《轮机自动化》数字化教材项目三任务五

1、项目三 船舶主机遥控系统【项目描述】船舶主机遥控系统（Main engine remote control system）是操纵船舶主机的设备，通过主机遥控系统能对主机进行起动、停车、换向等逻辑控制和对主机的转速进行闭环控制。同时还应该对主机的转速和负荷进行必要的限制，并具有必要的安全保护功能。主机遥控系统不仅能改善轮机人员的工作条件，改善船舶的操纵性能，而且还能提高船舶航行的安全性，以及主机工作的可靠性和经济性，是轮机自动化的重要组成部分，也是现代化船舶实现无人机舱必不可少的条件之一。对主机遥控系统的操作、维护、管理是轮管人员必须掌握的基本技能。通过本项目的学习，读者应达到以下要求：一、知识

2、要求1、 主机遥控系统的组成、主要功能及类型；2、 气动操纵系统中的主要元部件；3、 车钟系统及操纵部位转换的条件和方法；4、主机逻辑控制（换向、起动、停油、制动等）的条件；5、主机转速与负荷的控制和限制功能；6、MAN B&W MC主机气动操纵系统图。二、能力要求1、能正确地理解系统的主要功能；2、能理解主机起动、换向、制动的实现方法；3、能区分转速限制、转速控制和燃油限制三者的不同之处；4、能掌握主机气动操纵系统的作用和管理要点，并能分析系统的典型故障。三、素质要求1、养成善于动脑、勤于思考、及时发现问题的学习习惯；2、提高理论联系实际的能力，培养善于分析和解决主机遥控系统实际问题

3、的能力；3、培养理性思维能力和科学求实的精神；4、培养学习新技术的能力，增强创新意识。【项目实施】任务五 主机转速与负荷的控制和限制一、学习目标1、了解主机转速与负荷的气动和电动控制限制回路。2、重点掌握主机转速与负荷的气动和电动控制限制回路分析方法。二、学习任务本项目的主要任务是掌握主机转速与负荷的气动和电动控制限制回路及故障排除方法。三、背景知识主机的转速控制除了与其它自动控制系统一样需要考虑其品质指标外，还需兼顾其控制后果。因为在大幅度操作主机或变工况的情况下，若只考虑控制系统的品质指标就可能造成主机的热负荷或机械负荷超指标。因此，为了保障主机的运行安全，控制中一旦出现危及主机安全的情况

4、，转速控制系统将自动放弃某些控制指标，把主机的转速或供油量限制在其安全范围内。然而，在船舶遇到紧急情况(如避碰操纵)时，控制系统必须能采取“舍机保船”的紧急措施，应急撤销某些限制或放宽限制，实现紧急操作。由此可见，主机的转速控制与负荷控制是包括各种限制和应急操作在内的综合性自动控制。 一、主机转速控制系统的组成及功能图3-5-1中，由驾驶台遥控车钟发出的车令设定转速In，首先送到程序加、减速环节，实加速速率限制与程序负荷限制，使车令设定转速按主机的操作规律变化。即在低速区允许设定转速快速变化，在中速区则应变化慢一些，而在高速区应按时间原则程序加速，以提高主机在低速范围内的机动性，避免中速区加速

5、过快及高速区热负荷波动过大。经程序加、减速后的设定转速再送到转速限制环节，进行临界转速的自动避让，以保证主机不在临界转速区域内运行，然后进行最小和最大转速限制，以确保主机转速不会低于其最低稳定转速或高于其最大允许转速。通过上述处理后的设定转速作为转速调节环节的转速给定值nS被引到其比较环节，使之与测速装置检测到的主机实际转速测量值nf进行比较。比较所得转速偏差(ne)按固有的调节规律(如PI规律)运算后输出主机供油控制信号FC至负荷限制环节。有时为了使主机的调速特性与摞旋桨的推进特性相逼近，通常在调节规律运算后增加一个螺旋桨特性限制环节，或在调节规律运算中采用非线性变增益运算。调速环节输出的控

6、制油量FC除了受螺旋桨特性限制外，还受到主机的增压空气压力限制、转矩限制及最大油量限制。即把经螺旋桨特性限制的转速控制油量FP，增压空气压力限制所允许的最大油量Fkm，转矩限制所允许的最大油量Fnm，及轮机长手动设定的最大允许油量Fm都送到选小器进行选小。保证主机在运行过程中，其供油量不会超过各限制环节所限定的最大允许油量，以确保主机的运行安全。然而，在恶劣海况下，船舶纵向摇摆厉害，螺旋桨吃水变化大，调速系统为了把主机转速维持在设定转速，将频繁调节主机供油量，使主机的负荷变化可能超出主机所能承受的范围，甚至发生飞车现象，从而危及主机运行安全。为此，遥控系统通常采用如下两种方法来避免主机负荷变化

7、过大及飞车现象。1负荷控制方法当船舶航行中遇到风浪时，可通过操作台上的选择开关接通负荷控制开关，使主机的控制方式从转速控制切换到负荷控制。这时车钟发出的车令设定转速(IE)经负荷控制器处理后输出与In成比例的主机油量控制信号FL一起送到选小器，由于在正常情况下FLFC，所以选小器选择负荷控制输出油量(FL)，使主机的供油量仅与车令设定转速有关，因此，在车令设定转速不变时，主机的供油量也保持不变，负荷不变。但此时主机的转速无法恒定，会随着螺旋桨的吃水变化而变化。当螺旋桨下沉时，它产生的阻力矩就会大于柴油机汽缸燃气所产生的驱动力矩，使动量平衡破坏，主机转速下降，以满足新的动量平衡关系。反之，主机转

8、速就会升高。可见，负荷控制是一种定负荷、变转速的控制方式，由于它未将系统输出量反馈至输入，而是直接由给定量来控制的，所以负荷控制是一种开环控制。图3-5-1 转速与负荷控制回路原理框图单纯的定油量控制，当螺旋桨露出水面，主机会出现飞车现象。但在5-31的控制回路中，遥控系统进入负荷控制状态时，调速回路并未停止工作。在正常情况下，由于调速回路枋出FC大于负荷控制回路输出FL，故无法输出调速控制信号。然而，当船尾上翘时，主机转速逐渐升高。在主机转速上升到一定值后，偏差转速出现负值，使调速控制信号FC减小，当小于负荷控制器输出FL时，选小器选择FC作为输出。于是控制系统又转化为转速控制方式，将主机油

9、门关小，阻止主机转速进一步上升，从而避免主机超速。2死区控制方法在主机转速控制中的转速偏差ne后加一个死区控制(见图3-5-1中死区控制环节内的虚线)。它利用控制死区范围来实现三种不同的控制方式。(1)刻度控制方式。这种控制方式的死区范围最大。当主机转速偏离车令设定转速的偏差未超过最大死区范围时，死区控制无输出，调速回路无调节作用，主机油门刻度位置不变，使主机的热负荷和机械负荷基本保持不变。但主机的转速将随螺旋桨负荷变化而在一个较大的范围内波动。因此，刻度控制适用于主机高负荷范围内需维持主机进油量恒定以获得稳定的热平衡效果的场合。(2)正常控制方式。正常控制方式的死区范围适中，比刻度控制小得多

10、。因此，正常控制方式能使主机的转速跟随车令设定转速，并将其偏差转速保持在正常控制方式死区范围内。主机在稳定运行状态下，只要主机的转速波动小于正常控制死区范围，死区控制就无偏差，无凋节作用。因此，可减小转速波动对调速系统的影响，提高了系统的静态稳定性。但是，一旦主机转速波动超出正常控制死区，调速回路就会将其自动调节到正常控制范围内。由此可见，正常控制是在保证所需的调节精度下尽可能减小主机油门刻度位置波动的一种控制方式。因此，它适用于主机正常运行工况。(3)恶劣海况控制方式。这种控制方式主要是为防止主机在大风浪运行中发生超速。在恶劣海况控制方式中，控制回路减小主机的最大供油范围，并将死区调到最小(

11、趋于零)，以提高转速控制灵敏度。因此，当螺旋桨露出水面时，调速系统就能以最快响应速度减小主机进油量，从而有效防止了主机超速。在主机遥控系统中，常把图3-5-1所示的转速与负荷控制回路分成两部分，前半部分为转速给定部分，用来将车钟发出的设定转速经程序加、减速与转速限制处理后送至调速环节，作为主机转速的设定值；后半部分为转速调节与负荷限制部分。它由全制式液压调速速器或电子调速器与电/液(电/气)伺服器构成的调速系统来完成主机的转速调节和负荷限制。二、起动油量的设定在驾驶台遥控主机时，驾驶员可将车钟从停车位置扳到正车(或倒车)的任何位置来起动主机。这时若仍由车令设定转速来给定起动油量，就可能出现主机

12、因起动油量不足而不能正常发火，或因起动供油量过大而发生爆燃现象。为了确保主机在任何情况下都能安全可靠地起动成功，遥控系统在起动阶段自动阻断车钟所发出的车令设定转速，由起动供油回路来控制其起动油量。这个起动油量比微速挡甚至比慢速挡的供油量还要大一些，以实现用定油量起动。这样既可以保证有很高的起动成功率，又可以防止由于起动供油量过大而产生严重爆燃的现象。对于不同的主机遥控系统，其起动供油量方式也不同，有的采用油-气并进方式，还有的采用油-气分进方式。油-气并进是指主机在压缩空气起动的同时供给起动油量，直到主机转速达到起动空气切断转速而结束压缩空气起动时，才转为车钟设定值；油-气分进是在压缩空气起动

13、阶段不供油，而当主机转速达到起动空气切断转速时，在切断起动空气的同时供油。因此，油-气分进式系统的起动空气切断转速常称为发火切换转速。为了保证起动容易成功，除提供适当的起动油量外，对油-气分进式还需维持数秒起动供油时间后才转入车钟设定值，因此，常在起动与车令转速切换阀的控制端设置一单向节流阀与气容，用来组成一个延时环节，以设定起动维持时间。3.主机加、减速程序控制主机的程序加、减速是指主机在加、减速过程中应遵循的加、减速规律。为了使车钟所发送的车令转速信号能符合主机的加、减速规律，必须对车令转速进行预处理。即在低速区，允许主机快些加速或减速，不限制车令转速的变化速度；而在中速区，对车令转速进行

14、加速速率和减速速率的限制；在高速区，如在70%额定转速以上再加速时，则按主机负荷变化规律，对车令转速进行程序加速和减速。为此，遥控系统中设置了加速与减速速率限制环节和程序负荷环节，以便把车钟所设定的车令转速分段按预先调定好的速率发送出去。在应急情况下，可手动操作取消程序负荷限制，实现快加或快减速。（1）加速速率限制加速速率限制是指主机在低负荷区加速时对主机转速增加速率的限制。在气动遥控系统中，加速速率限制一般是由分级延时阀实现的，如图3-5-2所示。当车令与转向一致时，S=1，阀A右位通，实现了起动油量和运行油量的切换，车令设定的转速信号经阀A右位、分级延对阀B向气容C充气，当设定转速低于额定

15、转速的30%左右时，该信号不经阀B的节流，直接句气容C充气，主机转速可迅速升高。当设定转速高于额定转速的30%以上时，该信号要经B阀的节流再向气容C充气。这时，主机转速的增加就会稍慢一些。减速时气容内压力信号不经B阀节流而直接通减小了的设定信号，实现快减速。图3-5-2 气动加速速率限制环节图3-5-3 电动加速速率限制环节在电动遥控系统中，加速速率限制环节的形式是多种多样的。图3-5-3示出了一种电动无触点遥控系统的加速速率限制方式。图中，运算放大器A1接成电压比较器，其同相端和反相端分别接转速设定信号UI1和该加速速率限制环节的输出信号UO1。A2是接成负反馈的运算放大器，其反相端电压总是

16、高于同相端电压UO1，故运算放大器A2始终输出0信号。在加速时，由于UI1> UO1，A1输出1信号，电子开关SW闭合于1-15，标准电压UR经电阻R5向电容C充电，电容上电压UO1按指数曲线不断增大。由于A1是接成正反馈的电压比较器，A1在输出1和0时，A1同相端的电压是不同的，故使A1输出状态发生变化的输入值就存在一个回差，其上下限值分别用U1H和U1L表示。所以当输入UO1U1H时，A1输出0信号，电子开关SW由1-15断开合于2-15，切断了电容充电回路，接通放电回路。随着放电的进行，UO1不断降低，当UO1 U1L时，A1再翻转输出1信号，UR经R5向电容C充电，由于U1H 与

17、U1L之间回差不大，故UO1可在UI1附近达到一个动态的平衡。减速过程与加速过程相同。调整电容C充放电的时间常数，可调整加、减速的速率，调整电阻R5的电阻值大于R6和R7的电阻值，可实现谩加速、快减速。图中，IST是停车指令。有停车指令时 =0，与门G1输出0信号，UO1不经减速速率限制，直接输出接近0V，这是停车限制。有倒车指令时IS=1，非门G2输出0信号，由电位器P调定一个最大的倒车转速。在倒车运行时，UO1是不能超过最大倒车转速的，这就是倒车最大转速限制。USS是起应的电压信号。有开车车令， =1，且主机处于起动状态时，因UI1> UO1，开关SW闭合于1-15，USS经电压跟随

18、器A3直接向电容C充电，使UO1能迅速达到起动油量所对应的电压信号。起动成功后撤销USS信号，UO1将逐渐达到车令设定转速信号UI1。 （2）气动程序负荷回路当主机转速达到额定转速的70%以上时它已进入了高负荷区，主机已经承受很高机械负荷和热负荷。此后的加速过程必须严格加以限制，防止超负荷。在高负荷区内，保持加速速率限制的加速尚嫌过快，故必须设置一个特殊的时间程序，使之慢慢加速，即为程序负荷。 图3-5-4 气动程序负荷回路在气动遥控系统中，一般是通过节流元件与气容组成的惯性环节来实现的，如图3-5-4所示。图中阀2是程序负荷设定调压阀，它的最大输出是程序负荷开始转速值所对应的气压信号。当输入

19、信号小于这个调整值时，输出与输入相等。Pi是车令设定转速值所对应的气压信号，当该信号小于程序负荷开始的转速(如额定转速的70%)时，只经分级延时阀1的节流，通过阀2向气容6充气。气容内的压力升高较快，再经比例阀7送至调速器转速设定波纹管， 这就是加速速率限制。当车令设定转速大于程序负荷开始转速时，Pi不仅要经分级延时阀的节流，还要经单向节流阀3的节流，再经节流选择阀4的上位向气容6充气。气容内压力升高较慢，如图(b)中c线所示。从港内全速到海上全速大约需要25min，称为快程序。如果把节流选择阀转至下位通，则单向节流阀3的输出还要经节流阀9的节流，这时气容内压力升高很谩，如图(b)中c线所示。

20、其程序负荷时间大约需要55min，称为慢程序。选择何种程序取决于操作者的要求和主机的承受能力。在应急操纵的情况下，电磁阀8通电右位通，分级延时阀输出的信号直接向气容充气，取消程序负荷，按加速速率限制可把主机的转速一直加到海上全速，其加速过程如图(b)中的e线所示。在减速时，气容内的气压信号经速放阀5就地泄放，因不经阀1和3的节流，实现快减速，如图中斜线d所示。4. 转速限制转速限制是指限制送到调速器的转速设定值，以此来限制主机的运行转速。设置转速限制的目的是使车钟发出的车令设定转速能符合主机的操作要求，保证主机不在临界转速区域内运行，不在低于最低稳定转速以下运行，以及不在高于主机最大允许转速上

21、运行。（1）最大转速和最低稳定转速等限制轮机长最大转速限制轮机长最大转速限制是指正常运行时，自动将主机的最大运行转速限制在轮机长所设定的最大允许转速值，并在应急情况下，可通过应急操纵指令取消限制。图3-5-5 轮机长最大转速限制回路轮机长最大转速限制回路如图3-5-5所示，图中，A4、A6和R5构成一个选小器；P3为轮机长最大允许转速设定电位器；US为车令设定转速值；IE为应急操纵指令。在正常运行时IE=0，G1输出低电平，A6输入由P3与R7分压后得到的最大允许转速值Um。当车令设定转速值小于最大允许转速值时，即US Um，则选小器选择车令设定转速作为输出，即UO= US，无限制作用。当车令

22、设定转速值大于最大允许转速值时，即US > Um时，选小器选择轮机长设定的最大允许转速值作为输出，即UO= Um，从而将主机转速限制在轮机长所设定的最大转速值。调大P3的电阻值，主机的最大允许转速值Um会减小。有应急操纵指令时IE=1，G1输出高电平，使A6的输入电压Um提高到近似电源电压，选小器选择车令设定转速US作为输出，从而取消限制。最低稳定转速限制最低稳定转速限制是指当车钟手柄设定的转速在最低稳定转速以下时，能保证主机在最低稳定转速上运行，防止主机运行不稳定，甚至停车。最大倒车转速限制倒车最大转速限制是防止因倒车车令设定转速值太大而使倒车转速太高的限制。由于螺旋桨倒转时的阻力大于

23、正转阻力，主机倒转时，如仍将其转速调整在正转最大转速，就会导致主机超负荷。为了保证主机的安全，主机遥控系统都设有最大倒车转速限制功能。详见图3-5-3示出的电动无触点遥控系统加速速率环节。 故障降速转速限制故障降速转速限制是指当主机发生某些故障时，主机降速到所允许的低转速值。在有应急操纵指令时，将取消故障降速功能，不允许主机降速。（2）临界转速的回避柴油机轴系都有其固有的自振频率，当外界强制干扰频率(主机转速)与其自振频率相同时，将引起共振。在柴油机全部工作转速范围内可能有两个或两个以上共振区，其中最大的共振区称为临界共振区，所对应的主机转速叫临界转速。主机在临界转速区工作时，产生的扭转振动应

24、力将超过材料的允许应力，造成曲轴的扭伤或折断，或者造成组合式曲柄组合件的相对滑移。因此，柴油机在运行期间必须避开临界转速区。其原则是，不在临界转速区内运行及快速通过临界转速区。临界转速自动回避的方式有三种：一是避上限，当车令转速设定在临界转速区时，遥控系统能自动使主机在临界转速的下限值运行；二是避下限，当车令转速设定在临界转速区时，遥控系统能自动使主机在临界转速的上限值运行；三是避上、下限，加速时避下限、减速时避上限，但有些遥控系统正相反，即加速时避上限、减速时避下限。在实际应用中，为使该环节结构简单，多采用避上限方式。在气动遥控系统中，临界转速的回避是用气动阀件组成的逻辑回路实现的，其工作原

25、理如图3-5-6所示。图中1和3是调压阀，输入信号小于调定值时，输出等于输入；当输入信号大于调定值时，其输出保持调定值不变。阀1调定值为临界转速的下限值Pa；阀3调定值是临界转速的上限值Pb；阀2是双气路控制的两位三通阀；PS是转速设定值。该回路是按避上限方式工作的。当转速设定值小于临界转速下限值时，阀1输出PS，阀2上位通。PS经阀1、阀2上位和速放阀4输出，PO=PS，如图中临界转速回避特性的a线所示。当转速设定在临界转速区时，PSPO，阀1输出Pa不变，阀2上位通不变，PO =Pa，主机在临界转速下限值运行，如图中b线所示。当设定转速PS大于临界转速上限值时，阀2下位通，输出PO由临界转

26、速下限值立即跳变到大于临界转速上限值Pb，可快速通过临界转速区，然后输出随PS而变，如图中c和d线所示。同理，在减速时，当PS >Pb时阀2下位通，PO = PS。而当PaPS Pb时，即转速设定在临界转速区时，阀2上位通，PS截止， PO = Pa。PSPa时，PO = PS所以在减速时也是避上限，且可快速通过临界转速区。图3-5-6 气动临界转速回避回路5.负荷限制负荷限制用来限制主机的供油量，防止主机超负荷，故又称燃油限制。由于主机转速控制系统是根据偏差转速来控制主机供油量的，当螺旋桨吸收功率增加使主机转速降低，或给定转速增大时，为了快速地把主机转速调节到给定转速，有可能使主机供油

27、量增加过多或过快，造成热负荷与机械负荷超载。为此，必须对主机供油量进行限制，以确保主机安全。负荷限制包括增压空气压力限制、转矩限制和最大油量限制等。（1）转矩限制转矩限制的目的是限制主机的机械负荷和热负荷，防止主机超负荷运行。主机的转矩过大是由于主机在某一转速下的喷油量过多造成的。因此，转矩限制普遍采用转速限制油量的方法。转矩限制有设定转速限制油量和主机实际转速限制油量两种方法。目前，采用设定转速限制油量的方法用的较多，它是按设定转速的大小来限制主机的最大允许供油量。图3-5-7所示为一种电动转矩限制回路。图中，电压跟随器A2与调速回路的运放器A3构成选小器。由电位器P1调定的电压值Ua是转矩

28、限制的开始转速值，一般为额定转速的50%60%。运放器A1的工作模式由US的大小来确定，当车令设定转速值US小于Ua时，A1输出0信号，二极管D1截止，A1负反馈作用消失，工作于电压比较器状态，电压跟随器A2的同相端电压是由电位器P1调定的Ua值，故A2输出为Ua值，如图中所示转矩限制特性的ab线。当US Ua时，A1输出增大，二极管D1导通，负反馈回路起作用，使A1从电压比较器状态转为同相输入的比例运算放大器。随着US的增大，A1输出按比例增大，a点电位升高，A2同相端电压增大，A2输出也随之增大，如图中所示的斜线bc。一个设定转速值US只能对应一个允许的最大供油量限制值UNM。因此转矩限制的作用是根据设定转速的大小来限制主机的最大允许供油量。调速回路输出的控制信号是UC，主机在加速过程中，只要调速回路输出UCUNM，