第五章柴油机主机遥控系统

第五章柴油机主机遥控系统
第一节主机遥控系统的基本概念
船舶柴油机主机遥控是指离开机旁在驾驶台或集中控制室对主机进行远距离操纵的一种方式。

在这种操作方式中，不可能直接利用主机操纵机构本身的手柄或手轮来操纵主机，而必须在操纵部位(驾驶台或集中控制室)发出的操车信号，这就需要在操纵部位与主机的执行机构之间设置一套综合的逻辑控制回路。

该回路包括组合逻辑回路、时序逻辑回路、反馈控制回路，以及各种安全保护回路。

主机遥控系统是轮机自动化的重要组成部分，是现代化船舶实现无人机舱的必不可少的条件之一。

主机遥控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。

通常情况下，驾驶台遥控的自动化程度比集中控制室的高，在驾驶台遥控主机时，驾驶员可按常规的车中操作方法来操纵主机。

这时，主机所需的操作步骤及操作要求均由遥控系统自动实现。

而在集中控制室遥控主机时，考虑到操纵主机的是轮机员，故某些操作可以按主机的操作步骤及要求进行，故遥控系统可省掉一些不必要的环节。

因此，为了降低造船成本和提高船舶的安全性和可靠性，往往把驾驶台遥控主机设计成全自动遥控系统，而把集中控制室设计成半自动遥控系统。

一、主机遥控系统的组成
主机遥控系统组成如图5-1-1所示，由图可见，主机遥控系统是由遥控操纵台、遥控装置、测速装置、安全保护装置，以及包括遥控执行机构在内的主机操纵系统五大部分组成。

1．遥控操纵台
遥控操纵台设置在驾驶室和集控室内，它的主要作用是提供人机对话的界面。

遥控操纵台上的主要部件是车钟手柄，人通过车钟手柄向遥控系统发出控制命令，如正车、倒车、停车和转速的设定。

显示屏向人们提供遥控系统执行命令的情况、各种参数和状态信号的显示、报警指示、车钟记录以及辅车钟信号的联系。

紧急操纵按钮用于发出应急运行、应急停车等命令。

操纵部位转换开关用于驾驶室与集控室间的遥控部位选择。

2．遥控装置
遥控装置是整个遥控系统的控制中心，它根据遥控操纵台给出的指令，测速装置提供的主机转速的大小和方向，位置检测器提供的凸轮轴位置信号等，完成对主机的起动、换向、制动、停油等逻辑程序控制以及转速与负荷控制功能。

3．测速装置
测速装置用来检测主机的转速、转向，向遥控装置提供主机的运行状态。

不论遥控系统中的逻辑程序控制，还是转速与负荷控制，都离不开转速、转向信号。

否则遥控系统将失灵或误动作。

同时，此信号还送往转速表，指示主机的转速大小和转动方向。

4，遥控执行机构与主机操纵系统
遥控执行机构与主机操纵系统用来执行遥控装置发出的起动、换向、制动、调整等控制命令。

在遥控系统失灵时，可通过机旁操纵装置应急操纵主机。

5．安全保护装置
安全保护装置用来监视主机运行中的一些重要参数。

一旦某个重要参数发生严重越限，自动控制主机减速运行，或迫使主机停车，以保障主机安全。

安全保护装置是一个不依赖于遥控装置而相对独立的系统，它不会因为遥控装置出现故障而失去效能。

从主机遥控系统的组成示意图看，主机的操纵部位有三处，即驾驶室、集控室和机旁。

在同一时刻，只能一个操纵部位起作用。

因此系统中要有操纵部位转换开关。

图中只画出了集控室与驾驶室之间的转换开关，实际上机舱中也要有转换开关，进行机旁操纵与遥控之间的转换。

一般说来，机舱转换到集控室和集控室转换到驾驶台需要有转换条件，而反向转换则不需要转换条件。

因此，就操纵而言，机旁的优先级最高，集控室次之，驾驶室的优先级最低。

主机的操作部位总体上看有三处，但每一处可能不止一种操纵形式。

为了增加操纵的灵活性和可靠性，新型船舶的操纵形式较多：机舱有人工操纵和手动操纵；集控室有全自动遥控和手动或半自动遥控；驾驶室是全自动遥控，操纵场所不仅在驾驶室内，在驾驶室外两侧的船舷旁也分别设置了操纵台，
其中包含有控制主机的车钟手柄和控制侧
图5-1-1 主机遥控系统的组成
推器的操纵手柄。

在靠离码头时，利用船舷旁的操纵台控制主机，无疑是更安全、更有效。

现代船舶的驾驶室遥控都采用单手柄控制，即常规车钟传令和直接控制主机都是由车钟手柄来完成的。

在集控室或机旁操纵主机时，车钟手柄只起常规传令车钟的作用。

在驾驶室遥控时，车钟手柄位置的改变都是对主机的直接控制。

因此，车钟手柄不宜像常规传令车钟那样标有“备车”、“完车”、“定速航行”等挡位，可用带灯按钮代表上述挡位，来实现驾驶室与集控室之间的通讯联系。

我们常把主机遥控系统的车钟称为主车钟，而把“备车”、“完车”、“定速航行”等带灯按钮称为辅车钟。

二、主机遥控系统的主要功能
尽管主机遥控系统种类繁多，结构复杂，但设计这些系统的目的都是为了实现控制主机所应具备的各种功能，而各种主机遥控系统的这些功能是类似的。

因此，掌握主要功能对后面实际遥控系统的学习会有很大帮助。

主机遥控系统的主要功能包括四个方面，即逻辑程序控制、转速与负荷控制，安全保护与应急操作，以及模拟试验。

下面分别进行具体介绍。

1．逻辑程序控制
1)换向逻辑控制
当有动车车令即车钟手柄从停车位置移至正车或倒车位置的某一位置，遥控系统首先进行换向逻辑判别，即判断车令位置与实际凸轮轴的位置是否一致。

当车令位置与实际凸轮轴位置不符时，便自动控制主机换向，将主机的凸轮轴换到车令所要求的位置上。

换向完成后，遥控系统转入起动逻辑控制（如车令位置与实际凸轮轴位置相符，则省去上述换向过程，直接进入起动逻辑控制）。

如在规定的时间内，主机凸轮轴未能换到车令所要求的位置，遥控系统将发出换向失败报警信号，同时禁止起动主机。

2)起动逻辑控制
换向逻辑控制完成后，遥控系统紧接着进入起动逻辑判断，也就是对起动条件进行鉴别。

当满足起动主机所需的各项条件时，控制空气分配器投入工作，打开主起动阀，起动空气将进入主机进行起动，在主机转速达到发火切换转速时，自动完成油气转换(对油气并进的主机可提前供油)，停止起动。

这时若起动成功，自动转入主机加速程序。

3)重复起动程序控制
若主机在起动过程中发生点火失败，遥控系统将自动进行第二次起动。

若第二次起动又发生点火失败，则自动进行第三次起动。

无论第二或第三次中那次起动成功都将自动转入主机加速程序。

当出现第三次起动失败时，遥控系统将自动停止起动，同时发出起动失败报警。

当故障排除后，需把车钟手柄拉到停车位置，对三次起动失败信号复位，方可对主机进行再起动。

4)重起动逻辑控制
在应急起动、倒车起动或有重复起动的情况下，为了提高主机起动的成功率，遥控系统将自动增大起动供油量，或者自动地提高起动空气切断转速对主机进行重起动。

5)慢转起动逻辑程序
当主机停车时间超过规定时间(一般是30～60内可调)以后，或在停车期间停过电，再起动主机时，遥控系统将自动控制主机先进入慢转起动，即让主机缓慢转动1～2转，随后再转入正常起动。

若慢转起动失败，将发出报警信号并且封锁正常起动。

之所以要设置慢转起动，其目的是使主机各主要摩擦面建立起润滑油膜后再转入正常起动，以减少磨损；另一方面当慢转起动失败后，可以检查出主机的故障，避免起动事故发生。

6)主机运行中的换向与制动逻辑程序控制
当船舶全速航行遇到紧急情况时，若把车钟手柄拉到停车位置，遥控系统会发出停油动作，由于船舶的惯性很大，船舶的滑行距离很长，主机转速也会因为螺旋桨的水涡轮作用而保持相当长的时间，这对紧急避碰来说是极为不利的，为了解决这个问题，现在的主机遥控系统一般都设有主机运行中的换向与制动功能。

当主机在正车(或倒车)运行中车钟手柄突然从正车拉到倒车位置(或相反)时，遥控系统将自动执行停油—换向—制动—倒车起动一倒车加速过程。

有的主机换向需要有转速限制，即转速降到一定数值才允许换向，而且换向转速分为正常换向转速和应急换向转速(应急换向转速比正常换向转速大)。

制动的前提是换向完毕。

制动分为能耗制动和强制制动。

有的遥控系统只设置强制制动(主要用于大型低速柴油机)。

有的遥控系统先进行能耗制动，然后再进行强制制动(主要用于中速柴油机)。

所谓能耗制动，是在应急换向完成后，只让空气分配器工作，主起动阀关闭，这时主机是正车转向，而凸轮轴是倒车位置。

因此，当某缸活塞上行(压缩冲程)时，空气分配器使此缸气缸起动阀开启，气缸内的气体经气缸起动阀到主起动阀后被截止，使主机起着压缩机作用，消耗其能量，降低其转速，实行能耗制动。

能耗制动是主机转速较高且制动力矩较小时的制动方式。

而强制制动是让空气分配器工作，且主起动阀开启。

此时，高压起动空气在各缸的气缸起动阀前等待，当某缸活塞上行时，空气分配器控制此缸气缸起动阀开启。

于是，高压起动空气进入气缸，强行阻止活塞运动，使主机转速迅速下降为零，实行强制制动，当主机转速下降为零后，则按倒车的起动逻辑控制来起动主机，使主机倒转，并按倒车加速程序将主机转速调节到车令设定转速。

2．主机的转速与负荷控制
1)转速程序控制
当对主机进行加速操纵时，应对加速过程的快慢有所限制，转速(或负荷)范围不同对加速过程的限制程度就不同，因此加速过程控制有下列两种形式：(1)发送速率限制；(2) 程序负荷(也称负荷程序)。

其中发送速率指的是主机在中速区以下的加速控制，加速速率较快。

而程序负荷指的是高速区的加速控制，特别强调慢加速。

因为在高负荷时加速太快，会使主机超热负荷，严重影响缸套、活塞和缸盖等燃烧室部件的寿命。

因此，有了发送速率和程序负荷这种控制功能，驾驶员可按实际情况把车钟手柄扳到任一速度挡，而不必考虑是否会损害主机。

当车钟手柄从停车扳到正车(倒车)全速时，主机先进行起动操作，起动阶段完成以后，主机的加速过程就会按预先设定好的加速速率进行加速，当主机定速后，主机转速控制系统就会按设计好的程序负荷继续给主机加速，最后一直到车钟手柄所设定的正车海速转速。

由此可见，转速给定值是变化的，而且变化规律是确定的。

因此，在主机起动完成到转速稳定这段时间内，主机转速控制系统实际上是在完成一个转速程序控制过程。

实际上不仅有加速程序负荷，还有减速程序负荷，只不过减速程序负荷比加速过程快得多，往往被忽略，除遇到应急情况外，主机在从海速降速时进行一段减速程序负荷控制，
对延长主机使用寿命和降低故障率都是十分重要的，因此，部分主机转速控制系统还设有减速程序负荷。

2)转速一负荷控制
主机的转速与负荷控制回路是一个综合控制回路。

在正常航行工况下，控制回路主要是通过调速器对主机转速进行定值控制。

控制回路的作用就是克服各种扰动，把主机转速控制在车钟手柄所设定的转速上。

但是，当船舶在恶劣海况下航行时，螺旋桨可能会频繁露出水面转速升高，若此时仍采用转速定值控制，调速器为了维持主机运行在设定转速上，不得不频繁地大幅度调节主机供油量，这就有可能导致主机超热负荷。

一但调速器减油不及时，主机就会发生飞车而使主机超机械负荷。

这时，主机转速控制系统常采用负荷控制方式或死区控制方式来保障主机的安全运行。

3)转速限制
为了保证主机安全、可靠及有效地运行，车令设定的转速值必须符合主机自身特性的要求，因此，遥控系统将对进入主机调速器的设定转速进行临界转速避让、最小转速限制、最大转速限制以及轮机长手动设定最大转速的限制。

(1)临界转速自动避让当车钟设定转速处于临界转速区时，为了保证主机不在临界转速上运转，遥控系统将自动地把设定转速限制在界转速区之外，并在设定转速经过临界转速区时，自动地控制其快速通过临界转速区，以确保主机安全运转。

(2)最小转速限制当车令设定转速值小于主机最低稳定转速时。

为了防止主机不稳定运转或熄火停车，遥控系统将自动地把设定转速限制在主机最低稳定转速上。

(3)最大转速限制当车令设定转速值大于主机所允许的最大转速时，为防止主机超速，遥控系统将自动地把设定转速限制在主机所允许的最大转速范围内。

由于主机倒车运行工况较正车差，故有些遥控系统还设置了数值上较正车小的最大倒车转速限制。

(4)轮机长手动设定最大转速的限制在非应急运转工况下，当车令设定转速值大于轮机长手动设定最大转速的值时，遥控系统将对其车令设定转速值进行限制，以确保主机转速不超过轮机长所设定最大允许转速。

4)负荷限制
主机转速控制系统在对主机转速进行转速自动控制时，主机的供油量是由调速器根据偏差转速大小来控制的。

调速器为了把主机的转速快速调节到设定转速，有可能使主机因供油量太大而超负荷。

为此，遥控系统应对主机的供油量进行限制。

负荷限制主要包括如下几个方面：
(1)起动油量的设置若要使主机顺利且平稳地起动起来，就必须在主机起动时供给适量的燃油，为了使起动油量不受车令设定转速的影响，实现定油量起动，遥控系统在主机起动期间自动阻断车令设定转速，给出一个最佳起动转速及最大允许起动油量，以确保主机安全、平稳、可靠地起动。

(2)转矩的限制为了保证主机的安全运行，延长运行使用寿命，遥控系统一般都设置转矩限制功能，原因是主机在某一转速下运行时，如供油量过大就有可能使主推进轴的扭矩超机械负荷。

此时，遥控系统将自动地限制主机的供油量，即根据车令设定的转速或主机的实际转速给出一个相应的允许供油范围，从而将主机的转矩限制在安全的范围内。

(3)增压空气压力限制主机从低速开始加速时，油量会突然增加很多，而此刻增压
器输出的增压空气压力较低，这样就会出现油多气少的现象，导致燃烧不充分而冒黑烟。

为防止主机在加速过程中出现冒黑烟现象，遥控系统将自动地根据增压空气压力的高低来限制主机的供油量，以保证喷入汽缸的燃油充分燃烧，同时也可防止主机受热部件的过热现象。

(4)螺旋桨特性限制主机与螺旋桨的配合是按螺旋桨推进特性工作的，即功率与转速成三次方关系。

转矩与转速成平方关系，而前述的各种限制方式都是在某一负荷范围内的直线限制特性。

有的遥控系统设置了按螺旋桨的特性来限制主机的供油量，用来修正原有负荷的限制特性，使之接近螺旋桨推进特性曲线形状，以满足螺旋桨吸收功率的需要。

(5)最大油量的限制在主机供油量超出轮机长所设定最大供油量时，遥控系统将自动地将主机供油量限制在轮机长设定的最大供油量上，以实现主机的最大负荷限制。

3．安全保护及应急操纵
1)安全保护
如前所述，安全保护装置是主机遥控系统的重要组成部分，当主机重要参数越限时，它能使主机自动减速或自动停车，并发出报警信号并显示安全系统动作的原因，以保护主机的安全。

有些重要参数的安全保护值有两个：一个是自动减速值，另一个是自动停车值。

当出现安全保护装置动作且故障排除后，这时需要对故障复位才能进行起动和加速。

2)应急操纵
在应急情况下，为了保证船舶的安全需要对主机进行一些特殊的操纵，主要包括以下三个方面。

(1)机旁应急运行在主机遥控系统失灵的情况下，为了保证主机仍然继续运行，只要将主机操纵部位从驾驶台或集控室直接切换到机旁，即可实现机旁手动应急操纵。

(2)应急运行在运行中的全速换向操作一般在紧急避碰中使用，属于应急运行。

它包括应急换向、应急起动及应急加速。

应急换向指的是主机在应急换向转速下的换向。

应急起动除了采用重起动外还将自动取消慢转起动与时间起动。

应急加速主要指的是取消负荷程序进行快加速，同时还自动取消某些限制(如增压空气压力限制，转矩限制等)。

船在锚地走锚后所进行的应急起动，应急加速也是一种应急运行。

还有当安全保护系统动作后，使主机减速和停车，但从整个船舶的安全看，又不允许停车和减速，这时应采取“舍机保船”措施，取消自动减速和自动停车信号，迫使主机带病运转。

但对一些严重的故障停车信号(如主机滑油低压和超速)一般是不能强迫运转的。

有的船上只能在有自动减速信号才可采取应急运行的强迫运转方式，而对所有故障停车信号都不能采取强迫运转方式。

(3)手动应急停车当车钟手柄扳回到停车位置，由于遥控系统出现了故障，不能使主机停油，这时应按下“应急停车”按钮，通过应急停车装置使主机立即断油停车，同时发出报警。

若要重新起动主机，必需对应急停车信号进行复位，才可进行起动操作。

4．模拟试验
各种主机遥控系统几乎都设置了相应的模拟试验装置。

它主要用于显示遥控系统的运行工况，如电磁阀的状态、主机凸轮轴的位置以及起动过程等；测试和调整遥控系统的各种参数；检查遥控系统的各种功能是否正常，若有故障，可利用模拟试验来查找和判定故障部位
掌握正确的模拟试验方法对轮机管理人员来说是十分重要的。

尽管有各种各样的模拟
试验装置和多种试验方式，但其中最基本的试验方式是在主机停车时利用车钟(实际车钟或模拟车钟)和模拟转速旋钮配合操作，使遥控系统完成一系列动作。

因为遥控系统对主机的实际转速和模拟转速是没有辨别能力的，把模拟转速同实际转速同等对待。

正是利用这一点，使之达到检查遥控系统各种功能和判断故障的目的，按设计要求完成各种动作。

在用实际车钟和模拟转速的试验中，除了主机因主起动阀关闭而不能转动以外，遥控系统的各种阀和部件都可以动作。

因此，在进行模拟试验前要做好相关的准备工作。

三、主机遥控系统的分类
主机遥控系统依据所采用的遥控设备及控制手段的不同可分为五类。

1．气动式主机遥控系统
气动式主机遥控系统主要由气动遥控装置和气动驱动机构构成，并配有少量的电动元件如电磁阀和测速电路等。

它的主要特点是驱动功率大，工作可靠，结构简单、直观，便于掌握管理。

但是存在压力传递滞后的现象，因此控制距离受到限制，而且对气源要求高，气动元部件容易出现漏、堵及磨损现象。

2．电动式主机遥控系统
电动式主机遥控系统的遥控装置与驱动机构均由电动元部件构成。

它的主要特点是结构紧凑，遥控距离不受限制，控制性能好，较灵活地实现各种功能。

但执行机构的驱动功率小，对管理人员技术要求较高，电动遥控系统又可分为有触点继电器式和无触点集成电路式两种。

3．电一气式主机遥控系统
电一气式主机遥控系统的遥控装置主要由电动元器件构成，而驱动机构则由气动元件构成。

这种结构充分发挥了电动式和气动式两种遥控系统的优点，是较完善的遥控系统。

4．电一液式主机遥控系统
电一液式主机遥控系统主要由电动遥控装置与液压执行构成组成，它具有驱动功率大，可控性好，便于远距离控制等优点，但结构复杂，需设置液压油回收系统，并且容易出现漏油，渗气现象。

5．微机式主机遥控系统
微机式主机遥控系统的遥控装置是采用微型计算机，微机式遥控系统的绝大多数控制功能是由软件实现的，用软件编程实现某种功能非常灵活，而且功能强大，可靠性高，只有驱动机构采用气动或电动等部件。

近几年下水的船舶几乎全部采用微机控制，特别是基于微机原理的可编程序控制器也越来越多的应用在主机遥控系统。

第二节 主机遥控系统常用的气动阀件与气源
在遥控系统中，常用的气动阀件有逻辑元件、时序元件和比例元件。

它们工作的气压信号是由气源提供的，一般为0.7 。

一、逻辑元件
逻辑元件实际上就是开关元件。

根据某些逻辑条件．其输出端或者通气源压力信号(简称输出为1 )，或者输出端通大气 ( 简称输出为0 )。

逻辑元件包括两位三通阀、三位四通阀、多路阀、双座止回阀和联动阀。

1．两位三通阀
两位三通阀的结构原理如图
5-2-1 ( a ) 所示，图 ( b ) 是其逻辑
符号图。

它有两个位置．三个通
路：若控制端A 无信号作用，A
为0，阀芯7和动阀座5在复位
弹簧4作用下复位。

气源1被截
止，输出端2通大气3，该阀输
出为0，在逻辑符号图上相当于
下位通。

若控制端A 有作用信号，
A 为1，阀芯?连同动阀座5被压
下。

通大气端截止。

输出端2与
气源l 相通，该阀输出为l ，在逻
辑符号图上相当于上位通。

总之，
哪一位通的规律是，A 为1，是
靠近控制端A 那一位通；A 为0，是远离控制端A 的那——位通。

根据动作阀芯力的性质不同，也就是控制信号A 的种类不同，两位三通阀又可分为机械动作的、手动的、气动的、双气路控制的及电动的等，图5-2-2 ( a )、( b )、( c )、( d )、( e )分别画出了它们的逻辑符号图。