Назначение и функции систем ДАУ судовыми силовыми установками

Р а з д е л III. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СУДОВЫЕ УСТАНОВКИ

Г л а в а 9. ДИСТАНЦИОННОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ СУДОВЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ (ССУ)

Процессы управления судовыми техническими средствами

Главная задача автоматизации судов – увеличение производительности труда судового экипажа при одновременном повышении безопасности эксплуатации. Системы автоматизированного управления СЭУ построены по принципу 3-х ступенчатой иерархической структуры ( рис. 9.1): ходовая рубка – ЦПУ — местные посты управления (МПУ). Для контроля функционирования СТС используются системы централизованного контроля. Управление на дистанции главными и вспомогательными двигателями, а также вспомогательными механизмами и судовыми системами обеспечивается соответствующими системами ДАУ.

Рисунок 9.1. Структурная схема управления судовой энергетической установкой

Система управления позволяет вести дистанционное автоматизированное управление (ДАУ) из рулевой рубки или из ЦПУ следующими технологическими процессами:

· ДАУ главными двигателями;

· ДАУ судовой электростанцией;

· ДАУ насосами охлаждения и смазки, вспомогательными и утилизационными котлами, сепараторами масла и топлива, воздушными компрессорами;

· ДАУ судовыми системами;

· ДАУ швартовными и буксирными лебедками, насосами и клинкетами грузовых систем танкеров, системами пожаротушения;

· Централизованный контроль параметров МКО и СТС;

· Автоматизированную сигнализацию и регистрацию контролируемых параметров и диагностирование основных механизмов.

Минимальный уровень функционирования согласно требований Регистра РФ и других классификационных обществ должен обеспечиваться с местного поста управления.

Управление СЭУ состоит из определенных операций по изменению режимов работы систем и механизмов.

Назначение и функции систем ДАУ судовыми силовыми установками

Система ДАУ – это совокупность устройств, поз­воляющих осуществлять автоматизированное управление глав­ными судовыми двигателями посредством одного органа управ­ления (например, рукоятки), с помощью которого производятся пуск, реверс, остановка и изменение скоростного режима дви­гателя.

По требованию Морского Регистра все современные промысловые и транспортные суда со знаком автоматизации А2 снабжены сис­темами ДАУ главным двигателем, при этом все операции по выводу двигателя на заданный режим ра­боты выполняются автоматически в соответствии с программой, заложенной в системе.

Системы ДАУ, исходя из назначения, должны обеспечивать следующие функции управления дизельными силовыми уста­новками:

· дистанционный автоматический пуск подготовленного к ра­боте главного двигателя;

· дистанционный ввод в действие муфт сцепления дизель-редукторного агрегата (ДРА), оснащенного ВРШ;

· постепенный прогрев и разгон главного двигателя после его запуска путем выполнения фиксированной во времени программы замедленного подъема частоты вращения до заданного для сило­вых установок с ВФШ;

· ускоренный разгон ГД до заданного режима, выполнение, кроме нормальной (замедленной) ходовой программы, разгона ускоренных программ, маневровой и аварийной;

· при выполнении программы разгона ГД быстрое прохождение зоны критической частоты вращения;

· изменение частоты вращения ГД с ВФШ или изменение шага ВРШ в соответствии с заданием соответствующей команды на аварийную остановку двигателя при подаче соответствующей команды с пульта управления или от системы защиты;

· выполнение необходимых блокировок;

· консервативность заданного режима работы двигателя при прекращении питания системы ДАУ рабочей средой или энер­гией;

· самоконтроль исправности с помощью сигнальных табло, отражающих состояние и фактическое исполнение команд основ­ными устройствами системы;

· автоматическая регистрация маневров;

· исполнительная (световая), аварийная и аварийно-предупре­дительная (звуковая) сигнализации.

Системы ДАУ поднадзорны Морскому Регистру РФ и подлежат осви­детельствованию и должны удовлетворять его требованиям. Применение ДАУ позволило сконцентрировать у одного поста органы управления и приборы контроля за механизмами машин­ного отделения в ЦПУ. ДАУ становится необходимым при комп­лексной автоматизации машинного отделения, исключающей необходимость в ручном обслуживании механизмов. Для обес­печения необходимой надежности функционирования безаварий­ной работы силовой установки, живучести управления системы ДАУ должны удовлетворять определенной совокупности требо­ваний, выработанных практикой разработки и эксплуатации сис­тем.

Система ДАУ должна отвечать следующим требованиям:

· отвечать максимальной для данного уровня техники степени надежности;

· структурно быть максимально простой;

· использовать всережимный регулятор частоты вращения в качестве элемента управления и задания режима;

· все процессы управления и изменения режима осуществлять путем воздействия на одну рукоятку без временных задержек ее;

· обладать высокой точностью при задании частоты вращения (с погрешностью не более ± 1,5 %);

· иметь программное ограничение максимальной подачи топ­лива и минимальной (на режимах малых ходов);

· иметь не менее трех программ управления ходовыми режи­мами двигателя (нормальную, аварийную и плавного разгона);

· обеспечивать три автоматических попытки пуска, причем последняя попытка должна быть с увеличенной пусковой подачей топлива;

· иметь ограничение по времени общей продолжительности пуска для трех попыток;

· не ухудшать пускореверсивные характеристики двигателя и обеспечивать число пусков, соизмеримое квалифицированным ручным управлением;

· иметь командно-исполнительную сигнализацию и функцио­нальный контроль;

· не менять заданный режим работы в случае прекращения питания;

· иметь контуры автоматической защиты двигателя по важней­шим параметрам (давление масла в системе смазки, давление воды в системе охлаждения, проход зоны критических оборотов и др.);

· обеспечивать переход на ручное управление за время не бо­лее 10 с;

· иметь на мостике пост управления, совмещенный с машинным телеграфом;

· обладать независимым питанием цепей ДАУ и телеграфа;

· подключаться к двигателю параллельно системами дистан­ционного управления.

Первое поколение систем ДАУ, вступивших в эксплуатацию на автоматизированных судах флота рыбной промышленности (ФРП) в 70-е годы еще прошлого века, представляет собой поколение пневматиче­ских и пневмоэлектрических систем. К их числу относятся сис­темы, аналогичные базовым типам ZSP, ZSPN, польского произ­водства, выполненные на наборе пневматических элементов фир­мы “Вестингауз” и установленные на судах постройки Польши. Отечественная система ДАУ “Гром” применена для управления главным двигателем судов типа “50 лет СССР”. Эти системы в целом удовлетворяют Морскому Регистру, но имеют ряд сущест­венных эксплуатационных недостатков. Эти недостатки обуслов­лены тем, что пневматические системы чувствительны к появ­лению эксплуатационных утечек воздуха, а также люфтов и за­зоров в сочленениях валиков и рычагов, что приводит к неточной работе пневмоэлементов, а в ряде случаев к нарушению функ­ционирования систем управления.

Режимы работы судовой дизельной установки регулируют путем изменения подачи топлива в цилиндры двигателя или шагового отношения ВРШ. Количество подаваемого топлива зависит от положения рейки топливных насосов высокого дав­ления. Управление рейкой топливных насосов осуществляется через автоматический регулятор или вручную непосредственно с пульта управления. Энергия вырабатывается дизелем циклично через определенные промежутки времени в зависимости от тактности двигателя, числа цилиндров и угловой скорости вала. Однако при оценке двигателя как объекта регулирования цик­личностью пренебрегают, так как время между вспышками в ци­линдрах мало.

Главный судовой двигатель, работающий на винт фиксиро­ванного шага (ВФШ), обладает саморегулированием. При управлении двигателем не требуется точное поддержание часто­ты вращения вала, поэтому двигатель может управляться и быть устойчивым на режиме без регулятора частоты вращения. Однако, чтобы предохранить двигатель от инерционных динами­ческих нагрузок, возможных при работе на волнении, поломке вала или винта, потере лопасти винта, требуется применение ограничительного регулятора, который в нормальных эксплуата­ционных условиях не влияет на режим работы двигателя и всту­пает в работу только тогда, когда частота вращения вала превы­шает допустимое значение. Ограничительный регулятор умень­шает подачу топлива и возвращает частоту вращения на уро­вень, установленный при задании ходового режима с поста управления.

Если главный двигатель работает на ВРШ, необходим непре­рывно действующий регулятор, потому что требуется, поддер­живая заданную частоту вращения, изменять топливоподачу в соответствии с нагрузкой, определяемой установкой лопастей винта. Управление ходовым режимом работы судна при совмест­ном изменении шага винта и частоты вращения невозможно без непрерывного регулирования. Таким образом, несмотря на раз­личные варианты работы главного двигателя — на ВФШ или ВРШ, имелись предпосылки автоматизации дизеля как объекта управления.

Многорежимный характер работы главной энергетической установки промысловых судов, связанный с необходимостью выполнения специфических операций при подъеме, спуске, бук­сировке трала, обусловил широкое внедрение систем ДАУ глав­ным двигателем (ГД).

Современный этап развития судовой автоматики связан с пе­реходом от средств автоматизации механического типа к элект­ронным средствам. ДАУ, реализованные на электронных эле­ментах, лишены недостатков пневматических и электропневмати­ческих систем, реализуют более широкое функциональные воз­можности по выполнению сложных алгоритмов управления и блокировок. Эти системы обладают более высокой надежностью, улучшенными контролепригодностью и ремонтоспособностыо.

Управляющие блоки этих ДАУ выполнены на базе интегральных схем малой и сред­ней степени интеграции: аналоговые узлы контуров управления построены на интегральных операционных усилителях, логиче­ские схемы и цифровые — на микросхемах транзисторно-тран­зисторной логики.

Появление новых требований к автоматизации судов особенно остро поставило перед разработчиками систем управления непрерывными процессами проблему создания наряду с традиционными алгоритмами управления новых алгоритмов, позволяющих расширить круг и повысить качество решаемых системами управления задач. Благодаря научному потенциалу предприятия, тесной связи НПО «АМТ» с российскими научными организациями, конструкторскими бюро и судостроительными предприятиями были разработаны уникальные алгоритмы многоцелевого управления, позволяющие существенно расширить круг задач, возлагаемых на системы. В настоящее время проходят испытания системы управления с оптимальными и адаптивными алгоритмами, идет работа по созданию алгоритмов, основанных на принципах самоорганизации, объединяющих возможности большинства существующих алгоритмов. Системы управления непрерывными процессами с этими алгоритмами должны прийти на смену традиционным системам управления. Таким образом, на основе разработанных алгоритмов нового поколения предприятие имеет возможность создавать современные системы управления значительно более совершенные по сравнению с традиционными, обеспечивающие значительное повышение эффективности их использования.

Сложность разработанных алгоритмов нового поколения, необходимость обработки информации в больших объемах и повышение требований к обеспечению высокой надежности систем управления требует при их отладке перехода на новые информационные технологии. В связи с этим разработана и широко применяется технология математического и логического моделирования поведения автоматизируемых объектов в соответствии с действиями оператора и различного рода внешними и внутренними дестабилизирующими воздействиями – технология компьютерного моделирования. С ее помощью выполняется ряд предпроектных исследований, имитационное моделирование, автономная отладка алгоритмов и комплексная отладка сложных динамических систем дискретного и непрерывного действия. Компьютерное проектирование и комплексная отладка функционирования сложных систем дает возможность минимизировать или полностью отказаться от имитационных стендовых испытаний, для которых требуется применение дорогостоящих натурных имитаторов, характеризующих объекты управления.

В настоящее время флот пополня­ется судами, системы ДАУ которых реализованы на базе средствами микропроцессорной техники, которые обладают следующими преимуществами по сравнению с системами, выполненными на электронной элементной базе:

· возможность аппаратурной унификации систем ДАУ приме­нительно к различным типам двигателей;

· возможность быстрого изменения алгоритмов управления системы по результатам эксплуатации;

· простота расширения объема функций системы с возможно­стью включения в него операций по контролю общего техниче­ского состояния двигателя;

· возможность быстрого восстановления работоспособности системы за счет наличия глубокого встроенного контроля;

· возможность реализации алгоритмов управления главным двигателем высокой сложности, в том числе задач оптимального управления.

Но существует на современном этапе одна проблема. Системы управления судовым оборудованием (главными двигателями, вспомогательными механизмами и системами, электростанцией, грузовыми операциями), как правило, поставляются разнопрофильными специализированными предприятиями, которые принципиально не могут учитывать специфику межсистемного взаимодействия оборудования. Это связано, прежде всего, с многообразием и значительной сложностью технических средств, целей и задач их автоматизации. Отсутствие межсистемного взаимодействия поставляемого оборудования в конечном итоге приводит к его удорожанию, снижению надежности функционирования и, как результат, снижению эффективности эксплуатации судов. В то же время выбор поставляемых изделий, выполняемый с учетом межсистемной совместимости, решает обозначенные проблемы. При этом, как подтверждает практика, максимальный эффект, как с технической, так и экономической точек зрения, достигается в случае выполнения поставок разработчиком оборудования. Очевидно, что именно разработчик способен комплексно оценить весь круг проблем, связанных с оптимальной организацией технологических процессов и обеспечить требуемую интеграцию средств автоматизации и их аппаратурную унификацию с учетом специфики функционирования взаимодействующего технологического оборудования.

Системы ДАУ и ДУ главными двигателями и их обслуживание

Системы ДАУ главными двигателями относятся к числу основных систем автоматизации.

В состав дизельной установки входят сам дизель и системы, обеспечивающие его функционирование, — системы пуска, реверса, смазки, охлаждения, топливоподачи, наддува, управления.

Безаварийная и экономичная работа дизельной установки возможна при условии автоматического контроля и управления основными рабочими параметрами дизеля.

К рабочим параметрам, по которым осуществляется автоматическое регулирование, защита и сигнализация, относятся: температура атмосферного воздуха Т0, наддувочного воздуха во впускном коллекторе Тк, выпускных газов по цилиндрам и средняя за газовой турбиной Tг, пресной воды на входе Oв1 и на выходе Ов2, смазочного масла на входе Ом1 и на выходе Ом2; давление атмосферного воздуха р0, воздуха во впускном коллекторе рк, смазочного масла рм, газов в выпускном коллекторе рг, охлаждающей воды рв; крутящий момент М и частота вращения n коленчатого вала. На рис. 1 представлена обобщенная схема автоматического контроля и регулирования дизеля.

Рис. 1. Обобщенная схема автоматического контроля и регулирования дизеля:

1, 22 — насосы забортной и пресной воды; 2, 13, 21 — холодильники пресной воды наддувочного воздуха и масла; 3, 20 — регуляторы температуры пресной воды и смазочного масла; 4 — регулятор давления масла в системе смазки; 5, 19 — нагнетательный и откачивающий масляные насосы; 6 — главная масляная магистраль; 7 — полости охлаждения; 8, 17 — выпускной и впускной коллекторы; 9 — кулачковые валы механизма газораспределения; 10, 11 — газовая турбина и компрессор турбонагнетателя (первая ступень наддува); 12 — автомат изменения угла заклинивания кулачковых валов; 14 — регулятор частоты вращения коленчатого вала; 15 — нагнетатель с механическим приводом (вторая ступень наддува); 16 — топливный насос высокого давления; 18 — коленчатый вал

Контроль за температурой и давлением осуществляется через соответствующие датчики. Для управления величинами крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала служит общий регулирующий орган — топливодозирующая аппаратура дизеля. Причем в установившихся режимах работы регулятор частоты вращения поддерживает заданный скоростной режим, изменяя подачу топлива на цикл в соответствии с изменением нагрузки на дизель.

Несмотря на взаимное влияние основных рабочих параметров, большая инерционность дизеля по отношению к взаимосвязанным параметрам позволяет создавать системы их несвязанного регулирования.

Системы автоматизированного управления дизельными установками обеспечивают автоматическое выполнение как минимум следующих операций: пуск, вывод на заданный скоростной режим, остановку, реверс. В общем виде структура системы может быть представлена схемой, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема системы ДАУ главным двигателем

В состав системы входят два поста дистанционного управления: ПДУ1— в ЦПУ машинного отделения; ПДУ2 — в рулевой рубке. В ПДУ1 размещена аппаратура дистанционного контроля рабочих параметров и состояния механизмов, систем и устройств, а также предусматривается возможность подачи всех команд. В ПДУ2 размещены аппаратура сигнализации только о состоянии основных механизмов и устройств, приборы контроля рабочих параметров, определяющие режим движения судна (частоту вращения гребного вала) и командные органы для изменения режима движения судна.

В блоке логики вырабатываются командные сигналы на базе анализа сигналов, поступающих с ПДУ, систем судовой автоматики и различных датчиков, контролирующих состояние объекта управления (дизеля). Командные сигналы от блока логики после усиления поступают в цепи управления работой исполнительных двигателей, воздействующих на регулирующие органы. В блоке логики размещают ряд субблоков, каждый из которых обеспечивает только одну операцию управления, согласно заложенной в нем программе.

Для построения функциональных устройств в системах ДАУ применяют: в устройствах логики — пневматические и электронные элементы; исполнительные двигатели — электрические, гидравлические, пневматические; в цепях управления — электрические и пневматические элементы; в системах сигнализации — электрические элементы.

Отечественная система ДАУ ДКРН, предназначенная для дистанционного автоматизированного управления дизелями 5ДКРН 50/110 и 6ДКРН 74/160, отвечает требованиям Регистра и выполняет следующие операции: управление главным двигателем с любого из двух дистанционных постов управления (ЦПУ и рулевой рубки); пуск двигателя по программе; реверс двигателя при подаче контрвоздуха по двум переключаемым программам (нормального и экстренного реверса); исполнение команд управления двигателем по положению топливорегулирующей рукоятки; прекращение подачи топлива в двигатель при падении давления масла ниже 0,8 кгс/см2; прохождение зоны критической частоты вращения; прекращение подачи пускового воздуха и топлива, если при пуске двигатель в течение 5—7 с не достигнет минимально устойчивой частоты вращения повторных пусков при включении программы экстренного реверса; постепенный вывод двигателя на режим полного хода в течение 2 ч; сохранение заданного режима работы двигателя при исчезновении пневмо- и электропитания; защиту двигателя от опрокидывания (самопроизвольный запуск дизеля в направлении, противоположном заданному); контроль правильности функционирования блоков системы.

Каждая операция управления выполняется по программе, заложенной в соответствующем субблоке блока логики. Информация о состоянии дизеля и органов управления, необходимая для реализации программы управления, вырабатывается основными датчиками: положения рукоятки реверса, положения пускотопливной рукоятки, положения распределительных валов, частоты вращения и направления вращения коленчатого вала.

Для автоматического управления автономными вспомогательными механизмами, обслуживающими главный дизель и дизель- генераторы, служит система «Торнадо».

Системы ДАУ классифицируют по следующим признакам:

по рабочей среде — электропневматические, электронно-пневматические; реже — пневмоэлектрические, пневматические, механические;

по принципу включения — подключаемые параллельно или последовательно к системе местного управления;

по совмещению с машинным телеграфом — совмещаемые и несовмещаемые;

по связи с дизелем — навешенные, универсальные и встроенные;

по объему выполняемых функций — гибкие (универсальные) и негибкие (встроенные).

К системе ДАУ предъявляют следующие основные требования: она должна быть электропневматической или электронно-пневматической, с логической частью — на микроэлектронике; должна подключаться параллельно системам местного управления, совмещаться с машинным телеграфом; должна быть универсальной, повторять блокирование систем местного управления, время переключения от системы ДАУ на местное управления не должно превышать 10 с; статическая ошибка системы ДАУ не должна превышать ±1,5% номинальной частоты вращения.

На судах отечественного флота применяют следующие типы систем ДАУ: FAHM (фирма АСЕА, Швеция); BMS = 930 (фирма STL, Дания); ZSPN (фирма «Цегельски», Польша) и др.