Комплексная автоматизация энергетических установок буксирных судов

Автоматизация энергетических установок буксира – комплекс машин, механизмов, теплообменных аппаратов, источников энергии, устройств и трубопроводов — предназначенных для обеспечения движения судна, а также снабжения энергией различных его механизмов. При эксплуатации современного буксира приходится решать большое количество задач, которые могут быть разделены на три группы:

1. связанные с управлением энергетической установкой;
2. задачи экономики и эксплуатации;
3. связанные с управлением движением судна.

Возможная схема организации системы комплексной автоматизации современного буксира приведена на рис. 1. Как видно из рисунка, в ней имеется три ступени управления. Первая ступень включает систему автоматизации палубных работ и буксировочных операций (блок 1), систему автоматизации энергетической установки (блок 2) и систему автоматизации управления движением судна (блок 3). Для нормального функционирования каждой из этих систем может потребоваться участие в ее работе определенного числа людей. Таким образом, в настоящее время невозможно полностью исключить человека из процесса выполнения палубных работ и операций, связанных с буксировкой.

Характерная особенность указанных систем состоит в том, что они должны обеспечивать управление непрерывно протекающими судовыми процессами (например, работой брашпиля, регулированием частоты вращения главного двигателя, изменением положения лопастей ВРШВлияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна, удержанием буксира на заданном курсе и т. д.). Поэтому их основу составляют действующие непрерывно или в определенные периоды времени контуры управления.

Вторая ступень — судовая цифровая вычислительная машина (СЦВМ), которая определяет режимы работы контуров управления. Эта ступень должна иметь связь с соответствующими датчиками и исполнительными устройствами блоков 1—3.

Третьей ступенью управления является оператор. В зависимости от степени автоматизации функции оператора может выполнять один (судоводитель-механик), либо несколько человек (судоводитель, штурман, механик). Оператор на основе данных, поступающих от системы радиосвязи (блок 4), СЦВМ, а также учитывая информацию, непосредственно поступающую от блоков 1—3, определяет работу СЦВМ.

Гармоническое сочетание человека (оператора) и средств автоматизации, использование преимущества каждого из этих звеньев позволяют создавать наиболее совершенную и экономически целесообразную систему контроля и управления. Для буксиров характерным режимом является плавание в узкостях, маневрирование в районах оживленного судоходства и на мелководье. Оценка опасных ситуаций даже при сближении с одним судном требует затраты времени на обработку информации и выполнение маневра. Отсюда следует, что для повышения безопасности плавания необходимо шире внедрять на буксирах централизованное управление из ходовой рубки и автоматизацию контроля за состоянием аварийных параметров энергетической установки. Автоматизация энергетической установки — наиболее сложная часть комплекса общесудовой автоматики.

Внедрение на буксирах систем дистанционного автоматизированного управления главными двигателями, передачами и автоматизации энергетических установок.

Передача части функций, выполнявшихся ранее человеком, автоматическим устройствам не означает механического присоединения к судовому оборудованию различных устройств, копирующих работу, выполняемую при ручном управлении. Поэтому первым шагом внедрения автоматизации является рационализация оборудования. В понятие рационализация входит совершенствование агрегата с целью повышения его надежности, уменьшения числа регулируемых параметров и количества операций по управлению и обслуживанию. Для энергетической установки буксираСистема вентиляции буксирных судов рационализация означает наиболее простую и удобную компоновку машинного отделения с максимальным упрощением операций по управлению и обслуживанию установки.

В последние годы произошел качественный переход от автоматизации отдельных агрегатов энергетической установки к комплексной автоматизации всей энергетической установки.

Под комплексно автоматизированной дизельной установкой принято понимать такую установку, в которой:

• в результате автоматического регулирования непрерывных и часто повторяющихся периодических рабочих процессов обеспечивается работа основных механизмов без постоянного несения вахты в машинном отделении;
• с помощью средств дистанционного централизованного управления и контроля, а также средств сигнализации и защиты достигается возможность нормальной эксплуатации энергетической установки как на установившихся режимах, так и при маневрировании с единого ЦПУ.

Применительно к энергетической установке буксира средства комплексной автоматизации необходимо всецело подчинить задаче рациональной организации труда машинной команды с учетом сокращения ее численности.

Средства автоматизации должны уменьшить трудозатраты по техническому обслуживанию судовых механизмов и повысить качество этого обслуживания. Развитие автоматизации энергетической установки потребовало разработки четкой терминологии. Ниже приведены основные определения.

Регулированием называется процесс поддержания на постоянном уровне или изменения по заданному закону какой-либо величины в двигателях, механизмах или аппаратах. Процесс, автоматического регулирования осуществляется без непосредственного участия оператора.

Автоматизированная энергетическая установка — установка, оборудованная автоматизированным управлением главными и вспомогательными механизмами и их системами, средствами дистанционного контроля, сигнализации и автоматической защиты.

Автоматизированное управление главными и вспомогательными механизмами — управление, при помощи которого заданные режимы работы выполняются автоматически.

Аварийно-предупредительная сигнализация (АПС) — система звуковых и световых сигналов, извещающих о достижении контролируемыми параметрами предельно допустимых значений.

Автоматическая защита — устройство, автоматически осуществляющее защиту работающего агрегата при возникновении аварийного состояния.

Дистанционное управление — управление главными и вспомогательными двигателями и их системами, осуществляемое на расстоянии.

Дистанционный контроль работы агрегатов — непрерывный контроль за основными рабочими параметрами энергетической установки, осуществляемый на расстоянии.

Читайте также: ТНВД золотникового типа с регулированием по концу подачи топлива

Центральный пост управления (ЦПУ) — пост, в котором расположены: органы дистанционного управления главными и вспомогательными механизмами, ВРШ и крыльчатыми движителями, электрооборудованием, системами и устройствами; контрольно-измерительные приборы; элементы аварийно-предупредительной и аварийно-исполнительной сигнализации и средств связиМорская сигнализация и связь (рис. 2—4).

Местный пост управления — пост, оборудованный органами управления, контрольно-измерительными приборами и средствами связи, предназначенными для управления; расположенный вблизи механизма или непосредственно на нем.

Степень автоматизации энергетической установки буксира может быть различной. Основным фактором при определении рационального объема автоматизации энергетической установки является ее экономическая целесообразность. Определяющий показатель — экономия, получаемая в результате сокращения численности машинной команды. Существенной может оказаться экономия за счет повышения экономичности работы механизмов, но оценить ее можно только после накопления статистических данных по эксплуатации конкретного типа буксира.

Определяя объем комплекса средств автоматизации, обеспечивающих организацию труда машинной команды, необходимо, разумеется, иметь в виду не только собственно энергетическую установку, но и те общесудовые системы и механизмы, техническое обслуживание которых возлагается на машинную команду. Рассмотрим ориентировочный перечень средств автоматизации энергетической установки морского буксира с дизельной установкой, рассчитанный на несение периодической вахты в машинном отделении. Основной составляющей комплекса средств автоматизации должна явиться централизация управления и контроля за всеми механизмами и устройствами энергетической установки в ЦПУ. Сосредоточенный на ЦПУ объем средств контроля и управления должен быть достаточным для выполнения всех необходимых операций по пуску и остановке механизмов, изменению режимов работы, наблюдению за их состоянием и т. п.

При проектировании следует учитывать, что ЦПУ должен быть основным местом несения вахты, откуда можно не только своевременно обнаруживать нарушение работы того или иного механизма, но и принять меры по его устранению. На морских буксирах малой и средней мощности, а также буксирах и толкачах внутреннего плавания ЦПУ следует располагать в рубке. Такое расположение позволит вахтенному механику (или судоводителю-механику) непосредственно наблюдать за навигационной обстановкой, что улучшит качество принимаемых им решений по управлению энергетической установкой.

Наряду с централизацией контроля и управления важнейшими механизмами энергетической установки из ЦПУ должны быть автоматизированы:

1. По главному двигателю и обслуживающим его механизмам:

• система дистанционного автоматизированного управления частотой вращения (ДАУ) из ходовой рубки;
• регулирование температуры в системах охлаждения и смазки;
• пополнение лубрикатов и подача масла в места периферийной смазки;
• работа подкачивающего компрессора в системе сжатого воздуха;
• топливоперекачивающего насоса в системе пополнения расходных топливных цистерн, а также сепараторов топлива и масла;
• аварийно-предупредительная сигнализация давления и температуры в системах смазки и охлаждения, а также защита по давлению масла, предусматривающая пуск соответствующего резервного насоса и, если давление после пуска резервного насоса продолжает падать, остановку главного двигателя;
• защита от перегрузки (при работе на ВРШ или КД) и по критическим параметрам давления масла и воды, частота вращения.

2. По судовым движителям (ВРШ или КД):

• система дистанционного регулирования положения лопастей;
• работа масляного насоса в системе смазки и управления;
• работа подкачивающего компрессора в системе управления;
• аварийно-предупредительная сигнализация давления в системе управления и смазки.

3. По судовой электростанции:

• автоматический и дистанционный пуск дизель-генераторов, предусматривающий автоматическое выполнение операций по подготовке дизеля к пуску, ввод в параллель и распределение нагрузки;
• регулирование напряжения в электросети;
• защита генераторов от перегрузки путем отключения второстепенных потребителей;
• регулирование температуры в системах охлаждения и смазки дизеля;
• защита дизеля по давлению масла и предельной частоте вращения.

4. По вспомогательной котельной установке:

• сжигание топлива, обеспечивающее поддержание давления пара в заданных пределах;
• регулирование давления пара утилизационного котла;
• уровня воды во вспомогательном котле и сепараторе утилизационного котла;
• поддержание уровня воды в теплом ящике в заданных пределах;
• защита по критическим параметрам (давление и уровень питательной воды).

5. По общесудовым системам:

• поддержание давления в пневмоцистернах пресной и забортной воды;
• включение осушительных насосов в случае превышения допустимого уровня воды под настилом в машинном отделении;
• опорожнение фекальных цистерн;
• работа сепаратора трюмных вод, системы кондиционирования воздуха с регулированием температуры и влажности воздуха, подаваемого в жилые и служебные помещения и холодильной установки с регулированием температуры в провизионных кладовых.

При создании систем дистанционного управления главными энергетическими установками буксиров объектами управления могут быть главные двигатели, передачи (реверсредуктор, гидропередача, гребной электродвигатель) и движители (ВРШ или КД). В соответствии с этим применяемые на буксирах главные энергетические установки по характеру управления можно разделить на две группы. К первой относятся установки, в которых управление движением буксира неразрывно связано с управлением главным двигателем; ко второй — установки, в которых управление движением осуществляется с помощью передачи или движителя, при этом частично используется и управление двигателем. Для установок второй группы задачи управления главным двигателем несколько упрощаются, так как в зависимости от типа установки отпадает необходимость в реверсировании, а в отдельных случаях и в изменении частоты вращения.

Наиболее, просты системы ДАУ для одноагрегатных установок с нереверсивным двигателем, работающим через реверсредуктор на ВФШ, и с реверсивным двигателем, работающим непосредственно на ВФШ. Более сложны системы ДАУ для установок с регулируемыми движителями (ВРШ или КД), а также для установок с гребными электродвигателями, где следует реализовать принцип управления двигателем по закону экономической оптимизации.

Предлагается к прочтению: Особенности работы буксиров и толкачей-буксиров

На буксирах, оборудованных комплексно автоматизированной энергетической установкой, управление главным двигателем должно осуществляться с дистанционного поста, как правило, располагаемого в ходовой рубке. Основные качества, которыми должна обладать система дистанционного управления, — надежность и простота процессов управления. Для обеспечения этих качеств при проектировании следует исходить из следующих основных положений:

1. Количество органов управления должно быть минимальным. Этим достигается удобство управления, сокращается возможность ошибок и подачи неправильных команд.
2. Во избежание выполнения неправильного маневра и для безопасности управления система должна включать необходимое количество блокировок.
3. Процесс управления должен быть автоматизирован. Переход с режима на режим должен происходить автоматически, без участия оператора. Обязанности последнего ограничиваются лишь перестановкой органа управления из любого установившегося положения в любое заданное положение без промежуточных перемещений и выдержки времени.
4. Необходимо предусмотреть возможность последовательной деавтоматизации системы управления, обеспечивающей переход на управление с местного поста, или в качестве крайней меры — управление непосредственным воздействием на рукоятки исполнительных механизмов, размещенных на двигателе. Время переключения с дистанционного поста управления на местный — не более 10 с.
5. Система ДАУ должна обеспечить быстрое автоматическое прохождение запретных зон, недопустимых при длительной работе главного двигателя.

На отечественных и зарубежных буксирах применяются как пневматические, так и электрические, гидравлические и комбинированные цепи управления, а в ряде случаев — наиболее простые механические цепи (до 20—30 м).

Основные показатели систем дистанционного управления главными двигателями следующие:

• а) Диапазон управления, который определяется отношением максимального и минимального значений частоты вращения двигателя к его номинальному значению. Так, применительно к двигателю, работающему на ВФШ, для обеспечения 10 %-ной перегрузки и достижения минимально допустимой частоты вращения необходимо, чтобы

$\frac{n_{max}}{n_{nom}}>1,032,$

$\frac{n_{min}}{n_{nom}}\le 0,3.$

где:

• n_max, n_nom, n_min – соответственно максимальная, номинальная и минимальная частота вращения двигателя.

Если двигатель работает на ВРШ или применяется электродвижение, могут быть достигнуты самые малые хода. Вследствие изменения положения лопастей или воздействия на электрические параметры гребного электродвигателя. Естественно, что в этом случае изменяют требования к диапазону управления частотой вращения.

• б) Точность системы дистанционного управления, которая характеризуется относительной статической ошибкой. Речь идет о зоне нечувствительности управления, определяющей мертвый ход задающего органа. Требуемую частоту вращения можно установить более точно с помощью механизма точной подрегулировки.

Требования, предъявляемые к точности систем управления, зависят от типа установки. Так, для установок, состоящих из одного главного двигателя, работающего на ВФШ, вполне удовлетворительна точность 3—5 % (±1,5—2 %). В случае параллельной работы необходимая точность системы управления определяется требованиями равномерного распределения нагрузки между двигателями. Незначительная ошибка системы управления может привести к существенному рассогласованию нагрузок между двигателями. Для примера положим, что относительная ошибка управления Δ = 3 %. Примем отнесенные к номиналу значения наибольшей и наименьшей частоты вращения соответственно:

$\frac{n_{max}}{n_{nom}}=1,05; \frac{n_{min}}{n_{nom}}=0,25.$

Тогда ошибка управления составит

${\Delta }_1=\Delta \frac{n_{max} – n_{min}}{n_{nom}}=3 x 0,8=2,4\%.$

Принимая степень неравномерности регулирования равной λ = 5 %, получим рассогласование по нагрузке двигателей, соответствующую ошибке управления

$\varphi =100\frac{{\Delta }_1}{\lambda }=100\frac{2,4}{5}=48\%.$

• в) Быстродействие, под которым следует понимать время, проходящее от момента скачкообразного возмущения до достижения параметром значения, отличающегося от конечного на заранее заданную величину. В работах ЦНИДИ рекомендуется считать приемлемым срабатывание дистанционной цепи в течение 2—5 с. Не следует смешивать понятия времени отработки цепи и времени достижения управляемым параметром установившегося значения. Первое характеризует быстроту работы собственной цепи, второе — систему управляющая цепь — объект управления.
• г) Дистанция, под которой понимают максимально допустимое удаление пульта от двигателя при сохранении заданных точности и быстродействия системы.

Используемые на буксирах системы управления энергетическими установками с регулируемыми движителями (ВРШ или КД) отличаются большим разнообразием по своему устройству, средствам выполнения и принципам действия. Однако для всех современных систем характерна общая тенденция к дистанционному автоматизированному управлению (ДАУ) главными двигателями и движителями. Требования, предъявляемые к системам управления, могут изменяться в зависимости от особенностей применяемых установок и условий эксплуатации.

Наибольшее распространение на буксирах получили схемы раздельного управления частотой вращения главного двигателя и шагом движителя. Ведутся разработки и в направлении создания системы совместного управления главными двигателями и КД.

Системы раздельного управления по принципу построения дистанционной связи между задающими и исполнительными органами могут быть разделены на системы разомкнутого и замкнутого (следящего) типов. У систем разомкнутого типа дистанционное управление осуществляется подачей дискретных сигналов типа «больше», «меньше», при этом за результатом воздействия оператор должен следить по соответствующему прибору.

Следящие системы дистанционного управления имеют обратную связь по положению исполнительного механизма. Каждому положению командного органа системы соответствует определенное положение валика исполнительного органа и ему заданная частота вращения дизеля или шага движителя.

При установке командного органа управления в нужное положение заданный режим работы дизеля (либо движителя) устанавливается автоматически.

Наиболее простой схемой обладает система управления одним параметром — шагом движителя. Второй параметр — частота вращения дизеля — с дистанционного поста не изменяется. Дизель в этом случае может быть оборудован однорежимным регулятором, допускающим изменение частоты вращения лишь в пределах, определяемых степенью неравномерности самого регулятора. Схема удовлетворяет основному требованию: она обеспечивает плавное изменение скорости движения судна во всем диапазоне ходовых режимов. Распространение ограничено потому, что на малых скоростях уменьшается к. п. д. установки из-за невозможности установить наивыгоднейшие режимы работы.

Некоторое повышение экономичности работы установки на частичных режимах может быть достигнуто в результате оборудования дизеля всережимным регулятором частоты вращения, что, однако, усложняет схему. В этой схеме, как и в предыдущей, шаг движителя регулируется с дистанционного поста управления; дизель оборудован всережимным регулятором, и частота его вращения может изменяться с дистанционного поста ступенчато в соответствии с ходовой таблицей. В отличие от предыдущей схемы управление осуществляется также при помощи двух ручек, выведенных на общий пост. В зависимости от изменения частоты вращения двигателя производится соответствующее изменение величины шага движителя. Этот способ — довольно экономичный для установившегося режима работы установки (например, при линейной буксировке). Однако, как правило, расчетные режимы работы установки, определенные по ходовым таблицам или номограммам, составленным для идеальных условий, не будут соответствовать действительным, оптимальным режимам работы комплекса при изменении скорости, состояния моря и т. п.

Предлагается к прочтению: Немного о работе главного двигателя судна

Поскольку изменение внешних условий оценивается судоводителем приблизительно, действительный режим работы будет отличаться от оптимального. Опыт эксплуатации буксиров с раздельным управлением частотой вращения дизелей и шагом движителя показал, что пользоваться ходовыми таблицами или номограммами неудобно. К их помощи на буксирах прибегают редко.

Системы раздельного управления частотой вращения вала дизеля и шагом движителя применены на портовых и рейдовых буксирах с крыльчатыми движителями типа Марс, Кадар, Платон, а также на морских портовых буксирах-кантовщиках с ВРШ типа Сатурн, Севастополь и др.

Объем автоматизации энергетической установки морского портового буксира-кантовщика типа Марс с крыльчатыми движителями выбран, исходя из условия — обеспечить судоводителю-механику возможность управления судном с дистанционного пульта, расположенного в рубке. Для этого на дистанционный пульт выведено управление главными двигателями и движителями. Здесь же можно получить необходимый объем информации о работе судовой электростанцииСудовые электростанции на буксирных судах, систем и трубопроводов и т. п.

Постоянная вахта в машинном отделении и помещении движителей не предусматривается. Как это видно из структурной схемы, приведенной на рис. 5, управление главными двигателями и движителями выполнено по схеме раздельного управления.

Управление крыльчатыми движителями осуществляется из ходовой рубки посредством механической системы, состоящей из рычагов и тяг, а при нарушении нормальной работы системы дистанционного управления — непосредственным воздействием на ходовой и рулевой сервомоторы, расположенные на движителях.

Пульт дистанционного управления и контроля за работой энергетической установки, размещенный в ходовой рубке, состоит из трех секций (рис. 6).

Принципиальная схема пульта предельно проста и не требует каких-либо специальных пояснений. В качестве датчиков, обеспечивающих работу схемы АПС главных двигателей и движителей, применены реле типа КР и РДК.

Более чем шестилетний опыт эксплуатации буксиров типа Марс показал, что выполненный на них объем автоматизации достаточен для обслуживания энергетической установки без постоянной вахты в машинном отделении и эффективного внедрения бригадного метода обслуживания.

В задачу комплексной автоматизации энергетической установки морского портового буксира с ВРШ типа Сатурн входит обеспечение работы главных и вспомогательных механизмов, трубопроводов и систем без несения вахты в машинном отделении при управлении судном из ходовой рубки.

Для указанной цели на буксире предусмотрены: система дистанционного управления ВРШ, система дистанционного автоматизированного управления главными двигателями (ДАУ), система дистанционного управления (вспомогательным дизель-генератором) судовой электростанцией, система дистанционного управления рулевыми машинамиУправляемость буксирного судна, устойчивость на курсе, система сигнализации и автоматизации вспомогательных механизмов, трубопроводов и систем.

Структурная схема управления главной энергетической установкой буксира показана на рис. 7, пульт управления — на рис. 8.

В целом комплекс систем дистанционного автоматизированного управления энергетической установкой и средствами судовождения, примененный на морских портовых буксирах типа Сатурн, известен под названием «Вахта-М».

Стремление наиболее полно использовать на буксирах преимущество установок с ВРШ — возможность отбора полной мощности от дизеля при изменяющихся условиях плавания и минимальном часовом расходе топлива, привело к созданию схем управления двумя параметрами посредством одной рукоятки.

Установить такой оптимальный режим можно только с помощью заранее рассчитанной программы или путем поиска. Это означает, что для поддержания минимального расхода топлива, т. е. максимальной экономичности гребной установки, необходимо принять программный или экстремальный автоматический регулятор.

Основными параметрами, характеризующими работу дизельной установки с ВРШ, являются скорость судна v, мощность двигателя N, частота вращения гребного винта n и его шаговое отношение H/D; дополнительным параметром служит часовой расход топлива. Все эти параметры нелинейны и в ряде случаев неоднозначны.

Программа регулирования гребной установки с ВРШ может быть выбрана по любым из указанных параметров; выбор диктуется только теми требованиями, которые предъявляются к гребной установке. Фирмой КаМеВа была предложена система дистанционного управления с жесткой программой зависимости H = f(n). Система управления с такой зависимостью осуществлена, например, на буксирах-спасателях типа Алдан и Памир.

Следует иметь в виду, что соотношение между частотой вращения и шагом движителя, заложенное в виде жесткой программы в систему управления энергетической установкой, оптимально только для одного из режимов движения судна при заданных внешних условиях.

Корректировка программы H = f(n) может осуществляться с помощью ручной либо автоматической коррекции. Если при управлении энергетической установкой реализовать программную зависимость эффективной мощности двигателя от частоты вращения N = f(n), то при всех ходовых режимах буксира работа установки будет протекать в режиме минимального расхода топлива на милю пути.

В связи c необходимостью защиты главного двигателя от перегрузки программная зависимость N = f(n) практически соответствует зависимости перемещения топливной рейки двигателя от задаваемой частоты вращения P = f(n).

Выбор указанной программы определяется следующим: рейка двигателя быстро реагирует на изменение нагрузки, что особенно важно для защиты от перегрузки при реверсе ВРШ; при выходе из строя одного или нескольких цилиндров двигателя сигнал датчика рейки свидетельствует об увеличении нагрузки работающих цилиндров — это позволяет защитить последние от перегрузки; датчик рейки в отличие от датчиков других параметров, характеризующих косвенно нагрузку дизеля (крутящий момент, температура выхлопных газов, расход топлива суднаУдельные расходы топлива), прост и надежен. Это датчик линейного перемещения.

Оптимальная программа P = f(n) может реализоваться в два этапа:

• задается жесткая программа ВРШ и частота вращения двигателя (поворотом маневровой рукоятки пульта управления);
• корректируется шаг ВРШ и, как следствие этого, изменяется перемещение рейки двигателя до его соответствия значениям программы P = f(n).

Для системы дистанционного управления с указанной программной зависимостью в качестве сигнала о частоте вращения целесообразно принять команду по частоте вращения, что позволит существенно упростить систему управления и повысит ее динамические качества.

Коррекция шага ВРШ может вводиться автоматически (π-регулирование) или вручную. Использование π-регулятора системы «Старт» позволяет произвести необходимую настройку динамических качеств системы на переходных режимах.

Система совместного дистанционного автоматического управления главным двигателем и ВРШ, спроектированная для портового буксира типа Рейд, выполнена в соответствии с оптимальной программой N = f(n), единой для всех режимов. Коррекция шага ВРШ осуществляется автоматически.

График указанной программы (рис. 9) представляет прямую линию, соединяющую точку номинальной мощности N = 600 л. с. при 300 об/мин и точку = 150 л. с. при 150 об/мин. Целесообразность подобной программы для портового буксира была показана выше.

По принятой оптимальной зависимости N = f(n) и графикам загрузки дизеля на различных режимах хода построена зависимость шагового отношения H/D ВРШ от частоты вращения ВРШ и от положения маневровой рукоятки на пульте управления. Программный график показан на рис. 10.

Верхняя ветвь на переднем ходу является базовой для построения профиля кулачка ВРШ и соответствует режиму свободного хода. Нижняя ветвь отвечает наибольшей коррекции шага при швартовном режиме. На заднем ходу — наоборот. Для всех возможных режимов хода требуются промежуточные значения коррекции шага.

При неисправности системы дистанционного управления коррекция шага ВРШ вводится вручную с помощью головки маневровой рукоятки до тех пор, пока стрелка указателя нагрузки не совпадает с делением шкалы, соответствующей оптимальной нагрузке и отсутствию перегрузки.

Структурная схема системы дистанционного управления показана на рис. 11.

Наиболее совершенные и перспективные — самонастраивающиеся системы дистанционного управления. Структурная схема такой системы управления показана на рис. 12. Самонастраивающиеся системы управления для любого режима работы судна методом поиска автоматически, без вмешательства оператора, устанавливают и поддерживают оптимальное значение частоты вращения и шага при максимальном к. п. д. установки или, что примерно то же самое, минимальный расход топлива на милю пройденного пути. При заданной скорости буксировки этот критерий равнозначен критерию минимума расхода топлива в единицу времени.

Такая постановка задачи характерна для линейных буксиров. Возможна и оптимизация маневренных режимов буксира (разгон, торможение, реверс и т. д.). При наличии ВРШ можно из всех способов выполнения этих маневров выбрать такие, например, которые обеспечивают наибольшее быстродействие. Для этого система должна автоматически переключаться на поиск экстремума по но­вой величине каждый раз, когда будет достигнуто экстремальное состояние по другой величине.

Читайте также: Подготовка к плаванию в штормовую погоду

На основании изложенного ориентировочно могут быть опреде­лены области целесообразного применения следующих типов си­стем дистанционного управления дизельными установками букси­ров с регулируемыми движителями;

• Системы раздельного управления:
  • для линейных буксиров, выполняющих буксировки на боль­ших «плечах», где регулируемые движители используются только для реверсирования, после чего устанавливается постоянное шаго­вое отношение;
  • для буксирных судов, имеющих в составе энергетической установки валогенератор переменного тока с передачей от гребного вала; для этих установок характерна работа при постоянной ча­стоте вращения гребного вала.
• Системы программного управления по жесткой программе с ручной коррекцией для линейных буксиров.
• Системы программного управления с автоматической коррек­тировкой программы для портовых и рейдовых буксиров-кантовшиков.

Опыт эксплуатации дизель-генераторных энергетических уста­новок (ДГЭУ) буксиров показал, что надежность их работы в зна­чительной степени определяется схемами управления, возбужде­ния, сигнализации и защиты.

В связи с тем, что на буксирах применяются, главным образом ДГЭУ постоянного тока, рассмотрим управление установками этого типа.

Гребные электрические установки, применяемые на буксирах, выполняются с дистанционным управлением из ходовой рубки, из центрального поста управления (ЦПУ) или с верхнего мостика.

По характеру воздействия системы управления ДГЭУ можно разделить на две группы:

1. Системы раздельного управления, в которых управление ДГЭУ осуществляется воздействием на электрические параметры гребного электродвигателя при помощи одной рукоятки (частота вращения главных дизель-генераторов сохраняется постоянной) либо могут изменяться ступенчато при помощи другой рукоятки;
2. Системы объединенного управления, в которых при управле­нии ДГЭУ единой рукояткой оказывается воздействие одновре­менно на электрические параметры гребного электродвигателя и частоту вращения главных дизелей, благодаря чему реализуется принцип управления установкой по закону экономической оптими­зации.

Уровень автоматизации в системах дистанционного управления ДГЭУ должен обеспечивать без вмешательства человека:

• устойчивую и надежную работу ДГЭУ во всех эксплуатацион­ных режимах при всех вариантах набора схемы;
• оптимальное протекание переходных процессов, высокую манев­ренность гребных винтов и выполнение защитных мероприятий от перегрузки первичных двигателей (дизелей);
• автоматическую форсировку момента на валу гребного электро­двигатели при взаимодействии винтов со льдом;
• Подобные схемы управления осуществлены на отечественных буксирах типа Иван Плюснин, Атлант, Голиаф, Шлюзовый и др.

По роду вспомогательной энергии системы дистанционного уп­равления ДГЭУ относятся к электрическим, либо электропневматическим системам управления.

На отечественных буксирах системы управления ДГЭУ, как правило, электропневматические. В качестве примера рассмотрим схему управления дизель-электрической установкой морских букси­ров типа Иван Плюснин.

Дизель-электрическая гребная установка морского буксира типа Иван Плюснин управляется по схеме генератор — двигатель в ре­зультате изменения величины и полярности (знака) напряжения, подводимого к якорю гребного электродвигателя.

По характеру воздействия на агрегаты ДГЭУ система дистан­ционного управления морского буксира типа Иван Плюсинн отно­сится к системам раздельного управления: воздействие на электри­ческие параметры схемы ДГЭУ и частоту вращения первичных двигателей (дизелей) осуществляется автономными органами уп­равления.

Управление ДГЭУ, т. е. изменение частоты и направления вра­щения ГЭД, может производиться дистанционно с одного из трех постов управления, установленных на центральном посту управле­ния, в ходовой рубке и на верхнем мостике (рис. 13).

При нормальной эксплуатации управление ДГЭУ осуществ­ляется из ходовой рубки (либо с верхнего мостика). В аварийном случае, при выходе из строя дистанционных постов управления или кабелей, соединяющих их со щитом ДГЭУ, управление произво­дится из ЦПУ, а команда в ЦПУ из ходовой рубки передается с помощью машинного телеграфа. Пуск и остановка главных ди­зель-генераторов осуществляются из дизель-генераторного отделе­ния (ДГО), а изменение частоты вращения — как из ДГО, со щита включения, так и со щита ДГЭУ, установленного в ПУ.

Надежность систем автоматики. В результате широкого внедре­ния на буксирах средств дистанционного управления и автоматиза­ции появился ряд пневматических, гидравлических, электрических и других посредников между человеком и обслуживаемыми им ме­ханизмами и устройствами. Поэтому безопасность плавания, со­хранность буксира и буксируемого судна стала зависеть еще от одного класса технических устройств — средств автоматики. Пере­дача части функций, выполнявшихся ранее человеком, автоматиче­ским устройством может быть одобрена только при условии высо­кой надежности механизмов, входящих в комплекс автоматизиро­ванной энергетической установки. Реализация этого условия предъ­являет высокие требования к уровню надежности как технических средств автоматики, так и первичных агрегатов и устройств.

Для повышения надежности основного оборудования необхо­димо использовать высококачественные материалы, ужесточать до­пуски на обработку, упрощать конструкции и способы управления агрегатами.

Учитывая исключительно важное значение качественной и осо­бенно количественной оценки надежности, в рекомендациях ряда зарубежных классификационных обществ указывается на необхо­димость внесения характеристик надежности в техническую доку­ментацию установленного на судах оборудования. Например, Бюро Веритас на основании опыта эксплуатации намечает опубликовать перечень предпочтительного по показателям надежности оборудо­вания, поставляемого различными фирмами.

Появление отказов в работе систем судовой автоматики зависит от многих и часто случайных причин, поэтому теория надежности использует вероятностные методы исследования.

Предлагается к прочтению: Планирование перехода в штормовых условиях

Мероприятия по повышению надежности средств судовой авто­матики могут быть проведены на трех этапах:

• при проектирова­нии;
• производстве;
• в процессе эксплуатации.

Значительно выгоднее направлять основные усилия на создание надежных эле­ментов судовой автоматики, чем пытаться поддерживать работо­способность уже изготовленной и недостаточно надежной аппара­туры. Тем не менее и в процессе эксплуатации могут быть проведены мероприятия по повышению надежности судовой автома­тики.

Следует иметь в виду, что ряд мероприятий по повышению на­дежности элементов автоматики при их проектировании осуществ­ляется лишь на основе эксплуатационных данных.

Надежность систем автоматики при их проектировании можно повысить как схемными, так и конструктивными методами. Схем­ные методы объединяют мероприятия по повышению надежности систем путем совершенствования их принципиальных схем. Выде­ляют четыре направления совершенствования схем:

• создание возможно более простых схем;
• создание схем с ограниченными последствиями отказов;
• резервирование элементов схемы;
• создание схем с широкими допусками на параметры элемен­тов и внешние воздействия.

Создание возможно более простых схем (речь идет о рациональ­ном уменьшении числа элементов в системе без ущерба для ее ха­рактеристик) относится к наиболее трудным вопросам проектиро­вания. Уменьшение сложности систем автоматики — единственная область, где увеличению надежности сопутствует уменьшение веса системы. Для контактных релейных схем существует теория, и позволяющая проектировать системы автоматики с минимальным числом релейных элементов. Создание схем с ограниченными последст­виями отказов имеет большое значение для систем управления главными энергетическими установками судов. Отказы в этих си­стемах делятся на две группы:

• отказы с опасными последст­виями;
• отказы без опасных последствий.

Схемы систем автоматики, выполняющих соответственные функ­ции, желательно проектировать таким образом, чтобы исключить возможность появления отказов с опасными последствиями. Так, для буксиров с ВРШ опасным последствием отказа в системе управления является самопроизвольная перекладка лопастей. В ре­зультате такого перемещения, например, на портовом буксире-кантовщике, работающем, как правило, в узкостях, может прои­зойти серьезная авария. Аналогично в системах управления глав­ными судовыми дизель-генераторами, в схемах ДГЭУ при отказе в работе реле защиты двигателя от реверсирования возможны пере­ход генератора в двигательный режим и, как следствие, авария дизеля.

Имеются определенные возможности для повышения надежно­сти судовой автоматики в результате резервирования ее элементов. С этой целью, например, для световых сигналов рекомендуется либо использование двух параллельно включенных ламп, либо при­менение одной лампы с двумя уровнями яркости. В последнем слу­чае погасание лампы свидетельствует о неисправности в системе сигнализации. В пневматических и гидравлических системах управления обязательно резервирование фильтров, источников питания системы, постов управления.

Благодаря применению резервирования можно создать надежно работающие системы. В связи со все более широким распростра­нением малогабаритных полупроводниковых приборов и миниатюр­ных пневмоэлементов появляется реальная возможность широко применять резервирование в системах судовой автоматики.

Схемы судовой автоматики с широкими допусками на пара­метры элементов и внешние нагрузки обеспечивают исправность системы в разнообразных условиях эксплуатации. Например, слу­чайные колебания напряжения и частоты при использовании валогенераторов не должны сказываться на показателях работы систем автоматики. Для создания схем автоматики с широкими до­пусками на параметры элементов и внешние нагрузки иногда целесообразно увеличивать число элементов в системе. На разных стадиях проектирования нужно иметь возможность хотя бы прибли­женно оценивать надежность работы выбранной системы автома­тики. Для расчета надежности электрических систем судовой авто­матики, подобных системе «Вахта-М», может быть применен экспоненциальный закон распределения вероятности безотказной работы

$Р={е}^{–{\lambda }_{i}t}, Форм. 1$

где:

• t — время непрерывной работы системы.

Опасность отказов с учетом реальных условий

${\lambda }_i=\alpha k_{в}{\lambda }_{о}, Форм. 2$

где:

• α — относительный коэффициент интенсивности отказов от температуры;
• k_в — коэффициент вибрации для каждой группы оборудования (для судовой автоматики — III группа);
• λ_о — интенсивность отказов с учетом реальных условий, без учета механических воздействий.

Среднее время (в часах) исправной работы системы автоматики вычисляется по формулам:

${Т}_{ср}= – \frac{1}{{\lambda }_i} или {Т}_{ср}= – \frac{t}{In P}. Форм. 3$

Данные для определения указанных выше коэффициентов при­ведены в работе.

Наряду с количественной и качественной оценками, проблему надежности при автоматизации энергетической установки судна не­обходимо рассматривать с учетом и оценкой надежности правиль­ных действий оператора. Под надежностью выполнения работ опе­ратором понимается объективная уверенность в том, что работы по обслуживанию автоматического комплекса будут выполнены в за­данный срок.

В настоящее время все больший интерес проявляется к «стыку» технических наук с науками о человеке, поскольку даже в полно­стью автоматизированных установках человек неизбежно выпол­няет работы по обслуживанию техники. С прогрессом науки и тех­ники предъявляются все более жесткие требования к людям, уча­ствующим в мероприятиях по обслуживанию автоматических устройств, а также растет значение последствий несвоевременного и неправильного выполнения оператором своих обязанностей.