數字控制技術在船舶電氣系統控制中的應用

柯洋洋 泉州海洋職業學院

國內關于基于數字控制技術的船舶電氣系統控制的研究中，探尋了船舶自主控制航行的實現實現路徑中多功能電氣自動化綜合系統建立的必要之路。盡管我國目前已經完成船舶電氣自動化基礎，但在船舶電氣自動化的相關領域中仍舊任重而道遠。國外如德國的西門子、丹麥的約克船舶等在數字控制技術的應用中已=生產出具備成熟技術的產品。而探尋數字控制技術的基本特點、三維造型控制方法、總體設計及三維實體建模來進行智能化管理船舶，對提高其運行可靠度，完成故障預先監測，降低經濟成本，保證安全操作具有重要的現實意義。

1.數字控制技術與船舶電氣系統控制概述

數字控制技術是一種通過采用專用計算機并配有接口電路，來實現多臺數控設備（多為CNC計算機數控)）動作的控制技術。船舶電氣系統控制是輪機工程專業中以提高我國船員業務水平為出發點的專業技能。在學科交互式傳輸領域，涉及船舶電機學、船舶電力拖動和船舶電站管理等多方知識，內容涵蓋電磁基本理論、變壓器、直流發電機、直流電動機、交流異步電動機、同步發電機、控制電器、電力拖動裝置、船舶電站和船舶電力系統等重要電氣設備及系統的基本結構、工作原理和運行管理等諸多項目。

2.基于數字控制技術的船舶電氣系統控制三維造型方法

船舶電氣系統控制三維造型方法主要內容涉及數字模擬集成電路系統、PLC模塊控制自動電力系統、船舶自動電站模塊控制三方面內容。其具體如表1所示。

表1 船舶電氣系統控制三維造型方法

2.1 可行性分析

船舶電氣控制設備項目可行性研究報告編制要點的相關結果中，在設計方案、設計內容、預測準確度、論證上進行了嚴密的部署。為明確研究對象，預先設計出適合船舶電氣控制的相關方案、所設計的內容真實可靠、無偏差失誤；建模資料與數據均經反復核實并極大程度地確保了設計內容的真實性；結果預測中準確地做好決策前的活動、對潛在的問題進行預測并盡力避免；論證上全面、系統的在宏觀和微觀領域進行了有效的分析。

3.總體設計及三維實體建模

3.1 需求分析

基于數字控制技術在船舶電氣系統中的應用中一次電源和輔機結構的設計，證實了船舶電氣系統閉環自動控制系統設計，對實現自動調節、規避電壓和電流的變化所產生的電氣系統影響。彌補模擬控制系統反饋技術調節電質量中受采集和電質量相關的某些參數影響導致采集難度加大等問題，從直接程度上滿足了一次電源的穩定性需求。以風機、泵機等的應用為例，船舶電氣系統設計旨在通過提升電氣系統運行效率，更好地實現電能向機械能的有效轉化；通過控制輔機結構的運行轉速，轉速隨著船舶電氣系統的需求發生改變，有效降低熱量損失。

3.2 設計平臺選擇

比較通用個人計算機—網絡為基本硬件中以AUTOCAD為基本軟件的CAD平臺從功能（技術上包括船舶信息數字化、功能模塊參數化、圖標驅動、參數繪圖等關鍵部分）、界面（操作界面即項目管理、圖紙管理、計算書生成、材料報表生成、電氣繪圖、標準圖框生成、標準符號生成、三維模型生成、數據交換以及幫助十個主界面；相關程序以及接口程序等主程序；管理數據庫和項目數據庫管理；船舶電氣設計過程中涉及產生的圖紙和文檔資料資料庫；電力一次系統圖、廣播系統圖、照明系統圖以及照明布置圖參數繪圖模塊）、通用性（采用大規模超大規模專用集成電路、可編程邏輯器件、采用MC...模塊化設計，各模塊之間的電氣連接通過設備的配電條實現一次電源的供電）、維護性、擴充性、價格、易學性、易用性、二次開發等方面對各種軟、硬件平臺，成為當前最適合我國艦船電氣系統CAD的工作平臺。

3.3 設計流程

船舶電氣控制中數控技術的應用流程為形成信息、集成信息、構建數據庫三方面內容。其中數字信息模型信息的形成主要為設計過程、設計任務、電氣功能模塊、其他專業設計信息任務、資源、約束、條件、結果等內容。系統設計運行參數中的一般參數、渦輪參數、總體參數等復雜信息進行有效整合。信息集成中對船舶電氣產品信息、設備管理流程和數據流信息三模塊。優化數據庫方法如公式和軟件并適度調整、積極改進，形成一個規范的施工技術文本和電氣規范，提高整個海洋電氣智能設計的標準化，降低設計成本，提高數字信息建立模型的有效性。

3.4 建模和分析

以船用主機遙控系統-山東航海電器為例，主要應用MGAUSHU/ERC型（氣電混合式）船用主機遙控系統來實現船舶主推進裝置遠距離操縱。設計采用模塊化、網絡化設計，廣泛應用于船用柴油機調試和齒輪相換向控制，達到了預期控制效果。

主要技術參數：電源：AC220V/50HZ或60HZ，DC24V互為備用；氣源：干凈0.75Mpa；膜片執行器最大位移0-15mm；膜片執行器最大工作壓力0.6Mpa；工作模式：開環/閉環；程序換向時間；0-25S可調；失氣報警：＜0.4Mpa。

3.5 模型優化

三維設計中，考慮主要部件采用進口器件；根據實際需要現場選擇，無級調速和有機調速合一，操縱器手柄位置在線設置；現場根據主機實際情況任意設置，檔位轉速能滿足多機運行時可達到各檔位轉速一致；在現場設置主機加速時間、換向時間、脫排、合排；優化選擇閉環控制、開環控制；發揮單手柄實現逐級調速、脫排、換向、合排等功能；當齒輪箱工作油壓低于某一值時，遙控系統自動使主機降至空車轉速，避免對機器造成損傷；純電式遙控系統與氣電混合式遙控系統除執行機構不同外，均具有高度模塊化、標準化；自動避開臨界轉速，通關設置與柴油機工作保持在同一范圍內；控制箱用導線連接駕駛室、集控室及機旁，機旁控制箱與主機調速器間由電信號轉經E/P轉換器轉換為氣的信號，經薄膜執行氣缸和主機調速手柄連接。

4.結語

上文針對船舶電氣設備及系統設計效率不高的問題，介紹了數字控制技術，分析了數字控制技術在船舶電氣設備及系統設計中的可行性，提出了應用數字控制技術設計船舶電氣設備及系統的流程，并對在船舶電氣設備及系統主要零部件的三維造型方法進行了探討。著重在總體設計及三維實體建模中富系統設計需求進行了分析，還就平臺選擇、設計流程、主要零件建模和分析、模型優化進行了分析，以為船舶電氣設備及系統設計成效最大化提供可行性借鑒。