車客渡船全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)優(yōu)化

毛紹兵

(南京市板橋汽渡服務(wù)中心,江蘇 南京 210039)

0 引言

長(zhǎng)江是我國(guó)重要的黃金水道,航行的船舶非常密集。長(zhǎng)江汽車渡船作為穿梭長(zhǎng)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(jìn)器系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、全回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)舵槳裝置,一套全回轉(zhuǎn)舵槳配一套控制系統(tǒng),可以保證汽車渡船在航行營(yíng)運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)很大。實(shí)際營(yíng)運(yùn)時(shí)發(fā)生故障后,該船推進(jìn)動(dòng)力嚴(yán)重不足,其他正常航行的船如不主動(dòng)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(duì)全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)存在的缺陷,本文對(duì)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(jìn)行優(yōu)化,使得輸出模塊的重要輸出點(diǎn)有冗余,與之相關(guān)的程序也有冗余,這樣可有效預(yù)防、消除控制系統(tǒng)輸出模塊突發(fā)故障引起全回轉(zhuǎn)舵槳失控問(wèn)題,從而確保車客渡船航行安全。

1 全回轉(zhuǎn)舵槳裝置控制系統(tǒng)組成

本文研究的車客渡船全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)是由西門子S7-1200系列可編程序控制器構(gòu)成的隨動(dòng)電液控制系統(tǒng)(見圖1)。駕駛?cè)藛T操縱駕控臺(tái)舵槳控制板操舵手輪全向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)舵槳全回轉(zhuǎn)控制,轉(zhuǎn)動(dòng)操舵手輪同時(shí)控制手輪與控制板夾角實(shí)現(xiàn)推進(jìn)主機(jī)油門控制,全回轉(zhuǎn)舵槳和油門通過(guò)反饋裝置構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。上述2個(gè)信號(hào)直接進(jìn)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(gòu)成舵槳控制系統(tǒng)。

1—反饋裝置;2—應(yīng)急泵啟動(dòng)箱;3—離合器;4—測(cè)速傳感器;5—速度執(zhí)行機(jī)構(gòu);6— 中央控制箱;7—液壓系統(tǒng);8—前操縱面板;9—報(bào)警板;10—后操縱面板;11—報(bào)警板;12—報(bào)警輸出。

2 全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的控制原理

全回轉(zhuǎn)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(shè)置電位器電壓對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)位移中間成線性連續(xù)變化,指令值在反饋值前為右轉(zhuǎn)即右舵,反之為左舵。駕駛?cè)藛T旋轉(zhuǎn)操舵手柄時(shí),轉(zhuǎn)舵指令電位器發(fā)生位移,每轉(zhuǎn)一個(gè)位移就產(chǎn)生一個(gè)電壓模擬量。這個(gè)電壓模擬量輸入PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算,輸出模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)舵液壓系統(tǒng)電磁閥推動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳左右旋轉(zhuǎn)。舵槳反饋裝置帶動(dòng)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(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵液壓系統(tǒng)電磁閥,全回轉(zhuǎn)舵槳?jiǎng)t停止旋轉(zhuǎn),駕控臺(tái)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(zhuǎn)駕控臺(tái)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(jìn)主機(jī)速度控制系統(tǒng)也是一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)。推進(jìn)主機(jī)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(gè)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(jī)速度由怠速680 r/min至高速1 750 r/min,設(shè)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(zhuǎn)位移中間呈線性連續(xù)變化,通過(guò)操舵手輪上的速度控制手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)(手柄與控制板夾角)。在隨動(dòng)工作狀態(tài)時(shí),手柄處于垂直狀態(tài),速度指令電位器的電壓信號(hào)和反饋指令電位器的電壓信號(hào)一致,主機(jī)處于怠速狀態(tài)。當(dāng)操作人員將手柄下壓,手柄帶動(dòng)指令電位器轉(zhuǎn)動(dòng),原有的平衡被打破,主機(jī)加速,同時(shí)主機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的電機(jī)得電動(dòng)作帶動(dòng)反饋電位器旋轉(zhuǎn),直到反饋電位器與指令電位器電壓信號(hào)一致,主機(jī)停止加速。手柄回位至豎直位置,主機(jī)則減速至怠速狀態(tài)。

3 全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)改進(jìn)

3.1 推進(jìn)主機(jī)速度控制改進(jìn)

改進(jìn)前控制系統(tǒng)發(fā)生故障后,立即接通駕控臺(tái)速度隨動(dòng)/應(yīng)急備用開關(guān)使繼電器b13K2動(dòng)作切斷繼電器b13K1工作,b13K1繼電器常閉點(diǎn)立即復(fù)位將速度執(zhí)行裝置切換至手動(dòng)應(yīng)急操縱線路,這時(shí)駕駛?cè)藛T根據(jù)需要不斷操縱按鈕。

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)主機(jī)速度控制系統(tǒng)主要做了如下改進(jìn)(見圖2):

圖2 推進(jìn)主機(jī)速度控制電路圖

駕控臺(tái)上首先增加了轉(zhuǎn)換開關(guān)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(diǎn)DQa端Q0.3和Q0.4驅(qū)動(dòng)(與輸出點(diǎn)DQe端Q0.0和Q0.1冗余)。

正常情況下轉(zhuǎn)換開關(guān)b13S3處于斷位(即速度控制1位),繼電器b13K3不動(dòng)作,推進(jìn)主機(jī)的速度控制由控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)DQe端Q0.0和Q0.1驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸出點(diǎn)DQe端Q0.0和Q0.1驅(qū)動(dòng)發(fā)生故障,立即將開關(guān)b13S3切換至速度控制2,b13K3繼電器動(dòng)作將輸出點(diǎn)DQe端Q0.0和Q0.1切換至輸出點(diǎn)DQa端Q0.3和Q0.4,以保持控制系統(tǒng)正常工作?？刂栖浖瓷鲜鲆蟾倪M(jìn)編制。

經(jīng)舊船和新船驗(yàn)證,改進(jìn)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(yùn)更加安全可靠。全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)改進(jìn)后原應(yīng)急系統(tǒng)繼續(xù)保留(控制系統(tǒng)改進(jìn)后有3種模式)。

3.2 舵槳轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)改進(jìn)

原全回轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)主要工作過(guò)程如下(見圖3):

(1)正常工況下,全回轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)舵由機(jī)帶泵驅(qū)動(dòng),應(yīng)急時(shí)立即切換至電動(dòng)泵。

(2)機(jī)帶泵運(yùn)行時(shí)DQa端輸出點(diǎn)Q0.1通過(guò)常閉點(diǎn)b14K2接通繼電器b14K1,繼電器b14K1動(dòng)作接通比例閥驅(qū)動(dòng)板,DQa端輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.2通過(guò)比例閥驅(qū)動(dòng)板控制隨動(dòng)操舵比例閥。

(3)機(jī)帶泵運(yùn)行時(shí),通過(guò)比例閥轉(zhuǎn)舵;電動(dòng)泵運(yùn)行時(shí),通過(guò)電磁閥轉(zhuǎn)舵。

原控制系統(tǒng)若機(jī)帶泵出現(xiàn)故障,可切換至電動(dòng)泵運(yùn)行,手動(dòng)接通駕控臺(tái)開關(guān)b14S1或b14S1F,繼電器b14K2通電動(dòng)作,使繼電器b14K1失電觸點(diǎn)復(fù)位比例閥驅(qū)動(dòng)板失效,轉(zhuǎn)至駕控臺(tái)手動(dòng)控制應(yīng)急操舵電磁閥,比較繁瑣。針對(duì)原系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行了改進(jìn),增加DQa端輸出點(diǎn)Q1.0和Q1.1作為應(yīng)急操舵驅(qū)動(dòng),即驅(qū)動(dòng)應(yīng)急左舵繼電器b14K12和應(yīng)急右舵繼電器b14K13。改進(jìn)后的控制流程為發(fā)生故障手動(dòng)接通駕控臺(tái)開關(guān)b14S1或b14S1F,繼電器b14K2通電動(dòng)作,使繼電器b14K1失電觸點(diǎn)復(fù)位比例閥驅(qū)動(dòng)板失效,DQa端輸出點(diǎn)Q1.0和Q1.1激活,操縱轉(zhuǎn)舵手柄模塊確定Q1.0動(dòng)作還是Q1.1動(dòng)作,即應(yīng)急左舵繼電器b14K12動(dòng)作還是應(yīng)急右舵繼電器b14K13動(dòng)作。動(dòng)作的繼電器觸點(diǎn)直接接通相應(yīng)的應(yīng)急操舵電磁閥,保證了船舶安全可靠航行。這個(gè)過(guò)程和正常工況下操舵基本一致。相應(yīng)的PLC程序按動(dòng)作要求編制。

4 結(jié)論

改進(jìn)優(yōu)化了幾艘原有車客渡船的控制系統(tǒng),并將改進(jìn)優(yōu)化的成果應(yīng)用與新造船,經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證非常成功。概括總結(jié)如下:

(1)利用PLC模塊備用輸出點(diǎn),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(jìn)后的控制系統(tǒng)在應(yīng)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(dòng)作,減輕了船員工作強(qiáng)度。

(3)改進(jìn)后的控制系統(tǒng)保留原來(lái)的應(yīng)急手動(dòng)操縱模式,使得舵槳控制更加可靠。