船舶主機控制系統課程教學方法探究

◎ 韋瑞棉 北部灣大學海運學院

《海船船員考試大綱》（2022版）[1]已經正式生效，新大綱對750kW及以上船舶電子電氣員適任理論考試“船舶機艙自動化”科目中推進控制系統要求船舶電子電氣專業畢業生熟悉掌握如下內容：主推進控制系統的分類、組成及功能，啟動、換向和制動控制邏輯，轉速與負荷控制，典型數字調速系統組成及工作原理，典型安全保護系統組成及工作原理，電/氣（E/P）轉換器、電/液（E/H）轉換器的工作原理，典型主機遙控系統結構、各個組成單元的功能，變距槳的特點、變距槳主機控制系統的組成、變距槳主機遙控系統的控制方式，低速大功率電噴柴油機控制系統的組成、功能及重要參數的設置。

參照2022版大綱，船舶主機控制系統課程教學在內容和要求上有一些區別，對該課程的教材選擇、授課進度以及教學方法進行探究。

1.船舶主機控制系統課程概述

1.1 以柴油機基礎和柴油機的基本結構作為課程導入

《船舶主機控制系統》是船舶電子電氣專業的核心專業課，其先修課程為電路原理、模擬與數字電子技術、電機學、自動控制原理和測試與傳感技術。與輪機工程專業不同，船舶電子電氣專業沒有主推進動力裝置這門課程，即學生對船舶主機知之甚少。任課教師需要把船舶主機和控制系統按先后順序進行講授，讓學生掌握柴油機基礎和柴油機的基本結構之后，才能更好地引入控制系統，最后形成船舶主機控制系統的完整教學。

1.2 主機遙控系統在輪機自動化中的重要地位

主機遙控系統不僅能改善輪機人員的工作條件，改善船舶的操縱性，而且還能提高船舶航行的安全性以及主機工作的可靠性和經濟性，是輪機自動化的重要組成部分，也是現代船舶實現無人機艙必不可少的條件之一[2]。船舶電子電氣員掌握船舶主機控制系統的工作原理，熟悉控制系統的布置、系統外圍設備和各I/O的安裝位置，才能更好地對該系統進行維修、維護和管理工作。

2.船舶主機控制系統課程教學所面臨的問題

《海船船員考試大綱》（2022版）規定的內容，在課程學時少的情況下，要把船舶主機控制系統課程講好難度不小。不同遠洋船舶在使用的主機生產廠家和柴油機型號各不相同，船舶主機控制系統各異，內容繁多。對于沒有校船的海事院校，無法在學生入學之后安排上船進行認知實習，學生對船舶知之甚少，對船舶主機更是一無所知。主機遙控系統的邏輯控制是船舶主機控制系統的難點，學生往往在學習該部分內容時感覺非常吃力。現有專業教材無法完全覆蓋新的考試大綱的要求。

3.船舶主機控制系統教學方法探究

3.1 合理分配各主要知識點的學時和教學方法

目前，很多學校船舶主機控制系統課程設置成64學時，其中理論教學48學時，實踐教學12學時，實訓環節4學時。在64學時的總課時不變情況下，根據各知識點的難度和廣度不同，在課程開課之前制定出教學計劃表，如表1所示。在授課過程中，嚴格按照課時計劃進行，由淺到深，循序漸進，由具體到抽象，讓學生在潛移默化的學習進程中掌握到本課程的專業知識；最終達到事半功倍的教學效果。

表1 船舶主機控制系統的教學大綱設定

3.2 不同的主機生產廠家、主機型號，選用的控制系統各有不同

目前，國內常見的船舶主機生產廠家是滬東重機、大連柴油機廠和宜昌柴油機廠，國外主要船舶柴油機生產廠家有：Win GD公司，MAN B&W公司等。船舶主機控制系統國內外常見品牌：

國內主機控制系統常見品牌：上海駟博，錦州航星。

國外主機控制系統常見品牌：挪威Kongsberg AutoChief系列，日本Nabtesco Nabco系列，德國SAM SAM-Lyngso系列。

典型船舶主機控制系統AutoChief系列的發展歷程：第一代和第二代產品為1967年—1988年AutoChief Ⅰ&Ⅱ，主要以TTL邏輯電路、繼電器邏輯電路和模擬電路為核心；第三代產品為1979年—1994年Auto Chief Ⅲ，主要以C-Mos邏輯電路和模擬器電路為核心；第四代產品為1991年—2006年AutoChief 4&7，主要以模塊化的微處理器及現場總線為核心；第五代產品為2004年AutoChief（AC C20），以嵌入式系統為核心，在AutoChief 4的基礎上進行了進一步革新，HMI系統界面更加友好。第六代產品為2013年AutoChief C600（AC C600），AC C 6 0 0 在AC C 2 0 的 基 礎 上 融入了Touchscreen Operation，Touchscreen Technical實現了輸入設備、輸出設備共用一個屏幕的功能；觸摸屏界面、菜單及其導航功能更加實用、直觀。

“基于現場總線的主機控制系統”知識點教學過程中，以AutoChief C600控制系統為講課重點，引導學生觸類旁通，以便在今后實船工作中靈活、快速地學會其它類型的主機控制系統，真正做到學以致用。AC C600是一種集控制、報警和安全保護于一體的綜合推進控制系統。它采用分布式模塊化設計，DPU（Distribution Processor Unit）模塊采用標準化設計，模塊之間通過雙冗余CAN總線互聯。

如圖1所示是AC C600主機遙控系統標準結構框圖，AC C600是與MAN B&W ME系列船舶智能柴油機相配套使用，即主機生產廠家根據特定的柴油機型號選用合適的主機控制系統，最終達到控制系統與控制對象完美結合。

圖1 AC C600主機遙控系統標準結構框圖

3.3 走進實驗室，通過實踐加深課程學習

傳統海事院校歷史悠久，資金雄厚，學校擁有自主經營、自負盈虧的遠洋船舶校船，供海上專業學生上船進行認知實習的條件，這對大三安排的《船舶主機控制系統》教學提供先導知識，學生更加容易理解。非傳統海事院校由于沒有校船，需要充分利用實驗室的現有條件，引導學生通過實踐課快速學習柴油機的相關知識。“柴油機的基本結構”教學內容以實際操作為主，帶領學生走進實驗室，指導學生使用各種機器拆裝工具，讓學生親自動手拆開一個柴油機的氣缸蓋、曲軸箱道門，同時一一講解相關組件，通過實踐課讓抽象的教材知識變得立體、生動、具體起來，便于學生理解并掌握。圖2所示是實驗室船舶主機實物。

圖2 實驗室船舶主機實物

燃燒室部件是柴油機中最重要的部件，包括活塞組件、氣缸蓋組件和氣缸組件。當活塞處在上止點時，由氣缸蓋底面、氣缸套內表面及活塞頂共同組成的燃料與空氣混合燃燒的這一空間稱為燃燒室[3]。

柴油機的主要運動部件是曲柄連桿機構，主要包過連桿和曲軸。曲柄連桿機構的作用是將活塞的往復運動轉換成回轉運動，并通過曲軸驅動負載輸出動力。曲軸的作用是把活塞的往復運動通過連桿變成回轉運動；把各缸所做的功匯集起來向外輸出、同時驅動柴油機的附屬設備如機帶泵等。

3.4 耐心講解課程中的難點

主機遙控系統的邏輯控制是船舶主機控制系統的難點，需要耐心講解，舉一反三，把復雜的邏輯表達式每一個元素分開解釋清楚，最后通過與、或、非最簡單的邏輯運算連接起來，在理解的基礎上對知識點進行記憶。

主機起動準備邏輯條件的邏輯表達式為：

YSC=TG·MV·PA·PC·PL·ES·PS·T S·ST·F3·TM·NI

YSC=1，表示滿足起動準備邏輯條件；YSC=0，表示不滿足起動準備邏輯條件，不能對主機進行起動。把等式右邊每個輸入信號用縮寫字母表達的英文詞匯根據其意義逐一還原出來，并進行耐心地解釋，結合先導課程數字電子技術中的邏輯運算，讓學生把學過的知識融會貫通到本課程中來。

TG，Turning Gear，盤車機脫開信號；

MV，Main starting Valve，主起動閥位置信號；

PA，starting Air Pressure，起動空氣壓力信號；

PC，Control air Pressure，控制空氣信號；

P L ，L u b r i c a t i o n o i l Pressure，滑油壓力信號；

ES，Electrical Switch，遙控系統電源信號；

PS，Position Switch，操縱部位轉換信號；

TS，Simulation Test，模擬試驗開關位置信號；

ST，fault Stop，故障停車復位信號；

F 3，three time starting Failure，三次起動失敗信號；

TM，starting Time limit，起動限時信號；

NI，turn speed of engine Igniting，發火轉速邏輯鑒別信號。

最后，用如下表達式把上面復雜的邏輯運算連接起來，有利于掌握和理解：

Starting Condition=（Turning Gear）·（Main starting Valve）·（starting Air Pressure）·（Controlair Pressure）·（Lubrication oil Pressure）·（Electrical Switch ）·（ Position Switch）·（Simulation Test）·（not fault Stop）·（not three time starting Failure）·（not star ting Time limit）·（turn speed of engine Igniting）.

3.5 優化課件，適應《海船船員考試大綱》（2022版）的要求

《海船船員考試大綱》（2022版）對船舶主機控制系統課程要求的考核內容中，現實中很難找到一本完全覆蓋新大綱的規定；在給學生預定最合適的教材之后，需要對先前的教學課件進行優化和增添選定教材里沒有的考核內容，讓教學內容更加充實、豐滿。

3.6 利用輪機模擬器進行仿真教學

輪機模擬器是各海事院校對高級船員進行培訓的重要設備，仿真了機艙監測報警系統和船舶主機遙控系統。安排4學時的實訓環節，帶學生進入輪機模擬器實驗室，把船舶主機遙控系統中的控制與報警功能、菜單和文本進行現場分析與問答，讓學生具備對主柴油機控制系統常見故障的分析判斷及排查處理能力。在輪機模擬器上，學會船舶電控柴油機的備車、啟動、完車；掌握船舶電控柴油機的日常管理；熟悉船舶電控柴油機的參數設定和修改；掌握船舶主柴油機啟動后的參數調整與監測、掌握船舶主柴油機定速后的維護與管理。

4.結語

在《海船船員考試大綱》（2022版）實施生效之后，各海事院校對學生的實踐能力培養慢慢重視起來，主要體現在教學理念要與時俱進，學生能力培養與社會需求相適應。船舶電子電氣專業本科教育重點培養為遠洋船舶服務的應用型人才，船舶主機控制系統作為一門實踐性很強的專業核心課程，需要合理分配課時，加強實驗室實踐環節的教學效率，讓學生做到學以致用。