吳富民 陳岱岱 李培正 徐深洋 徐斌

摘? ?要：主機遙控系統(tǒng)對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制通常采用PID閉環(huán)控制，但在轉(zhuǎn)速測量發(fā)生故障時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制異常，嚴(yán)重時發(fā)生飛車事故。為了解決該問題，文章基于主機遙控系統(tǒng)，闡述了一種調(diào)速模式切換技術(shù)，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量故障時自動或手動切換，強化主機遙控系統(tǒng)的冗余控制策略，提高系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：主機遙控系統(tǒng);調(diào)速模式;開環(huán)

隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶機艙自動化技術(shù)也在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新。但我國船舶機艙自動化技術(shù)與國外先進技術(shù)相比，仍存在一定差距。作為機艙自動化的核心—主機遙控系統(tǒng)，國內(nèi)雖然有部分生產(chǎn)廠家，但普遍存在創(chuàng)新力度不足，僅滿足基本功能，控制策略和可靠性不能和國外媲美，難以滿足復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，航行過程中，一旦出現(xiàn)故障，沒有自動切換的冗余控制方式或者足夠的維修輔助建議，船員難以正確處置，只能機旁手動操作，大大影響了航行效率和操作體驗，緊急情況下甚至?xí)?dǎo)致安全事故發(fā)生。為達到發(fā)動機轉(zhuǎn)速精確控制的目的，目前，主機遙控系統(tǒng)通常采用比例—積分—微分控制器（Proportion Integration Differentiation，PID）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制算法，然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器故障、安裝松動或者線纜斷開時，轉(zhuǎn)速反饋信號異常，使主機遙控不能按照預(yù)設(shè)檔位進行調(diào)速，部分情況下會在短時間內(nèi)將油門拉到最大，導(dǎo)致發(fā)動機機械負荷和熱負荷快速增加而造成損傷，嚴(yán)重時甚至發(fā)生飛車事故。因此，有必要在主機遙控系統(tǒng)中加入一種調(diào)速模式自動切換和冗余控制機制，防止因轉(zhuǎn)速反饋信號異常而出現(xiàn)控制異常問題。

1? ? 主機遙控系統(tǒng)設(shè)計

主機遙控系統(tǒng)采用雙路冗余控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線架構(gòu)，不同控制單元和模塊之間采用數(shù)字信號進行通信，并在通信接口采用電氣隔離和抗干擾措施，保證通信的穩(wěn)定性，整個系統(tǒng)根據(jù)功能和分工可以劃分為車鐘系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安保系統(tǒng)，在駕駛室、集控室和機旁均有相關(guān)布置，實現(xiàn)不同控制位置的指令和狀態(tài)同步。主機遙控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

車鐘系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過運算后，通過CAN總線下發(fā)給機艙執(zhí)行模塊，控制發(fā)動機和齒輪箱按照邏輯達到車鐘系統(tǒng)設(shè)定檔位，同時，保安系統(tǒng)檢測動力裝置的運行狀態(tài)，一旦有參數(shù)超標(biāo)則產(chǎn)生報警，并按照設(shè)定的報警級別執(zhí)行報警、降速和停車動作，除了具備這些基本控制功能外，該主機遙控系統(tǒng)充分考慮了轉(zhuǎn)速反饋異常情況下的冗余控制技術(shù)—調(diào)速模式自動切換技術(shù)，主要由機艙轉(zhuǎn)速采集和處理功能模塊及駕駛室調(diào)速模式切換功能模塊組成，分別集成在機旁轉(zhuǎn)速控制箱的轉(zhuǎn)速采集模塊和駕駛室控制面板的顯控單元中[1]。

2? ? 調(diào)速模式自動切換技術(shù)

2.1? 轉(zhuǎn)速采集和處理

主機遙控系統(tǒng)通過安裝在發(fā)動機飛輪上的兩只非接觸式磁電式接近開關(guān)傳感器，來感應(yīng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化，通過調(diào)理電路將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為處理器，能夠識別的脈沖信號，原理如圖2所示。

轉(zhuǎn)速與頻率具有共同的量綱，因此可以利用測量頻率和周期的方法來測量轉(zhuǎn)速。對高、中速柴油機通常采用測頻法，對于低速柴油機采用測周法。所謂測頻法就是測量電信號頻率的方法，即測量單位時間內(nèi)電脈沖數(shù)。所謂測周法就是定角測量，即用標(biāo)填充的方法測量相當(dāng)于某一旋轉(zhuǎn)角度的時間間隔。這兩種方法交替使用、相互補充，可以展寬測量范圍、提高測量精度，測頻法、測周法示意如圖3所示。

主機平均轉(zhuǎn)速n按下列公式進行運算：

公式中：Z—飛輪齒數(shù);T—轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)周期;C—計數(shù)周期內(nèi)計數(shù)器捕獲的脈沖數(shù)。

在實際使用過程中，會由于傳感器吸附鐵屑、傳感器松動導(dǎo)致離飛輪齒頂距離改變或者接線松脫等原因發(fā)生轉(zhuǎn)速采集異常等，當(dāng)兩個計數(shù)器中測量值不一致時，選取數(shù)值大的用作主機轉(zhuǎn)速計算，當(dāng)轉(zhuǎn)速相差大于1%額定值時，輸出測速故障報警數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個高速計數(shù)器脈沖數(shù)值均小于某一設(shè)定值，則表明兩支測速探頭均斷線或脈沖失落，發(fā)出測速故障報警數(shù)據(jù)，通過CAN總線發(fā)送給駕駛室控制面板中的顯控單元進行報警和調(diào)速模式切換[2]。

2.2? 調(diào)速模式切換

駕駛室顯控單元進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)運算，它將測得的實際轉(zhuǎn)速與操縱手柄設(shè)定轉(zhuǎn)速進行比較，當(dāng)兩者之差超過一定值，立即調(diào)整顯控單元通過CAN總線輸出給調(diào)速器的設(shè)定值，使柴油機轉(zhuǎn)速快速回到手柄設(shè)定轉(zhuǎn)速。為達到轉(zhuǎn)速測量故障情況下的調(diào)速模式自動切換功能，對原有的閉環(huán)PID控制策略進行改進，調(diào)速模式切換邏輯如圖4所示。

當(dāng)駕駛室收到機艙轉(zhuǎn)速采集模塊發(fā)送的測速故障報警數(shù)據(jù)后，顯控單元液晶屏發(fā)出聲光報警提示，并自動調(diào)速閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為開環(huán)控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的遙控切換。此后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制不再參考轉(zhuǎn)速反饋，而是直接輸出控制命令，經(jīng)過選小器后，給執(zhí)行器調(diào)整發(fā)動機油門，也可通過顯控單元液晶屏的軟按鍵手動將調(diào)速模式由閉環(huán)切換為開環(huán)，當(dāng)測速故障報警消失后，可手動將調(diào)速模式切換回閉環(huán)。

3? ? 結(jié)語

本文提出了一種主機遙控系統(tǒng)的調(diào)速模式自動切換方法，能夠在發(fā)生轉(zhuǎn)速測量異常時，有效防止因轉(zhuǎn)速反饋信號異常而出現(xiàn)的控制失靈，強化了系統(tǒng)的冗余控制策略，提高了系統(tǒng)的可靠性。

[參考文獻]

[1]湯旭晶，薛培紅，李鶴鳴，等.基于PLC的中速主機遙控裝置研制[J].造船技術(shù)，2009（2）：17-19.

[2]羅紅英.內(nèi)燃機及動力裝置測試技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.