某船機旁雙機并車控制箱設計及應用

楊亞男 趙繼權 薛小衛

（滬東中華造船（集團）有限公司 上海 200129）

0 引 言

船用柴-柴聯合主動力裝置是由2 臺或多臺柴油機通過傳動裝置、軸系共同驅動1 個螺旋槳而構成的聯合動力裝置[1]。在四機雙槳聯合動力裝置中，通過采用單軸/雙軸、單機/雙機每軸形成多種組合運行模式，可以滿足船舶在不同運行工況下的推進性能需求，實現較高的機動性和生命力。目前國內該類型動力裝置配置的監控系統主要為相關標準中的“I 類控制”：即主推進裝置的設備與系統需裝有控制、監測報警和安全系統，主推進裝置由駕駛室及集控室的控制站進行遙控和自動控制，在機旁進行手動控制。當駕駛室控制站遙控時，集控室控制站應配備人員值班監視[2]。

隨著計算機及網絡技術的高度發展和其在船舶行業的廣泛應用，使用方對主推進裝置機艙本地操作的自動化程度要求也越來越高，要求本地具備自動并車、集中控制顯示等功能，而在進口設備應用過程中，會出現標準化產品功能無法滿足使用要求的情況。如MTU 公司與MAN B & W公司的主機遙控系統[3]，僅能實現集控室與駕駛室控制站的自動控制功能，機艙本地控制則需通過主推進裝置自帶的機旁控制箱實現（僅為分散在主機、齒輪箱和調距槳旁的手動控制）。由于進口設備的標準化程度高，接口和功能修改難度較大，故如何能在上述標準系統中實現主推進裝置的本地自動并車功能，尚需研究一種修改量少且可操作性強的設計方案。

1 系統修改方案

1.1 主推進裝置原有本地監控設施簡介

1.1.1 設施組成

某船采用四機雙槳聯合動力裝置，每套主推進裝置分別由2 臺MTU 柴油機、2 個蓋斯林格聯軸器、2 套蓋斯林格軸裝置、2 個VULKAN 聯軸器、1 臺雙機并車齒輪箱、1 套軸系和1 套KAMEWA 可調距螺旋槳系統組成，其布置簡圖見圖1。同軸系的2 臺柴油機分別布置在前、后主機艙，同機艙2 臺主機分舷布置，齒輪箱布置在齒輪箱艙。

圖1 某船主機、齒輪箱布置簡圖

主機遙控系統采用德國MTU 公司的RCS-5 系統，機艙本地的主推進裝置監控設施組成及構架如圖2 所示[4]，包括主機遙控系統的齒輪箱監控單元、調距槳監控單元、控制器局域網絡（controller area network, CAN）總線網絡，而主機、齒輪箱均自帶機旁控制箱，調距槳液壓泵站單元自帶應急控制板。

圖2 MTU 機艙本地主推進監控設施標準構架圖（修改前）

以上本地監控設施通過現場總線通訊，并通過網關接入上層現場總線，實現與各遙控控制站的通訊。

1.1.2 設施功能及不足

機艙本地原有監控設施的主要功能見表1，每個設備的功能都相對獨立且操作位置分散。這種設計對于所有主機、齒輪箱、調距槳液壓單元都在1 個主機艙的配置來說，尚可滿足本地手動操作要求，但對于如圖1 所示的隔艙設計（前主機艙-齒輪箱艙-后主機艙），就存在明顯不足：一方面，同軸系2 臺主機和齒輪箱的機旁控制箱分別在前、后主機艙和齒輪箱艙，手動同步并車操作復雜，且負荷分配實現難度大；另一方面，機艙本地除了備車完車、維護維修等作業外，一般是在應急情況下操作，此時主推進裝置的操作和運轉效率至關重要。因此，在機艙本地實現遙控系統部分重要自動控制功能（例如自動同步并車、自動負荷限制和重要信息集中顯示）非常必要。

表1 機艙本地主推進裝置監控設施功能簡表（修改前）

1.2 系統修改方案

MTU 主機的機旁控制箱為標準化產品，其接口、功能均無法修改，想要實現機旁自動雙機并車功能，只能通過增加新設備的方法來實現。但新增功能型模塊和軟件所需的設計及被船級社認可的時間較長，根本無法滿足該船的設計建造周期，因此只能在原有系統標準結構和功能模塊的基礎上進行設計。

該船主機遙控系統的原控制層級是駕駛室控制站（遙控）、集控室控制站（遙控）和本地監控設施這3 級層級，其核心控制單元的遠程接口模塊（remote interface module, RIM）布置在集控室控制站的集控臺，主機轉速與調距槳螺距指令的給定、雙機并車負荷分配、自動負荷限制和控制權限轉換等功能均由RIM 實現。因此，如果在系統原有遙控控制站層級中再增加1 級機艙本地“遙控”控制站，并將該控制站的優先級設置為高于集控室和駕駛室控制站，可實現在機艙直接從集控室或駕駛室取得主推進裝置的控制權；同時為確保機艙控制站優先級及其功能的可靠性，將控制單元RIM 由集控臺移至該控制站，實現在其他控制站失效情況下，機艙控制站的控制和保護功能仍然有效。

上述方案不涉及功能型模塊的增加，而MTU 主機遙控系統軟件中有“控制站優先級設置”這一選項，可以在如下頁表2 所示的表格中，通過填入優先級序號等來便捷地設置控制站優先權。系統的硬件功能模塊和軟件邏輯沒有修改，因此不需要重新進行船級社型式認可,也較容易被設備供應方接受。

表2 MTU 主機遙控系統控制站優先級設置表

2 機旁雙機并車控制箱設計

主機遙控控制站常規設計為控制臺形式，國內主推進裝置的監控設計也因國產主機通常無機旁控制箱，由遙控系統配置主機機旁控制臺。考慮到該船主機的布置特點和功能需求，采用控制箱的形式更有利于在機艙有限的空間內靈活安裝和便捷操作；并且考慮到應急工況下主推進裝置的安全、高效運轉，主機自動負荷限制功能和調距槳后備控制功能也需兼顧。因此，最終按表3 開展機旁雙機并車控制箱的功能設計。

表3 機艙本地新增主機雙機并車控制箱功能設計簡表

2.1 功能設計

2.1.1 自動同步并車功能

自動同步并車的功能設計要求為：當操作指令要求由“單機/單軸”變為“雙機/雙軸”時，遙控系統能自動將未接排的主機轉速調節為可匹配已接排主機的轉速，然后發出離合器接排命令；接排成功后，由遙控系統實施主機功率平穩轉移，并在雙機并車運行時保持功率平衡。當指令要求由“雙機/雙軸”變為“單機/單軸”時，遙控系統能自動將待解列主機的負荷平穩轉移至相應的工作主機；負荷全部轉移后，系統發出離合器脫開命令并實現自動解列。[5-6]

2.1.2 自動負荷限制功能

自動負荷限制功能設計要求為：在機旁的遙控分控模式下，主機負荷一旦達到主機的轉速-燃油扭矩限制線，遙控系統將自動生成減小螺距的指令，使主機油門限制在扭矩限制線下，以防主機因扭矩限制而轉速下降。當主機負荷低于扭矩限制線時，遙控系統自動生成指令并將螺距恢復到所需螺距，即遙控系統能按主機的負荷限制曲線，始終保證主機在負荷安全區運行[7]。

2.1.3 分控控制功能

分控控制功能是指遙控系統分控模式下的半自動控制功能。在聯控模式下，遙控系統根據復合車鐘操縱手柄位置，按照預設的聯控曲線發出主機轉速和螺距指令，自動控制主推進裝置運行；在分控模式下，主機轉速給定及螺距給定等都由操作人員控制，通過主機增速/減速、離合器接合/脫開、螺距增加/減少等按鈕控制主推進裝置運行，并且自動負荷限制功能以及雙機并車時的功率平衡控制仍然必須有效。

2.1.4 調距槳后備控制功能

原系統標準設計中，調距槳后備控制功能僅設置在駕駛室控制站和調距槳液壓單元機旁。該功能在調距槳閉環控制系統失效的情況下使用，此時螺距控制指令為開關量信號，直接控制調距槳液壓單元閥組；螺距控制由隨動控制變為非隨動控制，操作時必須通過實時觀察螺距表來達到所需螺距。

2.2 人機界面設計

完成功能設計后，還需進一步明確控制箱的人機界面形式和內容，才能為設備方進行控制箱施工設計提供充分的設計輸入。控制箱的設計以“安裝空間小、操作簡單直觀”為原則，人機界面按應急操作等級要求設計為“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，包括主機轉速控制面板、齒輪箱離合器接排/脫排控制面板、分控模式調距槳控制面板、調距槳后備控制面板、本機主機轉速表、同軸主機轉速表、本軸轉速表和調距槳螺距表等。

圖3 機旁雙機并車控制箱布置總圖

圖4 雙機并車控制箱控制面板詳圖

3 實船應用

3.1 實船布置安裝

實船應用上述技術方案后，該船機艙本地主推進監控設施組成和構架如圖5 所示。

圖5 機艙本地主推進監控設施組成構架圖（修改后）

根據機艙站位需求，在每臺主機的機旁設置1臺雙機并車控制箱，其中同一軸系2 臺控制箱的面板操作功能相同，可以實現在前或后主機艙控制同軸系主機雙機并車和調距槳的后備控制功能。遙控系統控制單元RIM 為每軸1 只，由集控臺內分別移至1 號雙機并車控制箱和3 號雙機并車控制箱，控制箱內部同時增加功能接口單元、網絡接口單元和電源接口單元等MTU 標準化模塊，每個控制箱分別由2 個不間斷電源系統（uninterruptible power system, UPS）獨立回路供電。

主機機旁各類控制箱較多，為合理緊湊地布局和安裝，設計落地式組合支架用于集中安裝主機機旁控制箱、主機雙機并車控制箱、主機油泵控制箱和應急車鐘，同時便于敷設相關電纜。實船主機機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實現各機旁控制箱的集中操作。

圖6 主機雙機并車控制箱實船布置三維視圖

3.2 實船試驗驗證

4 臺主機雙機并車控制箱安裝接線完畢后在系泊試驗中進行功能試驗驗證，試驗項目及試驗現象如下，此處所述相關按扭參見圖4。

試驗準備：將主機、齒輪箱、調距槳自帶機旁控制箱上的“本地/遙控”選擇開關置于遙控位置，機旁雙機并車控制箱上2號面板和3號面板的主機、齒輪箱、調距槳遙控指示燈均為點亮狀態。

（1） 控制權限轉換試驗

按下1 號面板的“機旁自動控制”按鈕，按鈕燈點亮，機旁并車控制箱直接取得遙控系統控制權限；再次按下按鈕，按鈕燈滅，控制箱功能關閉。斷開駕駛室控制站、集控室控制站相關電源，并再次按下“機旁自動控制”按鈕，按鈕燈點亮，在此狀態下進行后續試驗。

（2）首機接排及分控試驗

按下2 號面板的 “1 號機接排控制”按鈕，1 號主機轉速自動升高至首機接排轉速并自動接排，接排成功后該按鈕燈點亮。接排后，通過1 號面板的“分控升速”或“分控降速”按鈕調節主機轉速，再通過3 號面板的“分控升螺距”或“分控降螺距”按鈕調節螺距，轉速表和螺距表所顯示的變化與操作指令一致。

（3） 自動負荷限制功能

主機轉速不變，通過4 號面板的“螺距升”按鈕增加螺距，直至觀察到螺距表顯示數值不再增加甚至減小為止，負荷自動限制功能有效。

（4）自動雙機并車試驗

按下2 號面板的“3 號機接排控制”按鈕，3 號主機轉速自動升高至1 號主機的匹配轉速后自動接排，完成自動同步并車及自動負荷分配，接排成功后該按鈕燈點亮；再次按下“3 號機接排控制”，軸上負荷自動轉移至1 號主機后，3 號機自動脫排且該按鈕燈熄滅，自動解列完成。

（5） 調距槳后備控制試驗

模擬調距槳閉環控制系統失效，按下4 號面板的“后備控制請求/允許”按鈕，按鈕燈點亮，按下并保持“螺距升”或“螺距降”按鈕以調節螺距，實時觀察螺距表顯示的數值，直至螺距調節功能正常。

實船應用效果表明：控制箱安裝空間需求小，沒有增加機艙設備及系統的布置壓力；試驗中各項功能均滿足方案設計要求，并順利通過了船東、船檢的驗收。該技術方案高效地實現了機旁自動雙機并車功能以及相關的控制和保護功能，同時確保上層控制站失效時上述功能的可靠性。

4 結 語

本文通過某船機旁雙機并車控制箱的設計，介紹了如何在不涉及標準化產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整系統內原有模塊的安裝位置和設置，實現機旁自動雙機并車功能。該設計提高了機艙本地應急工況下對主推進裝置的操作效率，適用性較強，可以為有類似需求的主機遙控系統設計提供參考。