某船機(jī)旁雙機(jī)并車控制箱設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊亞男 趙繼權(quán) 薛小衛(wèi)

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 上海 200129）

0 引 言

船用柴-柴聯(lián)合主動(dòng)力裝置是由2 臺(tái)或多臺(tái)柴油機(jī)通過傳動(dòng)裝置、軸系共同驅(qū)動(dòng)1 個(gè)螺旋槳而構(gòu)成的聯(lián)合動(dòng)力裝置[1]。在四機(jī)雙槳聯(lián)合動(dòng)力裝置中，通過采用單軸/雙軸、單機(jī)/雙機(jī)每軸形成多種組合運(yùn)行模式，可以滿足船舶在不同運(yùn)行工況下的推進(jìn)性能需求，實(shí)現(xiàn)較高的機(jī)動(dòng)性和生命力。目前國(guó)內(nèi)該類型動(dòng)力裝置配置的監(jiān)控系統(tǒng)主要為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的“I 類控制”：即主推進(jìn)裝置的設(shè)備與系統(tǒng)需裝有控制、監(jiān)測(cè)報(bào)警和安全系統(tǒng)，主推進(jìn)裝置由駕駛室及集控室的控制站進(jìn)行遙控和自動(dòng)控制，在機(jī)旁進(jìn)行手動(dòng)控制。當(dāng)駕駛室控制站遙控時(shí)，集控室控制站應(yīng)配備人員值班監(jiān)視[2]。

隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展和其在船舶行業(yè)的廣泛應(yīng)用，使用方對(duì)主推進(jìn)裝置機(jī)艙本地操作的自動(dòng)化程度要求也越來越高，要求本地具備自動(dòng)并車、集中控制顯示等功能，而在進(jìn)口設(shè)備應(yīng)用過程中，會(huì)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品功能無法滿足使用要求的情況。如MTU 公司與MAN B & W公司的主機(jī)遙控系統(tǒng)[3]，僅能實(shí)現(xiàn)集控室與駕駛室控制站的自動(dòng)控制功能，機(jī)艙本地控制則需通過主推進(jìn)裝置自帶的機(jī)旁控制箱實(shí)現(xiàn)（僅為分散在主機(jī)、齒輪箱和調(diào)距槳旁的手動(dòng)控制）。由于進(jìn)口設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，接口和功能修改難度較大，故如何能在上述標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主推進(jìn)裝置的本地自動(dòng)并車功能，尚需研究一種修改量少且可操作性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)修改方案

1.1 主推進(jìn)裝置原有本地監(jiān)控設(shè)施簡(jiǎn)介

1.1.1 設(shè)施組成

某船采用四機(jī)雙槳聯(lián)合動(dòng)力裝置，每套主推進(jìn)裝置分別由2 臺(tái)MTU 柴油機(jī)、2 個(gè)蓋斯林格聯(lián)軸器、2 套蓋斯林格軸裝置、2 個(gè)VULKAN 聯(lián)軸器、1 臺(tái)雙機(jī)并車齒輪箱、1 套軸系和1 套KAMEWA 可調(diào)距螺旋槳系統(tǒng)組成，其布置簡(jiǎn)圖見圖1。同軸系的2 臺(tái)柴油機(jī)分別布置在前、后主機(jī)艙，同機(jī)艙2 臺(tái)主機(jī)分舷布置，齒輪箱布置在齒輪箱艙。

圖1 某船主機(jī)、齒輪箱布置簡(jiǎn)圖

主機(jī)遙控系統(tǒng)采用德國(guó)MTU 公司的RCS-5 系統(tǒng)，機(jī)艙本地的主推進(jìn)裝置監(jiān)控設(shè)施組成及構(gòu)架如圖2 所示[4]，包括主機(jī)遙控系統(tǒng)的齒輪箱監(jiān)控單元、調(diào)距槳監(jiān)控單元、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network, CAN）總線網(wǎng)絡(luò)，而主機(jī)、齒輪箱均自帶機(jī)旁控制箱，調(diào)距槳液壓泵站單元自帶應(yīng)急控制板。

圖2 MTU 機(jī)艙本地主推進(jìn)監(jiān)控設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架圖（修改前）

以上本地監(jiān)控設(shè)施通過現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，并通過網(wǎng)關(guān)接入上層現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)與各遙控控制站的通訊。

1.1.2 設(shè)施功能及不足

機(jī)艙本地原有監(jiān)控設(shè)施的主要功能見表1，每個(gè)設(shè)備的功能都相對(duì)獨(dú)立且操作位置分散。這種設(shè)計(jì)對(duì)于所有主機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳液壓?jiǎn)卧荚? 個(gè)主機(jī)艙的配置來說，尚可滿足本地手動(dòng)操作要求，但對(duì)于如圖1 所示的隔艙設(shè)計(jì)（前主機(jī)艙-齒輪箱艙-后主機(jī)艙），就存在明顯不足：一方面，同軸系2 臺(tái)主機(jī)和齒輪箱的機(jī)旁控制箱分別在前、后主機(jī)艙和齒輪箱艙，手動(dòng)同步并車操作復(fù)雜，且負(fù)荷分配實(shí)現(xiàn)難度大；另一方面，機(jī)艙本地除了備車完車、維護(hù)維修等作業(yè)外，一般是在應(yīng)急情況下操作，此時(shí)主推進(jìn)裝置的操作和運(yùn)轉(zhuǎn)效率至關(guān)重要。因此，在機(jī)艙本地實(shí)現(xiàn)遙控系統(tǒng)部分重要自動(dòng)控制功能（例如自動(dòng)同步并車、自動(dòng)負(fù)荷限制和重要信息集中顯示）非常必要。

表1 機(jī)艙本地主推進(jìn)裝置監(jiān)控設(shè)施功能簡(jiǎn)表（修改前）

1.2 系統(tǒng)修改方案

MTU 主機(jī)的機(jī)旁控制箱為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，其接口、功能均無法修改，想要實(shí)現(xiàn)機(jī)旁自動(dòng)雙機(jī)并車功能，只能通過增加新設(shè)備的方法來實(shí)現(xiàn)。但新增功能型模塊和軟件所需的設(shè)計(jì)及被船級(jí)社認(rèn)可的時(shí)間較長(zhǎng)，根本無法滿足該船的設(shè)計(jì)建造周期，因此只能在原有系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和功能模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該船主機(jī)遙控系統(tǒng)的原控制層級(jí)是駕駛室控制站（遙控）、集控室控制站（遙控）和本地監(jiān)控設(shè)施這3 級(jí)層級(jí)，其核心控制單元的遠(yuǎn)程接口模塊（remote interface module, RIM）布置在集控室控制站的集控臺(tái)，主機(jī)轉(zhuǎn)速與調(diào)距槳螺距指令的給定、雙機(jī)并車負(fù)荷分配、自動(dòng)負(fù)荷限制和控制權(quán)限轉(zhuǎn)換等功能均由RIM 實(shí)現(xiàn)。因此，如果在系統(tǒng)原有遙控控制站層級(jí)中再增加1 級(jí)機(jī)艙本地“遙控”控制站，并將該控制站的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為高于集控室和駕駛室控制站，可實(shí)現(xiàn)在機(jī)艙直接從集控室或駕駛室取得主推進(jìn)裝置的控制權(quán)；同時(shí)為確保機(jī)艙控制站優(yōu)先級(jí)及其功能的可靠性，將控制單元RIM 由集控臺(tái)移至該控制站，實(shí)現(xiàn)在其他控制站失效情況下，機(jī)艙控制站的控制和保護(hù)功能仍然有效。

上述方案不涉及功能型模塊的增加，而MTU 主機(jī)遙控系統(tǒng)軟件中有“控制站優(yōu)先級(jí)設(shè)置”這一選項(xiàng)，可以在如下頁表2 所示的表格中，通過填入優(yōu)先級(jí)序號(hào)等來便捷地設(shè)置控制站優(yōu)先權(quán)。系統(tǒng)的硬件功能模塊和軟件邏輯沒有修改，因此不需要重新進(jìn)行船級(jí)社型式認(rèn)可,也較容易被設(shè)備供應(yīng)方接受。

表2 MTU 主機(jī)遙控系統(tǒng)控制站優(yōu)先級(jí)設(shè)置表

2 機(jī)旁雙機(jī)并車控制箱設(shè)計(jì)

主機(jī)遙控控制站常規(guī)設(shè)計(jì)為控制臺(tái)形式，國(guó)內(nèi)主推進(jìn)裝置的監(jiān)控設(shè)計(jì)也因國(guó)產(chǎn)主機(jī)通常無機(jī)旁控制箱，由遙控系統(tǒng)配置主機(jī)機(jī)旁控制臺(tái)。考慮到該船主機(jī)的布置特點(diǎn)和功能需求，采用控制箱的形式更有利于在機(jī)艙有限的空間內(nèi)靈活安裝和便捷操作；并且考慮到應(yīng)急工況下主推進(jìn)裝置的安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，主機(jī)自動(dòng)負(fù)荷限制功能和調(diào)距槳后備控制功能也需兼顧。因此，最終按表3 開展機(jī)旁雙機(jī)并車控制箱的功能設(shè)計(jì)。

表3 機(jī)艙本地新增主機(jī)雙機(jī)并車控制箱功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)表

2.1 功能設(shè)計(jì)

2.1.1 自動(dòng)同步并車功能

自動(dòng)同步并車的功能設(shè)計(jì)要求為：當(dāng)操作指令要求由“單機(jī)/單軸”變?yōu)椤半p機(jī)/雙軸”時(shí)，遙控系統(tǒng)能自動(dòng)將未接排的主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為可匹配已接排主機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后發(fā)出離合器接排命令；接排成功后，由遙控系統(tǒng)實(shí)施主機(jī)功率平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，并在雙機(jī)并車運(yùn)行時(shí)保持功率平衡。當(dāng)指令要求由“雙機(jī)/雙軸”變?yōu)椤皢螜C(jī)/單軸”時(shí)，遙控系統(tǒng)能自動(dòng)將待解列主機(jī)的負(fù)荷平穩(wěn)轉(zhuǎn)移至相應(yīng)的工作主機(jī)；負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移后，系統(tǒng)發(fā)出離合器脫開命令并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解列。[5-6]

2.1.2 自動(dòng)負(fù)荷限制功能

自動(dòng)負(fù)荷限制功能設(shè)計(jì)要求為：在機(jī)旁的遙控分控模式下，主機(jī)負(fù)荷一旦達(dá)到主機(jī)的轉(zhuǎn)速-燃油扭矩限制線，遙控系統(tǒng)將自動(dòng)生成減小螺距的指令，使主機(jī)油門限制在扭矩限制線下，以防主機(jī)因扭矩限制而轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷低于扭矩限制線時(shí)，遙控系統(tǒng)自動(dòng)生成指令并將螺距恢復(fù)到所需螺距，即遙控系統(tǒng)能按主機(jī)的負(fù)荷限制曲線，始終保證主機(jī)在負(fù)荷安全區(qū)運(yùn)行[7]。

2.1.3 分控控制功能

分控控制功能是指遙控系統(tǒng)分控模式下的半自動(dòng)控制功能。在聯(lián)控模式下，遙控系統(tǒng)根據(jù)復(fù)合車鐘操縱手柄位置，按照預(yù)設(shè)的聯(lián)控曲線發(fā)出主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距指令，自動(dòng)控制主推進(jìn)裝置運(yùn)行；在分控模式下，主機(jī)轉(zhuǎn)速給定及螺距給定等都由操作人員控制，通過主機(jī)增速/減速、離合器接合/脫開、螺距增加/減少等按鈕控制主推進(jìn)裝置運(yùn)行，并且自動(dòng)負(fù)荷限制功能以及雙機(jī)并車時(shí)的功率平衡控制仍然必須有效。

2.1.4 調(diào)距槳后備控制功能

原系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，調(diào)距槳后備控制功能僅設(shè)置在駕駛室控制站和調(diào)距槳液壓?jiǎn)卧獧C(jī)旁。該功能在調(diào)距槳閉環(huán)控制系統(tǒng)失效的情況下使用，此時(shí)螺距控制指令為開關(guān)量信號(hào)，直接控制調(diào)距槳液壓?jiǎn)卧y組；螺距控制由隨動(dòng)控制變?yōu)榉请S動(dòng)控制，操作時(shí)必須通過實(shí)時(shí)觀察螺距表來達(dá)到所需螺距。

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

完成功能設(shè)計(jì)后，還需進(jìn)一步明確控制箱的人機(jī)界面形式和內(nèi)容，才能為設(shè)備方進(jìn)行控制箱施工設(shè)計(jì)提供充分的設(shè)計(jì)輸入。控制箱的設(shè)計(jì)以“安裝空間小、操作簡(jiǎn)單直觀”為原則，人機(jī)界面按應(yīng)急操作等級(jí)要求設(shè)計(jì)為“硬按鈕+儀表”形式，其面板布置、面板詳圖分別如圖3 和圖4 所示，包括主機(jī)轉(zhuǎn)速控制面板、齒輪箱離合器接排/脫排控制面板、分控模式調(diào)距槳控制面板、調(diào)距槳后備控制面板、本機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速表、同軸主機(jī)轉(zhuǎn)速表、本軸轉(zhuǎn)速表和調(diào)距槳螺距表等。

圖3 機(jī)旁雙機(jī)并車控制箱布置總圖

圖4 雙機(jī)并車控制箱控制面板詳圖

3 實(shí)船應(yīng)用

3.1 實(shí)船布置安裝

實(shí)船應(yīng)用上述技術(shù)方案后，該船機(jī)艙本地主推進(jìn)監(jiān)控設(shè)施組成和構(gòu)架如圖5 所示。

圖5 機(jī)艙本地主推進(jìn)監(jiān)控設(shè)施組成構(gòu)架圖（修改后）

根據(jù)機(jī)艙站位需求，在每臺(tái)主機(jī)的機(jī)旁設(shè)置1臺(tái)雙機(jī)并車控制箱，其中同一軸系2 臺(tái)控制箱的面板操作功能相同，可以實(shí)現(xiàn)在前或后主機(jī)艙控制同軸系主機(jī)雙機(jī)并車和調(diào)距槳的后備控制功能。遙控系統(tǒng)控制單元RIM 為每軸1 只，由集控臺(tái)內(nèi)分別移至1 號(hào)雙機(jī)并車控制箱和3 號(hào)雙機(jī)并車控制箱，控制箱內(nèi)部同時(shí)增加功能接口單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元和電源接口單元等MTU 標(biāo)準(zhǔn)化模塊，每個(gè)控制箱分別由2 個(gè)不間斷電源系統(tǒng)（uninterruptible power system, UPS）獨(dú)立回路供電。

主機(jī)機(jī)旁各類控制箱較多，為合理緊湊地布局和安裝，設(shè)計(jì)落地式組合支架用于集中安裝主機(jī)機(jī)旁控制箱、主機(jī)雙機(jī)并車控制箱、主機(jī)油泵控制箱和應(yīng)急車鐘，同時(shí)便于敷設(shè)相關(guān)電纜。實(shí)船主機(jī)機(jī)旁控制箱布置三維效果圖如圖6 所示，操作人員可以面向主機(jī)實(shí)現(xiàn)各機(jī)旁控制箱的集中操作。

圖6 主機(jī)雙機(jī)并車控制箱實(shí)船布置三維視圖

3.2 實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證

4 臺(tái)主機(jī)雙機(jī)并車控制箱安裝接線完畢后在系泊試驗(yàn)中進(jìn)行功能試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)現(xiàn)象如下，此處所述相關(guān)按扭參見圖4。

試驗(yàn)準(zhǔn)備：將主機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳自帶機(jī)旁控制箱上的“本地/遙控”選擇開關(guān)置于遙控位置，機(jī)旁雙機(jī)并車控制箱上2號(hào)面板和3號(hào)面板的主機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳遙控指示燈均為點(diǎn)亮狀態(tài)。

（1） 控制權(quán)限轉(zhuǎn)換試驗(yàn)

按下1 號(hào)面板的“機(jī)旁自動(dòng)控制”按鈕，按鈕燈點(diǎn)亮，機(jī)旁并車控制箱直接取得遙控系統(tǒng)控制權(quán)限；再次按下按鈕，按鈕燈滅，控制箱功能關(guān)閉。斷開駕駛室控制站、集控室控制站相關(guān)電源，并再次按下“機(jī)旁自動(dòng)控制”按鈕，按鈕燈點(diǎn)亮，在此狀態(tài)下進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（2）首機(jī)接排及分控試驗(yàn)

按下2 號(hào)面板的 “1 號(hào)機(jī)接排控制”按鈕，1 號(hào)主機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)升高至首機(jī)接排轉(zhuǎn)速并自動(dòng)接排，接排成功后該按鈕燈點(diǎn)亮。接排后，通過1 號(hào)面板的“分控升速”或“分控降速”按鈕調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，再通過3 號(hào)面板的“分控升螺距”或“分控降螺距”按鈕調(diào)節(jié)螺距，轉(zhuǎn)速表和螺距表所顯示的變化與操作指令一致。

（3） 自動(dòng)負(fù)荷限制功能

主機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通過4 號(hào)面板的“螺距升”按鈕增加螺距，直至觀察到螺距表顯示數(shù)值不再增加甚至減小為止，負(fù)荷自動(dòng)限制功能有效。

（4）自動(dòng)雙機(jī)并車試驗(yàn)

按下2 號(hào)面板的“3 號(hào)機(jī)接排控制”按鈕，3 號(hào)主機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)升高至1 號(hào)主機(jī)的匹配轉(zhuǎn)速后自動(dòng)接排，完成自動(dòng)同步并車及自動(dòng)負(fù)荷分配，接排成功后該按鈕燈點(diǎn)亮；再次按下“3 號(hào)機(jī)接排控制”，軸上負(fù)荷自動(dòng)轉(zhuǎn)移至1 號(hào)主機(jī)后，3 號(hào)機(jī)自動(dòng)脫排且該按鈕燈熄滅，自動(dòng)解列完成。

（5） 調(diào)距槳后備控制試驗(yàn)

模擬調(diào)距槳閉環(huán)控制系統(tǒng)失效，按下4 號(hào)面板的“后備控制請(qǐng)求/允許”按鈕，按鈕燈點(diǎn)亮，按下并保持“螺距升”或“螺距降”按鈕以調(diào)節(jié)螺距，實(shí)時(shí)觀察螺距表顯示的數(shù)值，直至螺距調(diào)節(jié)功能正常。

實(shí)船應(yīng)用效果表明：控制箱安裝空間需求小，沒有增加機(jī)艙設(shè)備及系統(tǒng)的布置壓力；試驗(yàn)中各項(xiàng)功能均滿足方案設(shè)計(jì)要求，并順利通過了船東、船檢的驗(yàn)收。該技術(shù)方案高效地實(shí)現(xiàn)了機(jī)旁自動(dòng)雙機(jī)并車功能以及相關(guān)的控制和保護(hù)功能，同時(shí)確保上層控制站失效時(shí)上述功能的可靠性。

4 結(jié) 語

本文通過某船機(jī)旁雙機(jī)并車控制箱的設(shè)計(jì)，介紹了如何在不涉及標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品軟硬件大量修改的前提下，僅通過增加單一裝置和適量調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)原有模塊的安裝位置和設(shè)置，實(shí)現(xiàn)機(jī)旁自動(dòng)雙機(jī)并車功能。該設(shè)計(jì)提高了機(jī)艙本地應(yīng)急工況下對(duì)主推進(jìn)裝置的操作效率，適用性較強(qiáng)，可以為有類似需求的主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。