這種方式依賴(lài)于操作人員的經(jīng)驗(yàn)、工作狀態(tài)，控制誤差較大，不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻處于最佳的工作狀態(tài)。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種用于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、起/停、調(diào)速及泵組控制等功能于一體，使得操作方便，自動(dòng)化程度高。

2 NY210主推用柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

確定設(shè)計(jì)過(guò)程的理論基礎(chǔ)，根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)格書(shū)、技術(shù)要求和技術(shù)指標(biāo)，確定系統(tǒng)各功能指標(biāo)、環(huán)境條件等要求。

2.2 設(shè)計(jì)原則

在推進(jìn)用NY210柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)滿(mǎn)足以下原則：（1）設(shè)計(jì)應(yīng)符合合同或技術(shù)協(xié)議的規(guī)定。（2）在可靠第一的情況下，優(yōu)先采用成熟先進(jìn)的技術(shù)。（3）在設(shè)計(jì)中觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、模塊化。（4）選用設(shè)備的原則為優(yōu)先選用船用產(chǎn)品，如沒(méi)有時(shí)選擇用戶(hù)認(rèn)可的陸用產(chǎn)品，電子元器件盡量通過(guò)老化篩選。

3 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 傳感器的選用

3.1.1 傳感器選用的要求

傳感器是一種信號(hào)輸入裝置，采集控制系統(tǒng)所需的信息，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)線(xiàn)路輸送給電子控制單元。對(duì)其選用的要求為：（1）可靠性高：可靠性高是確保系統(tǒng)高可靠性的基礎(chǔ)，因此要求使用中的傳感器執(zhí)行元件能在惡劣環(huán)境下仍能可靠地工作，失效率最低。（2）精度高：精度高的電氣控制系統(tǒng)必須有相應(yīng)精度的傳感器執(zhí)行元件來(lái)支撐。（3）響應(yīng)速度快：各傳感器元件、中間執(zhí)行元件和最終執(zhí)行元件的響應(yīng)速度決定了電氣控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的輸入輸出響應(yīng)能力和動(dòng)作能力。

3.1.2 監(jiān)控點(diǎn)的確定

由于此篇討論的是NY210柴油機(jī)在船舶主推上的應(yīng)用，嚴(yán)格根據(jù)船檢CCS的要求進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)的分布。監(jiān)控點(diǎn)包括：（1）轉(zhuǎn)速監(jiān)控：故障停車(chē)轉(zhuǎn)速傳感器和報(bào)警轉(zhuǎn)速傳感器。（2）溫度監(jiān)控：各缸排溫及重要位置的溫度監(jiān)控。（3）壓力監(jiān)控：重要位置使用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)控。

上述監(jiān)控點(diǎn)在設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該考慮在柴油機(jī)上安放位置。

3.2 其他硬件的設(shè)計(jì)

3.2.1 硬件選型的原則

性能價(jià)格比最高原則、技術(shù)上先進(jìn)原則、技術(shù)上成熟原則、使用原則和方便升級(jí)擴(kuò)展原則。

3.2.2 硬件模塊的劃分

硬件劃分應(yīng)根據(jù)用戶(hù)使用要求的實(shí)際情況，采用相適宜的劃分發(fā)放，并對(duì)這些模塊進(jìn)行剪裁。按硬件功能劃分，可分為開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、中央處理器模塊、控制模塊、顯示模塊、通信模塊、人機(jī)界面模塊和電源模塊。

3.3 柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

NY210主推用柴油機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)主要分兩個(gè)部分：控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)是全面控制柴油機(jī)的運(yùn)行，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警的作用；安全保護(hù)系統(tǒng)是控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中失效或發(fā)生危及系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的故障時(shí)，產(chǎn)生自動(dòng)保護(hù)性的動(dòng)作。控制系統(tǒng)和安保系統(tǒng)電源、輸入輸出通道及控制器完全獨(dú)立，滿(mǎn)足CCS相互獨(dú)立性的原則。（如圖1）

3.3.1 控制系統(tǒng)

（1）主要組成：一套功能完善的PLC，包括CPU以及與其相連的熱電偶輸入模塊、模擬量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊，還包括用于輸出數(shù)據(jù)的串口模塊。并且其分別與安全保護(hù)系統(tǒng)、集中控制臺(tái)及人機(jī)界面連接。（2）工作原理：發(fā)動(dòng)機(jī)要進(jìn)行運(yùn)行和各個(gè)保護(hù)操作時(shí)，則通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出模塊完成?？刂葡到y(tǒng)中的模塊與安全保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的FX系列PLC進(jìn)行通訊，同時(shí)也通過(guò)工業(yè)總線(xiàn)將各種運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送到集中控制臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)集控臺(tái)）處理，發(fā)出相關(guān)指令輸出報(bào)警、額定轉(zhuǎn)速/怠速、故障停車(chē)等信號(hào)；與此同時(shí)，控制系統(tǒng)也與人機(jī)界面連接，在人界界面上實(shí)時(shí)反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的重要工況參數(shù)及報(bào)警信號(hào)等數(shù)據(jù)，人性化程度更高。整體上說(shuō)，控制系統(tǒng)這部分是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整體的控制及保護(hù)，是此電氣控制設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。

3.3.2 安全保護(hù)系統(tǒng)

NY210柴油機(jī)的安全保護(hù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收設(shè)置于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)上的各轉(zhuǎn)速傳感器和各開(kāi)關(guān)發(fā)出的信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的停機(jī)信號(hào)或緊急停機(jī)信號(hào)。大致包括：（1）立即停止運(yùn)行。如運(yùn)行中的柴油機(jī)進(jìn)機(jī)停車(chē)、緊急切斷設(shè)備的控制系統(tǒng)等。（2）把設(shè)備暫時(shí)調(diào)節(jié)到可以勉強(qiáng)運(yùn)行的狀態(tài)。（3）當(dāng)安全系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)在對(duì)應(yīng)的機(jī)旁控制柜上發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示安全保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作原因。（4）安全系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于控制系統(tǒng)或其他任何系統(tǒng)。因此，安全保護(hù)系統(tǒng)就是在發(fā)動(dòng)機(jī)處于設(shè)定的報(bào)警或停機(jī)狀態(tài)下，自動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停車(chē)的保護(hù)。

3.3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

0上述控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)均采用獨(dú)立的交直流雙輸入電源，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)供電的電源箱，整個(gè)系統(tǒng)供電可靠性大大提高，各個(gè)部分不受到相互干擾。能夠?qū)崟r(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)并通過(guò)人機(jī)界面顯示，操作者可以通過(guò)對(duì)參數(shù)的修改使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳的工作狀態(tài)。此外，控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)以及人機(jī)界面都統(tǒng)一封裝在機(jī)旁監(jiān)控柜里，布局集中，占地面積小。

4 電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容

4.1 可編程控制器（PLC）的程序設(shè)計(jì)的流程

程序的設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿(mǎn)足優(yōu)先選用模塊化、結(jié)構(gòu)化的方式。PLC功能齊全完善；編程簡(jiǎn)便；易于掌握；控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)；電磁兼容性好，可靠性高；便于縮短設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)調(diào)試的周期；體積小，維護(hù)方便。

（1）根據(jù)選用的PLC，確定編程的軟件。（2）編寫(xiě)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的流程圖；NY210柴油機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的流程圖主要包括手動(dòng)啟機(jī)、自動(dòng)啟機(jī)、正常停機(jī)、緊急停機(jī)和甩車(chē)等流程。（3）編寫(xiě)整套程序，優(yōu)先選用梯形圖編程，并進(jìn)行必要的注釋。（4）程序調(diào)試，參數(shù)整定與修正。（5）打印程序成冊(cè)。

4.2 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的流程

（1）確定編程語(yǔ)言，根據(jù)需要可采用C/C++等高級(jí)語(yǔ)言。（2）編寫(xiě)程序流程圖。（3）編寫(xiě)整套程序，并進(jìn)行必要的注釋。（4）程序調(diào)試，參數(shù)整定和修正。（5）打印程序成冊(cè)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)論文的撰寫(xiě)，本人結(jié)合NY210推進(jìn)用柴油機(jī)自身的特點(diǎn)，首先對(duì)NY210推進(jìn)用柴油機(jī)有了全面的了解，并在其電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到了以下結(jié)論。

（1）船舶所處的環(huán)境條件惡劣，對(duì)船用電氣設(shè)備有特殊的要求。無(wú)論是電氣元件的選型、設(shè)計(jì)和安裝、維護(hù)及保養(yǎng)，都應(yīng)嚴(yán)格按照船用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。對(duì)于影響船舶航行安全的重要電氣設(shè)備，還應(yīng)采用多路供電、應(yīng)急供電的方式，提高船舶在航行中的生存能力。

（2）隨著船舶容量不斷增大，功率密度將不斷增加，與之對(duì)應(yīng)的是船舶電氣控制系統(tǒng)需要不斷的創(chuàng)新和進(jìn)步，以滿(mǎn)足市場(chǎng)更新?lián)Q代的需求。

（3）我國(guó)柴油機(jī)工業(yè)水平和電子技術(shù)相對(duì)落后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器、傳感器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研發(fā)和開(kāi)發(fā)。

（4）隨著船舶容量、規(guī)模以及復(fù)雜程度的日益增加，傳統(tǒng)的半自動(dòng)的運(yùn)行方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。只有采用基于現(xiàn)代控制技術(shù)的模式，才能充分發(fā)揮船舶電氣化的優(yōu)勢(shì)，加快我國(guó)船舶現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。

船舶主推用柴油機(jī)的電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得以不斷發(fā)展的。在控制方法上，從手動(dòng)控制到自動(dòng)控制；在控制功能上，從簡(jiǎn)單的控制設(shè)備到復(fù)雜的控制系統(tǒng)；在操作方式上，從笨重繁瑣到輕便靈巧；在控制原理上，從有觸電的繼電接觸式控制到以計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。而我國(guó)船舶電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平與世界領(lǐng)先水平還有一定的距離，廣泛深入地開(kāi)展船舶電氣控制系統(tǒng)各項(xiàng)領(lǐng)域的研究，促進(jìn)我國(guó)船舶電氣控制系統(tǒng)跨越式發(fā)展具有十分重大的經(jīng)濟(jì)、軍事意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬偉明，張曉峰等.中國(guó)工程電氣大典.中國(guó)電力出版社，2009.

[2] 陳剛.船舶電氣.人民交通出版社，2011（1）.

[3] 劉興永.船舶動(dòng)力裝置.人民交通出版社，2006（8）.

[4] 王俊杰，曹麗等.傳感器與檢測(cè)技術(shù).清華大學(xué)出版社，2011（4）.

[5] 張西振.發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2004（1）.