浅谈船舶电力推进自动控制系统设计

浅谈船舶电力推进自动控制系统设计

赖剑平刘树清

广东中远海运重工有限公司523000

摘要：随着科学技术的不断进步，我国的造船业的发展成飞速进步趋势，早在上世纪80年代，国外在船舶全电力推进自动控制系统的设计就有了突破性的进展。而我国的起步相对较晚。而船舶的水平是世界上各个国家造船业发展中的一个重点所在。笔者就船舶电力推进自动控制系统在设计过程中的实际要求进行分析，同时研究了系统中核心部分例如主控制柜的设计。以期为船舶的可持续进步提供一定的参考。

关键词：电力推进自动控制系统；船舶；设计

引言

电力电子学的不断进步，带动了变频调速技术水平逐渐提升，以逆变器原理为基础，晶闸管的整流技术在船舶电力推进自动系统的应用，可有效的提升船舶的运次那个效率和机动性。随着社会的不断进步，船舶电力推进自动控制系统越来越受到广大造船厂家的重视，有着广阔的发展前景。

1我国船舶电力推进自动控制系统的发展现状

笔者据2018年5月的相关报道中得知，中船重工七一二所承担的“船舶综合电力推进系统工程化技术研究”项目顺利通过工信部验收，标志着我国已经具备自主知识产权的低压、中压两个系列的船用推进变频器、推进电机、智能化控制模块等电力推进系统核心设备的供货能力。其中，核心产品推进变频器、推进电机等取得中国船级社系列化产品形式认可，填补了国内在该领域的空白。据项目负责人黎波介绍，该项目相关研究成果已在科考船、挖泥船、起重船、风电安装船、布缆船、海洋工程船、豪华游船、公务船等多船型进行30余船套实船应用。

2船舶电力推进自动控制系统设计要求

2.1船舶电力推进自动控制系统推进功能要求

因船舶电力推进自动化控制系统在船舶的应用中要和电力主推进变频控制器装置相连接，所以在设计的过程中要满足以下的设计要求。

2.1.1船舶电力推进自动控制系统操作指示功能启，停控制系统

船舶电力推进自动控制系统（简称自控系统）中要想满足船舶推进功能的要求，首先要对自控系统中关于操作指示功能的启动和停止控制系统的设计要求进行满足。自控系统在进行操作控制的过程中可在驾驶室或变频器柜进行。为了让船舶在运行过程中，同一时间内电力推进控制器只可以进行一类模式信号的输出。船舶内进行控制输出信号的变频器主要有速度，转矩及功率三种工作模式。操作指示功能的启动，停止系统可对内部的推进控制器予以连续性的调节，这样就可以以系统中的实际运行指令为基础，通过系统中的临界转速避让功能实现螺旋桨进行转速的连续调节。这样，船舶的自控系统就可以实现对运行过程中的实际状态进行指示，并实时检测变频器和电动机的实时运行状态，与此同时，当船舶内部的系统出现故障时，自控系统还可实时显示故障问题并进行预警信号的发布。

2.1.2船舶电力推进系统的连锁控制功能

船舶自控推进系统具有联锁控制功能，该功能的的实现是变频器的启动、停止控制系统运行的基础。但是在船舶自控推进系统的工作状态下，首先要对车钟“手柄不在零位”的信号予以联锁控制，这样船舶自控推进系统才可以实现在实际运行过程中一旦出现操作流程失误，及时发出声光报警信号。与此同时，船舶自控推进系统内部的的安全保护功能就会发生作用。需要注意的是，相关设计人要在驾控台设置紧急停车按钮，这样可在系统工作发生危险时，采取强制停机措施。

2.2船舶电力推进自动控制系统推进性能设计要求

船舶的螺旋桨是自控系统实现推进功能的基础，所以在进行螺旋桨的设计过程中，首先要满足其工作时的运行特性和船舶电动机的工作时的运行特性二者的频率保持一致性，这样才能保证整个自控系统运行性能的提升。但是，相关研发人员在设计过程中发现，螺旋桨在工作时的运行特性和船舶内电动机的机械特性二者的差异性极大，所以在研究设计的过程中要对螺旋桨的自由航行，反转性及系缆性三个不同的特征同时进行满足。这样就可和螺旋桨的差异性能特征的具体要求参数开始空载设计。

3船舶电力推进自动控制系统的相关内容设计

3.1主控制柜设计

图1船舶电力推进自动控制系统的组成

主控制柜的设计是整个船舶自控系统的核心部分。主控制柜主要组成部分为电源装置，和内部的转舵，推进以及助航设备三个控制器模块。其中船舶自控系统的组成详情见图1。主控制柜设计的原理详情见图2。

从图1中可见，主推进变频器和应用控制器和推进功率限制控制器分别相连接；转舵变频器和转舵回转机构及应用控制器和就地操纵板相连接。

图2主控制柜内部结构原理图

从图2中可以看出，整个自控系统都运用双总线结构。其中包含控制和仪表总线两部分。控制总线和仪表总线通信协议都采取了CAN2.0B，这种长帧格式的优势在于可以分别目的地址和原地址予以明确，同时开始选择性通信，还可以进行更多数据的传送。主控制柜内部的三个控制模块都和控制总线相连接，通过控制模块的遥控操纵板发出通信和传输或转舵的控制指令。同时，遥控操纵板的应答信号和控制权请求都是通过控制总线进行传送。

推进和转舵两个控制器模块都和仪表总线相连接，这样主控制柜就可以通过广播的形式将遥控操作板及传感器的数据信息进行反馈。同时，自动系统中的仪表模块分别和和螺旋桨的功率表，转速表和推进功率表等一系列模拟仪表相连接。主控制柜中的助航设备控制器模块也和仪表总线相连接，于上面进行转舵控制器的反馈数据接收，并输出模拟量反馈信号到船舶的自动导航设备中。

3.2推进控制器（PRC）

从图1中可以看出，PRC直接和主推进变频器相连接。其作用是控制船舶的起动，停止，对船舶的工作模式进行选择，还可以进行螺旋桨的连续转速调节，自动控制系统的应急保护等等。当主推进控制装置变频器处于升速或降速的状态中，推进控制器要对船舶传动机械进行调节，保证其处于正常运转状态，同时要控制供电的稳定性。

推进控制器当接收到全回转车钟的转速指令时，通过临界转速避让功能，可连续进行螺旋桨功率从零到满的转速调节。推进控制器要设有闭环控制功能，当对PRC进行不同参数设置时，可启动闭环控制功能。从图1中可以看出，整个自控系统中，变频器，主配电板和推进电动机作为一个整体，可以达到让船舶的发动机保持稳定荷载。“推进功率限制”控制器会以发电机的实际容量分别进行不同推进装置的负载设置。在这种情况下，当主推进器的负载需求出现了变化，PRC可发出信号给主推进控制系统，进行功率的限制。这时推进变频器就会保持在当前的功率水平直至功率限制指令取消为止。

PRC的应急保护功能主要分为两种，分别是应急停及故障转速锁定功能。当PRC收到故障信号后，将会故障信号发送给遥控操纵版。与此同时，通过转速锁定功能将转速指令锁定在故障前最后一个指令上，并不再予以更新。

4结束语

综上所述，电力推进自动控制系统的设计对船舶有着极其重要的意义，笔者就我国当前自控系统的发展现状及设计要求进行了分析，并简单的介绍了系统内部核心部分的设计方法。电力推进船舶是当前阶段世界造船业的一个发展热点，其自控系统的成功研制和应用对我国造船业的发展起到一定程度的推动作用。

参考文献：

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