船用双燃料主机的控制系统研究与应用核心探索

船用双燃料主机的控制系统研究与应用核心探索

王华路

大连中远海运川崎船舶工程有限公司  辽宁省大连市  116052

摘要：本文对于船用双燃料主机基本功能与组成展开分析，并且对于船用双燃料主机控制系统应用要点展开分析，包括控制器硬件电路、传感器设计、电控系统控制部件、PLC监控软件、组态软件设计等，以此来提高船用双燃料主机控制系统运行稳定性，减少不合理的资源损耗。

关键词：双燃料主机；硬件电路；控制系统

从目前的发展情况来看，以LNG（液态天然气）为燃料的船用双燃料柴油机逐渐成为主要发展方向。为了提升双燃料主机运行状态的稳定性，需开发稳定可靠的控制系统，针对传感器反馈数据及时采取可靠措施来调试船用双燃料主机运行参数，从而维持系统运行状态的稳定性，降低突发问题的发生概率。

1船用双燃料主机基本功能与组成

1.1基本功能

在船用双燃料主机运行过程中，其需要具备的基本功能如下：（1）系统在运行中需要满足低排放要求，以此来减少能源损耗总量，提升系统运行过程的节能性。（2）保持较高运行效率，通过LNG和柴油交叉使用，可以继续维持系统稳定地运行效率，保证船舶运行状态的稳定性。（3）带来较高的经济效益，LNG的经济成本相对较低，适当调控LNG与柴油混合比例，可以降低双燃料主机运行时的综合成本，维持稳定的工作状态。（4）实现实时调节，在PLC控制系统应用背景下，可以根据采集数据动态调整系统运行参数，从而提高主机运行状态的稳定性。

1.2主要组成

从目前的使用情况来看，双燃料主机控制系统在应用中，是由软件与硬件设施构成，其中软件系统包括PLC监控软件、组态软件等，而硬件设施则包含硬件电路、各类传感器、多种类执行器等，不同软硬件所承担的功能存在不同，从而形成稳定的控制系统，提高控制结果的合理性。

2船用双燃料主机控制系统应用要点

2.1控制器硬件电路

在对控制器硬件电路进行设计时，所包含模块和功能如下：（1）中央处理单元ECU，此模块在应用中的主要功能包括控制燃气喷射精度、对点火提前角进行调整、动态修正喷气参数、基于实际情况切换燃料类型与比例等，以维持主机运行状态的稳定性。（2）电源电路模块，作为主要的供能模块，主要的工作内容是为设备提供稳定电能。具体设计中除设置常规电源外还增设UPS系统，保证控制系统持续工作状态。（3）通信电路模块，该模块在应用中属于串行ECU及执行器之间的重要桥梁，为了维持系统运行稳定性，可使用RS485总线来建立通信系统，从而满足系统稳定运行要求。（4）信号采集电路，该模块的主要工作内容，是对温度数据、压力数据、振动数据等参数进行采集，按要求将其转换为数字信息外，录入到计算机中后对其进行储存、处理、显示等，这样也可以保持系统处于稳定运行状态，带来良好的经济效益。

2.2传感器设计

在船用双燃料主机控制系统设计活动中，传感器属于重要的组成内容，其主要作用是对系统运行期间的各类信息进行采集，随后按照特定规律将其转换为电信号或数字信号对外进行输出，以便后续数据处理活动的顺利进行。从目前的使用情况来看，经常使用的传感器类型有转速传感器、温度传感器、压力传感器、光感应监测传感器等，各类传感器分别负责采集转速、温度、压力、光感等参数，便于后续调控活动的有序进行。以转速传感器为例，按要求将其安装到飞轮壳表面，随后借助测量机组来对转速数据进行整理，传感器安装方向需要和飞轮圆周切线保持垂直关系，过程中也需要将安装间隙控制在1.0mm以内，对其进行紧固处理，避免出现损坏问题，保证所采集数据的精准度与稳定性。而所使用传感器类型为电磁式，从而保证所采集信息的时效性，提升系统运行状态的稳定性。

2.3电控系统控制部件

在电控系统控制部件的设计中，主要包含以下内容：（1）LNG喷嘴，该部件作为主要控制部件，其性能也将直接影响到LNG喷射质量，同时在系统设计中也需要满足以下要求：①维持流量特性稳定性，为确保气体燃料供给稳定性和持续性，需要将LNG喷嘴流通截面面积控制在合理范围，以保证流量供给稳定性。②响应时间应维持在较小状态，保持喷嘴运行状态的动态性，提高系统整体的运行品质。③所使用LNG喷嘴应具有良好性能，包括安全性、可靠性、耐久性、耐热性等，以延长喷嘴的使用寿命。⑤契合船舶的电气要求，维持其运行状态的稳定性。（2）齿条执行机构，在实际应用中，该结构响应速度与精度都会影响到调速器性能，因此在实际设计中，需要对齿条静态力矩进行合理化控制，减少主机振动带来的直接影响。而且所设计结构也需要根据负载波动动态调整转速，以维持整个系统运行状态的稳定性[1]。

2.4系统执行器

2.4.1工作原理及作用

系统执行器的工作原理基本相近，以电动执行器为例，其具体的工作原理如下：利用系统中所设置接收调节器和其他仪表来采集电信号数据，包括电流信号、电压信号等，在经过控制系统完成信号处理后，会向执行器下达处理指令，这些指令会指导执行器来调整位移推力、转角力矩等参数，实现系统的稳定运行。设置执行器的主要作用在于，执行器在接收到调节器下达的指令信号后，会通过执行机构转换成相应的位移信号，根据该信号来对调节信号进行操作，对于被控对象进口能量、出口能量、物料参数进行整理，从而实现整个系统运行过程的动态控制，维持系统运行状态的安全性与稳定性。

2.4.2具体分类

基于执行器工作能源的差异性，可以将其细分为以下几类：（1）电动执行器，此类执行器在应用中会将电能作为主要动力来源，其在应用中可以非常便捷的获取相关能源，操作过程的动作较快，而且还可以在PLC软件辅助下实现远距离操作，通常情况下，在应用中会和数字装置搭配在一起进行使用，属于目前常用的执行器类型。（2）气动执行器，此类执行器在应用中，会将压缩空气作为主要动力来源，在实际应用中具有结构简单、执行动作稳定性高、安全性能良好等优势，在双燃料主机控制系统中也有着良好应用，但是执行器的传输距离相对有限，在150m以内均具有良好应用效果。（3）液动执行器，此类执行器在应用中，会将液压动力作为主要动力来源，较少应用在双燃料主机控制系统中。

2.5PLC监控软件

在此次PLC监控软件的设计中，需注意以下内容：（1）PLC系统硬件设计，在对PLC 实际硬件进行设计时，可以依据STEP 7编程软件来对PLC 硬件系统展开设计，其内容也涉及电源模块、CPU 模块、I/O 信号模块、通信模块（如CP 343-1等）、通讯模块（如IM 153-2等）等内容，在应用中根据实际情况将其安装字啊对应位置，从而得到和真实系统相一致的PLC硬件系统，确保整个系统运行状态的稳定性。（2）进行软件系统设计，也可利用STEP 7编程软件进行设计，在软件运行过程中的具体步骤如下：在CPU操作系统运行中，会根据采集到的反馈数据，来对目前主机工作状态进行整理，根据最终的评价结果，判断系统运行状态的稳定性与合理性。如果程序运行时出现了中断问题，此时控制系统会重新对主程序进行扫描，并在中断服务程序完成运行后，重新恢复对主程序的扫描，从断点位置继续执行剩余内容，得到完整数据。需要注意的是，在系统运行时会将数据采集间隔控制在500ms以内，并且利用PID 控制器来对主机参数进行控制，以维持主机运行状态的稳定性[2]。

2.6组态软件设计

除上述提到的相关内容外，在实际应用中也需要做好组态软件设计，一般情况下会使用Win CC 组态软件来维持整个系统的稳定性。而该系统在运行时也具有以下特性：（1）具有良好的通用性，所使用到的SIMATIC Win CC 在应用中可以适应许多领域，以满足系统稳定要求。（2）在 Win CC 应用中，也可以顺利完成各类控制与监控任务，而所有记录数据也会采取完整显示或简单显示的途径进行展示。（3）能够完整模拟双燃料主机系统的工作流程，对于现场设备与管道运行状态进行展示，以指导后续相关活动的稳定运行。（4）可以对系统现场运营数据进行实时采集，数据整理结果也会以报表的方式进行存储和打印，便于后续相关活动的进行。（5）依托软件建立访问系统，合理设置不同人员的访问权限，确保所有传递信息的安全性[3]。（6）能够自动记录相关事件，并且根据整理结果及时提供预警信息与查询功能，从而提高系统运行状态的稳定性与安全性。

结束语

综上所述，在船舶运行过程中，双燃料主机控制系统运行稳定性，也将直接影响到船舶的安全性与经济性。对此，在实际应用中需要做好双燃料主机控制系统优化设计，细化系统当中的相关内容，从而积累有价值的应用经验，不断提高控制系统运行状态的稳定性，保持船舶工作状态的可靠性。

参考文献

[1]符温馨.船用双燃料主机的控制系统研究与应用[J].珠江水运,2020(21):34-35.

[2]夏建光,余志利.船舶温室气体减排对主机的影响分析[J].柴油机,2020,42(02):1-7+20.

[3]朱振活.双燃料主机缸套水冷却系统优化设计[J].船舶标准化工程师,2020,53(01):56-61+67.