机舱自动化调试基础概要

机舱自动化调试基础
下文介绍的是机舱自动化最核心部分，即机舱船舶电站自动化和柴油机主机遥控系统，因时间仓促，水平有限，错误在所难免，恳请各位专家、读者批评指正。

第一节机舱自动化的组成及应用
机舱自动化的组成：计算机、巡回检测装置、数字开关电路、显示和打印电路。

其中：数字开关电路的外部由各种温度开关、压力开关、液位开关组成，这些开头折动作状态只有关、开两种位置控制方式。

巡回检测装置：外部是各种温度、压力、液位传感器，在过程通道中还设置了采用电路和模/数转换电路。

在现代高技术领域内的计算技术的发展和集成电路的高度密集化，使得一原本由计算机完成的工作改由外部通道或过程道来实现，这就使计算机能够充分地发挥其应有的功能和作用，使各计算机对被控设备的反应更为快捷，处理过程时间也相对缩短。

巡回检测装置有两种工作状态下，由中央处理机选择采档控制器，经采样译码后，选中相应通道的模拟开关，将该通道的输入电压送入模/数（A/D）变送器。

在顺序状态下，由主机支配的采样控制器按顺序取入个通道的模拟电压，并送入模/数变送器。

由于随机采样是由中央处理机在处理完其它事务后，才能响应通道状态。

因此，这种方式的信息变换是由主机控制的，则系统对被监测设备工作状态的剧烈变化或应急故障的变化，常常反应不及时；而顺序采样状态也存在这方面的问题，所以现在在大多数巡回检测系统的各过程通道中加入了直接通方式，它使得被检测设备的工作状态剧烈变化时，该通道信息便能经直接通道优先进入计算机请求中断序列，所以能及时反映出系统内应急变化的各种状态，在无人值班的机舱自动化船舶中，其机舱自动化系统中报警系统，就是采用了这种直接通道的通讯方式，在这里，不论何种通道，也不管是模拟量还是数字开关量，只要被检测点的变化超过预先给定的值，则该通道便进入直接方式，给出报警提示信号，及时通知操纵者给予优先处理。

第二节机舱自动化系统流程的分析
船舶机舱自动化的主要标是：改进船舶操纵的可靠性；其次使设备或系统的操纵简单化，改进故障检测技术，确定预防、保养和维修系统。

目前船舶集中监视系统，也即我们常称之为机舱自动化系统是一个集中型监控系统，它具有一定的通用功能，该系统常分为两部分：
一、监测系统及报警输出系统
监测系统是机舱自动化系统的心脏，它不仅要处理及测系统内部的工作状态，同时还要处理人机对话输入和控制及操作命令；另外，还要处理信号收集系统（子系统）输送进来的机舱设备的工作动态信息，并进行必要的计算，在被监测设备的工作状态发生异常时，应当向报警系统发送报警信号，通知有关人员对进行响应，做出必要的补救和预防事故下一步扩大的有效措施。

二、监控系统
其功能在于对外部设备的工作状态进行检测，按系统的组成方式不同，其处理信号的方式也仅相同，但综合起来可大致分成两大类。

其中一种系统是将所得的设备的动态过程信号进行功能转换，同时作简单的数字化处理；它实际上是一个多级计算机控制系统的最初级
的一子系统，而且为一个实时控制系统，这类系统通常安装在机舱的某个区域。

在一些系统中，通常将这种子系统再次分为多个系统，并且使每个这样的子系统各自成为一独立的工作单元，它的工作状态只受自动化系统的主计算机控制，与其它的同级工作单元互不相干，这种子系统所带的计算机通常是一些功能较简单，处理数据功能不是很好；我们称其为第一类系统而另外一些系统则是采用一个总控信号处理装置，它是直接将所取得的设备的动态过程信号进行处理，它实际是一个微机处理系统，其中所装计算机通常和监控系统所用的微机相同，由于总控信号处理装置中的计算机计算及数据处理功能很强，所以这种系统可脱离监测系统自行处理设备的动态特性，也不会对系统产生不良影响。

称其为第二类系统。

上述两类系统各有特点：
我厂以前制造的船舶中用过的第一类系统有：挪威NORCONTRIL生产的DC-7机舱自动化系统及其以前的产品，它就是将各个子系统分成一个个独立的工作单元（通常称这种工作单元为信号收集箱），系统中的各个子系统间利用讯号线相互串联起来，最后又与主处理系统（监测处理及分析系统）串联形成一个环形闭合型的连接系统，从而组成机舱监测报警系统。

这种系统的特点是外围的各个子系统工作时互不干扰，同时所组成系统也不会因某一个次级子系统一旦发生故障造成其它的同级子系统受影响，使整个系统无法工作，这也相应提高了整个系统的可靠性，再就是组成这种系统的子系统，因其本身自带有微处理器，所以其与主处理器的连接比较简单，仅用一条两芯电缆便可满足其与主处理器间的工作信息的通讯。

这种工作单元按需要布置在机舱的所需地方，由船厂根据自己的设计需要及设备的分布，再组成实际的机舱自动化的子系统，我厂通常是按照功能或主机与辅助机械等方法进行分布，再组成实际的机舱自动化的子系统的存在，使得机舱各设备与机舱监测系统的主控制器间的连接电线变得更短。

这也使得船厂的设计及设备布置变得更为合理，同时也使得船厂的设备安装变得更为方便，同时也为电缆的布置和线路的检查及今后的设备维护的工作量也大为减少。

由于整个系统为环状连续，且系统和线路也完全处于监控系统的主处理器的监控之下，所以对系统中有故障的子系统，主处理器将对其进行有效地诊断和监控，甚至可在必要的时候，将该故障子系统从系统中卸下，以防止该故障的进一步扩大而影响整个系统的工作状态。

另一方面，由于子系统是作为一个工作系统设置的，它具有独立的工作特性，并且每个子系统的组成都是相同的，各子系统的中央主部件是相同的，因此这些子系统的中央部件是可相互更换，这也相应增加了系统的可靠性。

另外，对于子系统由于采用模块化方式通讯线路板作输入，输出口，其作法是根据输入输出信号的不同，选择及有用不同接口板，由于相同类型的数字量或模拟量输入输出信号是采用统一类型的接口，因此这类信号的接口板可互相换用。

第二种系统最典型的是：丹麦STL公司生产的，UMS-2000型监控系统，该系统的组成除了信号收集及处理系统与挪威的DC-7或DC-2000不同外，其它系统如：监测系统，主显示及控制系统都相同，并也具有延伸报警、故障记录、打印功能等。

这种只有一个子系统的监控系统，该子系统所用的计算机容量都比较大，处理速度也比较快，因此系统的适时控制功能也相当强，系统的可靠性也就较高。

在DC-2000和DC-7系统中，主处理器和外部收集箱内的处理器都是可编程控制器，其容量都不大，且处理的信息量也不大另外就是该系统的计算机处理信息速度不快，尽管目前这种系统的主处理器已有采用微机代替可编程控制器，但所用的计算机为商业型机，易受船电的电磁干扰，如在我厂制造的21000吨多用途船上该系统的显示器工作时间稍长一些，便造成荧光显示屏上的文字变形；由于系统内存太小图形处理功能较差，其中的图形控制仅能表现当前的数值，且只能用方框表示之，其无法保存各阶段的处理值或系统中各个外部设备的工作动态的原始数据；再就是该系统的软件开发也一时跟不上，系统的工作状况也是实时打印，系统软件相当简单。

STL是一完整的微机系统，尽管其设计与DC-2000不同，它已克服了DC-2000存在的问题。

但这种系统也存在诸多问题，如：工厂的设计比较繁杂，由于只有一个信号处理器，故电缆较多且集中在一处，这对于工厂施工是相当不便的，二、由于电缆较多，较DC-2000系统多1~3倍，电缆集中于一处又会造成生产中错误增多，使得平时系统的使用、维护保养也不方便。

第三节巡回检测系统的技术管理
巡回检测系统是机舱自动化系统的重要组成部分。

该系统基本属于开环系统。

要把它管理好且充分发挥它的应有作用，除了要掌握它的基本功能和基本作用原理外，还要抓信该系统与其他系统比较的具有特点进行技术管理。

归纳起来，有以下几点：
一、现场参数的多样式、复杂性
该系统现场参数最多，检测点有几百个各种各样的物理量，如温度、压力、转速、粘度、流量等不一；有各种各样的非电量也有各种形式的电量，有很多的模拟量，也有更多的开关量；即使同一个物理量如压力，也分几种不同的等级，这样造成系统的多样性和复杂性。

在技术管理中道德要熟悉每个检测参数，尤其传感器信号处理特点、参数允许范围、参数整定值为多大，然后在运行管理中注意各参数的变化特别注意现在的实测值与原始记录的实测值进行比较判断，发现有异常，便进行校验，进行分析，找出原因，有些情况是由于机器本身的运行性能有变化而引起实测值的变化，这与检测系统无关，在这种情况下不需要对检测信号的零点或量程进行调节；有些情况是由于检测装置运行时间太长或刚进入运行，原来调节有误或元件老化，这时需要对零点和量程进行合理地调整。

总之，在一般情况下不要乱调参数，必须查找出真正原因，采取合理地处理措施。

传感器及其检测点所处的工作环境也是很复杂的：有些检测点和传感器工作环境很优越，如发电机的功率、电流和电压的检测和变送均在有空调的集控室中；有些检测点则在机舱最恶劣环境的高温、高湿度的角落中，如燃油粘度测量、燃油加热温度测量、舱底污水柜液位测量、舱底污水柜液位测量等工作环境就十分差。

总之，几百个检测点和传感器分布在机舱各个角落，运行所处的环境条件差异甚大。

针对这个特点，在技术管理过程中，要查找出各检测点及其传感器分布地点、环境工作条件以及传送到巡回检测装置的导线编号。

对工作环境恶劣的传感器要特殊对待，多加强清洁保养，有的只需外部清洁，有的要解体保养，这要视情况而定。

由于检测元件及其传感器的多元性和复杂性，在技术管理中，要注意对这些备件的建帐和保管。

要把这些备件分门别类尤其要管好重要设备的关键传感器的数量、型号存放地点等，这有助及时处理问题和解决问题。

对于几百个检测元件及其传感器的保养、校验和保管，工作量是很大的，但很重要，实践证明，不论是常规的巡监系统，还是微型计算机控制的巡监系统，80%以上的故障出在检测元件或传感器或变送单元上，即使微机部分出毛病，也多半是由检测元件或传感器的故障引起的。

二、查找故障，更换芯片
微型计算机是由一些大规模集成电路的芯片构成的。

作为技术管理人员不需要也没有必要去了解芯片电路的内容和理论分析，应着重掌握各芯片的基本功能以及与外部设备之间的联系，其目的查找故障，缩小故障范围，快找到引起故障的芯片或印刷电路板，以便更换之。

船上多阗是换印刷电路板，印刷电路板上又有很多集成芯片，查找故障芯片并换芯片难度要大些。

在技术管理中，主要掌握印刷电路板的备件更换方法。

印刷电路权很多，尤其接口板、变换板更多，不可能每块印刷板都有一块备件，这样备件太多，造价成本太贵。

为此，备件通用性要强，一块印刷板可以多用。

但微机芯片或接口
芯片都有自己的独立地址，所以在更换印刷电路板备件时，要对备件板的地址接线连接进行连接。

连接方法因设备不同而异，一般产品说明书中都有具体的规定。

在更换印刷电路板时，要先断开电源后更换，更换后还要通电复位。

要注意一点，印刷电路板上很多芯片，这些芯片大多是由场效应管（MOS）集成化的，MOS管栅极输入电阻很大，尤其在栅极开路的情况下，很容易由于外界的静电在栅极上感应出很高的电压，造成栅极击穿而毁坏管子。

所以，在更换备件时，应避免用手直接接触芯片，尤其是片脚，以防损坏芯片。

第四节船舶电站自动化
一、柴油发电机的自动起动
1．柴油机的起动
船舶柴油机有电动起动和压缩空气起动两种方式。

电动起动一般用于小功率柴油机和应急发电机组；而主发电机组一般采用压缩空气起动。

压缩空气经起动控制阀到达柴油机，由其空气分配器按各汽缸发火的顺序依次将压缩空气引入各汽缸，推动活塞使机器转动。

一旦由进入汽缸的压缩空气产生高温，自行发火运转后立即切断气源，柴油机即自行运转。

柴油机的运转一般要注意有润滑、燃油控制、暖机。

在自动电站中，通常是将各台柴油机的冷却淡水管系联成一个整体，运行机组的冷却水也循环于备用机的冷却系统中，使其得到暖机。

2．柴油机发电机组自动起动功能
在自动电站中柴油发电机组都有具有以下功能：
①具有“自动”、“机旁”、“遥控”操作方式的转换；
②对自动起动的各种准备工作设置逻辑判断和监视；
③接受起动指令时，按应有的程序自动起动；
④一个起动指令可允许试行三次起动，若三次起动失败则给出报警信号；
⑤适当控制起动时的给油量；
⑥柴油机自行发火后能自动切断起动动力源；
⑦“中速运行”和“加速”控制；
⑧当转速上升到额定值的90%时，即可认为整个起动加速程序完成了，并自动切断本机的预润滑系统，经适当延时后接入本机的滑油压力监视。

3．应急发电机组自动起动装置
135型柴油机是电动起动方式，它由蓄电池供电给起动电动机，起动电动机通过离合器带动柴油机旋转，起动成功后，起动电动机通过离合器自动与柴油机转轴脱离并断电停转。

下以ZK-135自动控制系统为例介绍其是怎样控制柴油机自动起动的。

原始状态：柴油机油门杆控制电机YD处于“停机”位置，凸轮开关的触头A闭合，B、C、D均断开，SDJ常闭触头闭合，其余各继电器均如图1-1所示状态。

准备工作时，将开关ZK合上。

（1）一次起动成功的过程
若主电网失电，各主发电机主开关DW的常闭触头均闭合，J1获电，SJ1开始计时（可在0-60秒内整定），经SJ1整定时间后，其常开触头闭合，开始自动起动操作。

①SJ2线圈获电，开始计时（50秒），准备三次起动失败后其常闭触点断开起动环节电源并使报警控制复位，SJ3线圈获电，亦令其计时（32秒），使该装置可获得得连续三次起动所需时间。

J7获电，使YD的激磁绕组F1、F2加上激磁。

J2线圈获电，使用权YD获
电正转，将油门杆拉到“低速”位置。

同时凸轮开关KZ使触头A断开、B、C、D触头闭合，所以虽然YD仍有激磁，但J2线圈因触头A断开而失电，J2触头复位，YD的电枢因短路而制动。

图1-1 ZK-135型应急柴油发电机自动控制原理
②与SJ2获电同时，SJ4亦获电，延时6秒后J6获电（在延时6秒内油门已处于“低速”），接通起动接触器CZ，CZ的触头又接通起动电动机，柴油机开始起动。

③柴油机在起动电机带动下发火运行，转速上升，当达到250转/分时，速度继电器SDJ常闭触头断开，使21号电路失电，其所控各继电器均复位。

④与J6获电同时，SJ5也获电开始计时4秒，4秒后断开SJ4电源，起动环节复位，起动电动机断电。

⑤转速继续上升至600-700转/分时，SDJ常开触头闭合，J4获电。

J4有两个触点，常开触点J4闭合，使J2获电，再次使YD获电正转，直到把油门杆拉到“全速”位置。

这时凸轮开关触头B、A断开，C、D闭合，使J2断电，YD短路制动。

油门处于“全速”位置，柴油发电机逐渐加速到全速运行并向应急电网供电；J4尚有另一个转换触点，接通9-17，使报警继电器J5处于准备状态，一旦出现滑油压力低或冷却水温度高时，因YJ或WJ动作，J5获电，接通J声光报警电路。

（2）三次起动的控制过程
若一次起动未成功，则速度继电器SDJ处于原位。

当起动时间超过4秒时，柴油机仍未发火，则SJ5常闭触点断开，使起动环节复位，SJ4又获电，经6秒后，第二次起动又开始，所以每次起动时间间隔为6秒，起动电动机运转时间为4秒，三次起动总时间为30秒，若三次起动均失败，则SJ3延时（32秒）结束，切断起动环节同时接通J5发出起动失败报警。

（3）应急柴油机发电机的停机及自动控制系统的复位
①三次起动失败系统的复位过程
当起动过程进行50秒后，SJ2延时结束，SJ2的常闭触点断开22-23号电路，SJ3断电，警报信号停止；同时SJ2的常开触点闭合，使用权J3的转换触头接通YD的反转电路，将
油门杆拉回到“停机”位置。

此时凸轮开关触头C、D断开，J3失电，YD停转。

继电器J8的常开触点与凸轮开关D触头并联，当油门杆拉回到“停机”位置时，因C、D被断开，使J3复位，J8也失电，由于与J8线圈并联的电容器C2起作用，将使J8的释放稍有延时，保证在D被断开时，仍短路地提供YD的磁场，使YD可获得较好的制动效果。

②主电网恢复供电后，应急发电机组自动“停机”的过程
当主电网恢复供电，J1失电而复位，其常闭接点使J3获电，以后的过程同上述，YD 反转，将油门杆拉到“停机”位置，柴油机因失去供油，自动停机，J1的常开接点断开20号电路，使整个装置复位。

二、自动并车装置
能够完成手动准同步并车操作的全部逻辑程序的自动装置就叫自动并车装置。

1．自动并车装置的功能：
1）检测待并发电机与电网电压的电压差、频率差和相位差，当任何一个条件不符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令；
2）检测待并发电机与电网的频率差，并根据频差的大小与方向自动对待并机组发出调频信号，进行频率预调。

减小频差，创造合闸条件；
3）当电压差、频率差在允许范围内时，要能计及发电机自动空气开关的固有动作时间，相应地提前发出合闸指令，实现自动准同步。

2．自动并车装置的组成：
自动并车装置通常由三部分组成，即调压、调速和合闸三部分，其原理框图见图1-2所示。

因为船用自励恒压发电机的电压都能保证在并车的允许范围内，故一般均省去调压部分，只剩电压闭锁环节。

图1-2 自动并车装置原理框图
所有的并车装置总是要利用脉动电压的特性进行工作，因此该装置总要设置脉动电压形成环节。

所谓脉动电压是指待并发电机的电压u1和电网（电力系统）电压u2之间的电压差，通常用u s。

脉动电压的性质与并车的三个条件是联系在一起的，准同步的三个条件之一就是要求断路器在合闸瞬间，待并发电机电压的相位相同。

实际上对于两个频率不同的电压是无法比
较它们之间的绝对相位差的。

为此，所谓相位相同是指发电机电压与电网电压的瞬间值u1与u2同时过零或同时达到最大值的瞬间，在此瞬间uo=0。

三、自动调频载装置
在具有多台机组交流电站中，当需要两台以上的机组并联供电，或者虽然只需要单机供电，但为了能够不间断地换机，都有要进行并车及负荷的转移和分配操作。

为了实现船舶电力系统自动化，“频率自动调整和有功功率自动分配”是不可缺少的环节，它与自动并车装置一起，合称主自动并联运行控制器。

仅执行频率和有功功率自动调整的装置简称为“调频调载”装置，又叫“自动负荷分配器”。

1．自动调频调载装置的基本功能
1）能自动维持电力系统频率为额定值；
2）能按参与并联运行各机组容量以既定的比例或其它的既定方式自动控制负荷分配；
3）接受到“解列”指令时，能自动控制负荷转移，待其负荷接近零时，才使其发电机解列。

自动调频调载装置实质上就是根据恒频和按比例分配有功负载的要求对调速器实现二次调整的自动装置。

它只能根据频率和功率分配的静态误差来进行调整。

当并联运行中的负载经常突变的情况下（如起货机工作时），各发电机原动机调速器都在紧张地工作，力图按照各处的动态特性使发电机恢复稳定，但是各机组动态自动调频调载装置不宜介入，以免打乱调速器的政党工作。

当动态过程结束系统稳定后，由于调速器的有差特性及其不一致等原因，系统的频率和功率分配就会出现静态误差。

自动调频调载装置只能根据这个静差来进行调整。

为了使装置避开动态过程，一般采用延时来实现。

当负载频繁变动时，为避免装置频繁动作，甚至出现乱调（振荡），一般则将该装置切除。

2．自动调频调载装置的组成
自动调频调载装置不论按何种方法实现其功能，大体上都有三个环节，即频率变换器、有功功率变换器和调节器组成，只是根据调频的方法不同而采用的个数及接线方式不同而已。

1）频率变换器
频率变换器又称测频器。

当电力系统的负载变化时，电网的频率必然变化，为了实实现调频，而要检测出电网的实际频率对于额定频率的偏差Δf。

频率变换器将Δf相应大小和极性直流电压信号，送到调整系统去时进行比较。

2）有功功率变换器
有功功率变换器又称测功器，它用来测量每台发电机输出的有功功率，并将测得的有功功率值变换成与之成正比的直流电压信号。

3）调整器
调整器又称执行元件，它根据频率偏差、发电机发出的功率和分配功率的信号，按照预定的调频准则给出控制电压，控制调速器的二次调节，实现频率和有功功率的自动调节。

当输入到调整器的频率与功差等综合信号为正时，则调整输出减速及脉冲信号，综合信号的绝对值越大时，则输出脉冲信号的脉冲频率越高（脉冲宽度一定时）或脉冲宽度越宽（脉冲频率一定时）；反之当输入的综合信号为负时，则调整器输出相应频率或宽度的加速信号。

调整器还应使每个调节过程的第一个调整信号有适当的延时，以便避开动态过程。

3．调频调载的方法
1）虚有差调节法：
虚有差（或称假有差）调节器是将系统的负荷按固定比例分配给所有参与并联运行发电机组并使系统频率维持额定值的频载调节方法。