船舶自動操舵儀故障分析及其解決方案
文章分析了半導體分立元件和集成電路設計的自動舵工作原理,指出它們的缺點及其
故障產(chǎn)生的根本原因。應用可編程序控制器(PLC)技術研制的自動舵,克服了常規(guī)自動舵的缺點及其參數(shù)整定困難和控制效果的不足。自整定比例微積分調(diào)節(jié)器(PID)自動舵能夠自動適應船況和海況的變化,實現(xiàn)無擾動切換、
故障產(chǎn)生的根本原因。應用可編程序控制器(PLC)技術研制的自動舵,克服了常規(guī)自動舵的缺點及其參數(shù)整定困難和控制效果的不足。自整定比例微積分調(diào)節(jié)器(PID)自動舵能夠自動適應船況和海況的變化,實現(xiàn)無擾動切換、
摘要:文章分析了半導體分立元件和集成電路設計的自動舵工作原理,指出它們的缺點及其
故障產(chǎn)生的根本原因。應用可編程序控制器(PLC)技術研制的自動舵,克服了常規(guī)自動舵的缺點及其參數(shù)整定困難和控制效果的不足。自整定比例微積分調(diào)節(jié)器(PID)自動舵能夠自動適應船況和海況的變化,實現(xiàn)無擾動切換、變增益調(diào)節(jié)、抗積分飽和、微分先行等功能,克服了舵機振蕩。實船應用證明了該自整定比例微積分調(diào)節(jié)器船舶自動舵的有效性。
0 引言
船舶自動操舵儀是保證船舶安全航行的重要設備,而舵機振蕩出現(xiàn)的故障率最高。我國造船工業(yè)已具規(guī)模,每年生產(chǎn)艘數(shù)甚多的小型船舶,開發(fā)出性能可靠、價格合理的船舶自動操舵儀,完全可以得到推廣和應用。針對船舶自動操舵儀出現(xiàn)的故障,分析了其控制單元的特點及工作原理,給出了通用的性價比高的技術解決方案。
1 常規(guī)自動舵控制單元分析
1)半導體分立元件自動舵。
半導體分立元件正常工作需要一定的條件,若超出其允許的范圍,將不能正常工作,甚至造成永久性的破壞。對于大功率管的功耗能力并不服從等功耗規(guī)律,其工作電壓升高,其耗能功率相應減小。三極管在工作時,可能Uce并未超過BUceo,Pc也未達到Pcm,而三極管已被擊穿損壞了。因此,使用半導體模擬元件要考慮di/dt、du/dt的影響,即使在其允許工作范圍內(nèi)也可能造成損壞。特別是外延型高頻功率管,在使用中要防止二次擊穿。元器件老化、特性飄移,引起性能下降、工作不穩(wěn)定,故障率最高。
2)集成電路設計的自動舵。
集成電路與分立元器件組成的電路相比,具有體積小、功耗低、性能好、重量輕、可靠性高、成本低等許多優(yōu)點。但同樣對電源電壓、溫度、濕度等外界因素變化敏感,其內(nèi)部又存在固有噪聲,這些將引起回路特性和參數(shù)變化,降低其穩(wěn)定性和可靠性。其功能擴展困難,難以調(diào)試,不能在線修改和故障診斷,對制作工藝要求很高。故障分析和排除十分困難。
3)舵機振蕩出現(xiàn)的幾率最高。
印刷電路板P. C. B要設法消除電路振蕩,常用RC校正網(wǎng)絡,在電路中加入電容C,或利用R、C元件進行相位補償,改變電路的高頻特性,從而破壞自激條件。
舵機抖動嚴重影響舵機工作和船舶航行,其發(fā)生的可能原因有舵機自激、舵輸入信號波動、電源自激、舵機與慣性傳感器形成電路閉環(huán)等。舵機抖動最有可能來自于控制電路P. C. B中某個運算放大環(huán)節(jié)的自激,可能是由于線路增益異常、線路幅頻或相頻特性不正常,以及舵系統(tǒng)幅頻或相頻特性不正常引起的。
電液舵機多為閥控型,其轉舵不靈敏,可能舵系中線不正,引起單面卡緊,也可能滾動軸承有損傷。配合間隙較大,舵系出現(xiàn)敲擊。轉舵不準確,舵葉實際位置與舵角機械指示的讀數(shù)不吻合,偏差超過0. 5°[4]。舵機振蕩嚴重,有明顯跑舵現(xiàn)象,表明主油路鎖閉不嚴,間隙較大。
許多國產(chǎn)自動操舵儀使用磁羅經(jīng)檢測船舶實際航向,精度低,可靠性差。由于磁羅經(jīng)慣性和遲延較大、容易過沖,又存在磁差、自差和綜合偶然誤差,其0線與真北線間的差角是磁差與自差的代數(shù)和,因此磁羅經(jīng)指向不穩(wěn)定,不宜直接用于自動舵控制系統(tǒng),磁羅經(jīng)作為無源導航設備,僅適應用于隨動和應急操舵。
陀螺電羅經(jīng)也存在船速誤差、沖擊誤差和綜合偶然誤差,在正常穩(wěn)定工況下,一般<0. 5°~±1°,可以通過軟件編程處理羅經(jīng)差,滿足自動舵控制的需要。GPS應用已經(jīng)普及,而把GPS提供的航跡信號用于船舶航跡(航向)控制,實現(xiàn)的成本較高。
2 基于S7-200PLC設計自動舵的優(yōu)點
在船舶操縱控制中,經(jīng)典的PID舵對高頻干擾過于敏感,引起頻繁操舵,缺乏對船舶動態(tài)特性及海況變化的自適應能力[5]。而常規(guī)的自適應控制舵系統(tǒng)實現(xiàn)成本高,參數(shù)調(diào)整難度大,控制效果難以保證。
本系統(tǒng)使用STEP 7Micro/WIN V4. 0 SP4編程軟件,有在線自整定PID控制功能和監(jiān)控界面[6-7]。既可以生成模擬量輸出PID控制算法,也支持開關量輸出;既支持連續(xù)自動調(diào)節(jié),也支持手動參與控制。利用PID指令向導,可以定義設定值的上、下限取值范圍、增益、積分時間、微分時間、采樣時間,可以指定輸入輸出值的類型、范圍,提供低限、高限及過程錯誤報警,生成PID初始化子程序和中斷程序及手動/自動模式無擾動切換,還能自動分配地址,自動為參數(shù)表分配符號名,實現(xiàn)PID參數(shù)配方。
實際運行并調(diào)試PID自動舵參數(shù)時,其控制的效果就是看反饋是否跟隨設定值,響應是否快速、穩(wěn)定,能否抑制閉環(huán)中的各種擾動而回復穩(wěn)定。利用自整定控制界面PID-TUNE面板,能夠連續(xù)觀察反饋對于給定變化的響應曲線。通過查看DataBlock,以及SymbolTable相應的PID符號標簽的內(nèi)容,可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表[6-7],包括PB、Ti、Td、Ts等等。將此表的地址復制到Status Chart中,可在監(jiān)控模式下在線修改PID參數(shù),而不必停機再次做組態(tài)。
由于船舶的大慣性、大滯后和慢響應,會引起船舶圍繞給定航線連續(xù)地振蕩運動。船舶航線為Z字型,為了使船舶在給定航向轉向點附近的航跡偏差較小,且減小在給定航線上的振蕩幅度,實現(xiàn)光滑轉換, PLC自動舵必須增加一些補償功能[8]。
PLC自動舵除具備PID參數(shù)自整定功能外,航向整定、舵角設定值的大小功能數(shù)字顯示,具有自動偏航報警功能(偏航角≥5°)、舵角比(GAIN)調(diào)節(jié)(能產(chǎn)生足夠大的轉船力矩)、限幅功能、反舵角(制動舵角)調(diào)節(jié)、壓舵角調(diào)節(jié)、靈敏度/天氣(DEAD BAND)調(diào)節(jié)(風平浪靜時高,大風浪時低)、小舵角航向調(diào)節(jié)、游隙機構補償功能,這些功能分別由S7-200PLC的子程序實現(xiàn)。
為了使船舶轉向平穩(wěn),減小沖過頭的幅度,使船舶在轉向點附近航跡偏差小且減小在給定航線上的振蕩,實現(xiàn)平滑轉向。由于船上沒安裝旋回角速度傳感器,追隨性指數(shù)T和旋回性指數(shù)K開環(huán)測試不方便,在線辨識和參數(shù)估計又較難,因此根據(jù)駕駛員的經(jīng)驗來編程實現(xiàn)。變增益調(diào)節(jié)根據(jù)船速、偏舵角和船的慣性來綜合考慮,追求轉向均勻為控制目標。
圖1所示為S7-200PLC設計的船舶自動舵框圖。圖中,Ⅰ-在觸摸屏上進行整定和顯示;Ⅱ-在觸摸屏只進行顯示;Ⅲ-操舵模式在觸摸屏操作和顯示,其它4個只進行顯示;Ⅳ-通過增量式編碼器把電羅經(jīng)的實際航向采集到PLC,使用HSC指令;Ⅴ-舵令和實際舵角;Ⅵ-開關量輸入;Ⅶ-開關量輸出。隨動操舵、應急操舵時,駕駛員能看到舵令表、實際舵角和實際航向。自動操舵時,只需實際航向和給定航向。
3 S7-200PLC船舶自動舵實現(xiàn)的功能
為了使同一型號的自動舵裝置能夠適用于不同的排水量、裝載量、航速及各種天氣、海況,在自動舵系統(tǒng)中,根據(jù)上述要求應進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。1)靈敏度/天氣調(diào)節(jié)。靈敏度是指系統(tǒng)開始投入工作時的最小偏航角。根據(jù)天氣、海況而進行調(diào)節(jié)。在風浪靜的情況下,靈敏度要調(diào)高一些;但在大風大浪的情況下,應適當降低自動操舵的靈敏度。
2)舵角比例調(diào)節(jié)。偏舵角與偏航角之比例關系。舵角比例過小,就不能產(chǎn)生足夠的轉船力矩,回轉性能不好;過大,使船舶可能回轉過頭,穩(wěn)定性差,還會降低船舶航速。要根據(jù)船型、裝載、航速等情況調(diào)節(jié)舵角比例,以獲得一個合適的舵角比。
3)反舵角(制動舵角/穩(wěn)舵角/糾偏舵角)調(diào)節(jié)。船舶在偏離正航向時,自動舵能使船舶恢復到原來的正航向上,船舶在恢復到原來的正航向過程中,作“S”形衰減振蕩航行,為了使船舶盡快地恢復到正航向,必須具有微環(huán)節(jié),以得到需要的反舵角。制動舵角根據(jù)機構游隙編程予以補償,消除機械方面造成的振蕩。
4)壓舵角調(diào)節(jié)。為了糾正船舶由于受到單側風浪、水流等因素影響而引起的不對稱偏航或單側偏航,自動舵中應當設有自動壓舵和人工壓舵調(diào)節(jié)。
5)航向(小舵角)調(diào)節(jié)。在自動操舵運行中,可以通過航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向,使船舶在新的航向上航行。
6)P、I、D參數(shù)自動調(diào)節(jié)。既可以手動調(diào)節(jié),也可以自動整定,手動—自動切換無擾動。PID參數(shù)棒壯圖、數(shù)字、過程曲線3種顯示方式。
7)航向設定、舵角給定。分別通過模擬電位器送入PLC刻度化,在HMI上以棒狀圖、趨勢圖、模擬表顯示。
8)限幅及允許偏航角設定。限幅與左右滿舵相對應,保證舵機有效工作范圍。實際航向與給定航向的允許偏差可以修改,如果太小容易引起頻繁操舵,太大則在給定航線上的Z字型振蕩幅度大。
自動舵控制回路結構如圖2所示。
自動舵、隨動舵和應急舵,可以通過HMI隨機選擇。使用時首先接通總電源開關給系統(tǒng)供電,然后啟動舵機,將舵機油泵選擇開關打到№1或№2,之后將操舵方式選擇開關轉換到相應的操舵方式上進行操舵。
1)應急舵。搬動應急操舵手柄進行左舵或右舵操作。此時舵角表將顯示相應的實際舵角,船舶轉向,電羅經(jīng)顯示船舶的實際航向。如果停止搬動應急手柄,則舵角表將停止在相應的舵角或自動回零。
2)隨動舵。發(fā)出舵角指令后,不僅可使舵按指定方向轉動,而且在舵轉到指令舵角后還能自動停止。使用時轉動隨動舵操舵手輪到某一位置,舵令表將同步指示該位置所對應的舵角,此時舵機將帶動舵葉按照一定的速度轉到舵令表所指示的舵角,舵角表將滯后于舵令表而按照實際舵葉的轉動速度轉到舵令表所指示的舵角(滿舵時間≤28 s)。電羅經(jīng)顯示船舶的實際航向。
3)自動舵。在船舶長時間沿指定航向航行時使用,它能在船因風、浪、流及螺旋槳的不對稱作用等造成偏航時,靠羅經(jīng)測知并自動發(fā)出信號,使操舵裝置改變舵角,以使船舶能夠自動地保持既定的航向航行。使用時首先設定航向,此航向應與船舶實際航向即電羅經(jīng)的指示大體相一致,船舶在航行發(fā)生偏航時即通過自整定PID功能連續(xù)自動輸出相應的舵角,使船舶航向恢復到設定的航向上來。
通過改變相應的參數(shù)(靈敏度、比例、積分、微分)可以改變自動舵的輸出特性。
4 結論
半導體分立元件、集成電路設計的船舶自動舵,由于船上的工作環(huán)境惡劣,對十幾年以上船齡的船舶來說,印刷電路板的壽命和可靠性大大降低,穩(wěn)定性差,出現(xiàn)的故障率很高。而數(shù)字化、微機化設計的自動舵實現(xiàn)的成本高。但利用PLC實用新技術,提高船舶舵機的控制功能,將會取得良好的控制效果。PLC適應船舶惡劣環(huán)境,可靠性高,功能強,價格便宜,編程調(diào)試方便。PLC自動舵能適用于船舶不同的排水量、航速、天氣、海況,實現(xiàn)PID的自整定功能和PID參數(shù)配方管理,使PLC自動舵在調(diào)節(jié)過程中具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。維修成本低,操作管理方便,并且PLC能動態(tài)顯示舵機狀態(tài),便于在線故障診斷。
參考文獻
[1]張桂臣,何文雪.船舶舵機控制系統(tǒng)故障分析及其改造[J].船舶工程, 2006 (5): 78-81.
[2]冒天誠.船舶電力拖動自動控制系統(tǒng)[M],人民交通出版社, 1981.
[3]張桂臣,任光.船舶自動舵控制系統(tǒng)實施改造的研究及實現(xiàn)[J].中國造船, 2006 (12): 111-114.
[4]費千.船舶輔機[M].大連海事大學出版社, 1994.
[5]王賢惠,陸祥潤.船舶自動控制理論及應用[M].科學技術文獻出版社, 1992
故障產(chǎn)生的根本原因。應用可編程序控制器(PLC)技術研制的自動舵,克服了常規(guī)自動舵的缺點及其參數(shù)整定困難和控制效果的不足。自整定比例微積分調(diào)節(jié)器(PID)自動舵能夠自動適應船況和海況的變化,實現(xiàn)無擾動切換、變增益調(diào)節(jié)、抗積分飽和、微分先行等功能,克服了舵機振蕩。實船應用證明了該自整定比例微積分調(diào)節(jié)器船舶自動舵的有效性。
0 引言
船舶自動操舵儀是保證船舶安全航行的重要設備,而舵機振蕩出現(xiàn)的故障率最高。我國造船工業(yè)已具規(guī)模,每年生產(chǎn)艘數(shù)甚多的小型船舶,開發(fā)出性能可靠、價格合理的船舶自動操舵儀,完全可以得到推廣和應用。針對船舶自動操舵儀出現(xiàn)的故障,分析了其控制單元的特點及工作原理,給出了通用的性價比高的技術解決方案。
1 常規(guī)自動舵控制單元分析
1)半導體分立元件自動舵。
半導體分立元件正常工作需要一定的條件,若超出其允許的范圍,將不能正常工作,甚至造成永久性的破壞。對于大功率管的功耗能力并不服從等功耗規(guī)律,其工作電壓升高,其耗能功率相應減小。三極管在工作時,可能Uce并未超過BUceo,Pc也未達到Pcm,而三極管已被擊穿損壞了。因此,使用半導體模擬元件要考慮di/dt、du/dt的影響,即使在其允許工作范圍內(nèi)也可能造成損壞。特別是外延型高頻功率管,在使用中要防止二次擊穿。元器件老化、特性飄移,引起性能下降、工作不穩(wěn)定,故障率最高。
2)集成電路設計的自動舵。
集成電路與分立元器件組成的電路相比,具有體積小、功耗低、性能好、重量輕、可靠性高、成本低等許多優(yōu)點。但同樣對電源電壓、溫度、濕度等外界因素變化敏感,其內(nèi)部又存在固有噪聲,這些將引起回路特性和參數(shù)變化,降低其穩(wěn)定性和可靠性。其功能擴展困難,難以調(diào)試,不能在線修改和故障診斷,對制作工藝要求很高。故障分析和排除十分困難。
3)舵機振蕩出現(xiàn)的幾率最高。
印刷電路板P. C. B要設法消除電路振蕩,常用RC校正網(wǎng)絡,在電路中加入電容C,或利用R、C元件進行相位補償,改變電路的高頻特性,從而破壞自激條件。
舵機抖動嚴重影響舵機工作和船舶航行,其發(fā)生的可能原因有舵機自激、舵輸入信號波動、電源自激、舵機與慣性傳感器形成電路閉環(huán)等。舵機抖動最有可能來自于控制電路P. C. B中某個運算放大環(huán)節(jié)的自激,可能是由于線路增益異常、線路幅頻或相頻特性不正常,以及舵系統(tǒng)幅頻或相頻特性不正常引起的。
電液舵機多為閥控型,其轉舵不靈敏,可能舵系中線不正,引起單面卡緊,也可能滾動軸承有損傷。配合間隙較大,舵系出現(xiàn)敲擊。轉舵不準確,舵葉實際位置與舵角機械指示的讀數(shù)不吻合,偏差超過0. 5°[4]。舵機振蕩嚴重,有明顯跑舵現(xiàn)象,表明主油路鎖閉不嚴,間隙較大。
許多國產(chǎn)自動操舵儀使用磁羅經(jīng)檢測船舶實際航向,精度低,可靠性差。由于磁羅經(jīng)慣性和遲延較大、容易過沖,又存在磁差、自差和綜合偶然誤差,其0線與真北線間的差角是磁差與自差的代數(shù)和,因此磁羅經(jīng)指向不穩(wěn)定,不宜直接用于自動舵控制系統(tǒng),磁羅經(jīng)作為無源導航設備,僅適應用于隨動和應急操舵。
陀螺電羅經(jīng)也存在船速誤差、沖擊誤差和綜合偶然誤差,在正常穩(wěn)定工況下,一般<0. 5°~±1°,可以通過軟件編程處理羅經(jīng)差,滿足自動舵控制的需要。GPS應用已經(jīng)普及,而把GPS提供的航跡信號用于船舶航跡(航向)控制,實現(xiàn)的成本較高。
2 基于S7-200PLC設計自動舵的優(yōu)點
在船舶操縱控制中,經(jīng)典的PID舵對高頻干擾過于敏感,引起頻繁操舵,缺乏對船舶動態(tài)特性及海況變化的自適應能力[5]。而常規(guī)的自適應控制舵系統(tǒng)實現(xiàn)成本高,參數(shù)調(diào)整難度大,控制效果難以保證。
本系統(tǒng)使用STEP 7Micro/WIN V4. 0 SP4編程軟件,有在線自整定PID控制功能和監(jiān)控界面[6-7]。既可以生成模擬量輸出PID控制算法,也支持開關量輸出;既支持連續(xù)自動調(diào)節(jié),也支持手動參與控制。利用PID指令向導,可以定義設定值的上、下限取值范圍、增益、積分時間、微分時間、采樣時間,可以指定輸入輸出值的類型、范圍,提供低限、高限及過程錯誤報警,生成PID初始化子程序和中斷程序及手動/自動模式無擾動切換,還能自動分配地址,自動為參數(shù)表分配符號名,實現(xiàn)PID參數(shù)配方。
實際運行并調(diào)試PID自動舵參數(shù)時,其控制的效果就是看反饋是否跟隨設定值,響應是否快速、穩(wěn)定,能否抑制閉環(huán)中的各種擾動而回復穩(wěn)定。利用自整定控制界面PID-TUNE面板,能夠連續(xù)觀察反饋對于給定變化的響應曲線。通過查看DataBlock,以及SymbolTable相應的PID符號標簽的內(nèi)容,可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表[6-7],包括PB、Ti、Td、Ts等等。將此表的地址復制到Status Chart中,可在監(jiān)控模式下在線修改PID參數(shù),而不必停機再次做組態(tài)。
由于船舶的大慣性、大滯后和慢響應,會引起船舶圍繞給定航線連續(xù)地振蕩運動。船舶航線為Z字型,為了使船舶在給定航向轉向點附近的航跡偏差較小,且減小在給定航線上的振蕩幅度,實現(xiàn)光滑轉換, PLC自動舵必須增加一些補償功能[8]。
PLC自動舵除具備PID參數(shù)自整定功能外,航向整定、舵角設定值的大小功能數(shù)字顯示,具有自動偏航報警功能(偏航角≥5°)、舵角比(GAIN)調(diào)節(jié)(能產(chǎn)生足夠大的轉船力矩)、限幅功能、反舵角(制動舵角)調(diào)節(jié)、壓舵角調(diào)節(jié)、靈敏度/天氣(DEAD BAND)調(diào)節(jié)(風平浪靜時高,大風浪時低)、小舵角航向調(diào)節(jié)、游隙機構補償功能,這些功能分別由S7-200PLC的子程序實現(xiàn)。
為了使船舶轉向平穩(wěn),減小沖過頭的幅度,使船舶在轉向點附近航跡偏差小且減小在給定航線上的振蕩,實現(xiàn)平滑轉向。由于船上沒安裝旋回角速度傳感器,追隨性指數(shù)T和旋回性指數(shù)K開環(huán)測試不方便,在線辨識和參數(shù)估計又較難,因此根據(jù)駕駛員的經(jīng)驗來編程實現(xiàn)。變增益調(diào)節(jié)根據(jù)船速、偏舵角和船的慣性來綜合考慮,追求轉向均勻為控制目標。
圖1所示為S7-200PLC設計的船舶自動舵框圖。圖中,Ⅰ-在觸摸屏上進行整定和顯示;Ⅱ-在觸摸屏只進行顯示;Ⅲ-操舵模式在觸摸屏操作和顯示,其它4個只進行顯示;Ⅳ-通過增量式編碼器把電羅經(jīng)的實際航向采集到PLC,使用HSC指令;Ⅴ-舵令和實際舵角;Ⅵ-開關量輸入;Ⅶ-開關量輸出。隨動操舵、應急操舵時,駕駛員能看到舵令表、實際舵角和實際航向。自動操舵時,只需實際航向和給定航向。
3 S7-200PLC船舶自動舵實現(xiàn)的功能
為了使同一型號的自動舵裝置能夠適用于不同的排水量、裝載量、航速及各種天氣、海況,在自動舵系統(tǒng)中,根據(jù)上述要求應進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。1)靈敏度/天氣調(diào)節(jié)。靈敏度是指系統(tǒng)開始投入工作時的最小偏航角。根據(jù)天氣、海況而進行調(diào)節(jié)。在風浪靜的情況下,靈敏度要調(diào)高一些;但在大風大浪的情況下,應適當降低自動操舵的靈敏度。
2)舵角比例調(diào)節(jié)。偏舵角與偏航角之比例關系。舵角比例過小,就不能產(chǎn)生足夠的轉船力矩,回轉性能不好;過大,使船舶可能回轉過頭,穩(wěn)定性差,還會降低船舶航速。要根據(jù)船型、裝載、航速等情況調(diào)節(jié)舵角比例,以獲得一個合適的舵角比。
3)反舵角(制動舵角/穩(wěn)舵角/糾偏舵角)調(diào)節(jié)。船舶在偏離正航向時,自動舵能使船舶恢復到原來的正航向上,船舶在恢復到原來的正航向過程中,作“S”形衰減振蕩航行,為了使船舶盡快地恢復到正航向,必須具有微環(huán)節(jié),以得到需要的反舵角。制動舵角根據(jù)機構游隙編程予以補償,消除機械方面造成的振蕩。
4)壓舵角調(diào)節(jié)。為了糾正船舶由于受到單側風浪、水流等因素影響而引起的不對稱偏航或單側偏航,自動舵中應當設有自動壓舵和人工壓舵調(diào)節(jié)。
5)航向(小舵角)調(diào)節(jié)。在自動操舵運行中,可以通過航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向,使船舶在新的航向上航行。
6)P、I、D參數(shù)自動調(diào)節(jié)。既可以手動調(diào)節(jié),也可以自動整定,手動—自動切換無擾動。PID參數(shù)棒壯圖、數(shù)字、過程曲線3種顯示方式。
7)航向設定、舵角給定。分別通過模擬電位器送入PLC刻度化,在HMI上以棒狀圖、趨勢圖、模擬表顯示。
8)限幅及允許偏航角設定。限幅與左右滿舵相對應,保證舵機有效工作范圍。實際航向與給定航向的允許偏差可以修改,如果太小容易引起頻繁操舵,太大則在給定航線上的Z字型振蕩幅度大。
自動舵控制回路結構如圖2所示。
自動舵、隨動舵和應急舵,可以通過HMI隨機選擇。使用時首先接通總電源開關給系統(tǒng)供電,然后啟動舵機,將舵機油泵選擇開關打到№1或№2,之后將操舵方式選擇開關轉換到相應的操舵方式上進行操舵。
1)應急舵。搬動應急操舵手柄進行左舵或右舵操作。此時舵角表將顯示相應的實際舵角,船舶轉向,電羅經(jīng)顯示船舶的實際航向。如果停止搬動應急手柄,則舵角表將停止在相應的舵角或自動回零。
2)隨動舵。發(fā)出舵角指令后,不僅可使舵按指定方向轉動,而且在舵轉到指令舵角后還能自動停止。使用時轉動隨動舵操舵手輪到某一位置,舵令表將同步指示該位置所對應的舵角,此時舵機將帶動舵葉按照一定的速度轉到舵令表所指示的舵角,舵角表將滯后于舵令表而按照實際舵葉的轉動速度轉到舵令表所指示的舵角(滿舵時間≤28 s)。電羅經(jīng)顯示船舶的實際航向。
3)自動舵。在船舶長時間沿指定航向航行時使用,它能在船因風、浪、流及螺旋槳的不對稱作用等造成偏航時,靠羅經(jīng)測知并自動發(fā)出信號,使操舵裝置改變舵角,以使船舶能夠自動地保持既定的航向航行。使用時首先設定航向,此航向應與船舶實際航向即電羅經(jīng)的指示大體相一致,船舶在航行發(fā)生偏航時即通過自整定PID功能連續(xù)自動輸出相應的舵角,使船舶航向恢復到設定的航向上來。
通過改變相應的參數(shù)(靈敏度、比例、積分、微分)可以改變自動舵的輸出特性。
4 結論
半導體分立元件、集成電路設計的船舶自動舵,由于船上的工作環(huán)境惡劣,對十幾年以上船齡的船舶來說,印刷電路板的壽命和可靠性大大降低,穩(wěn)定性差,出現(xiàn)的故障率很高。而數(shù)字化、微機化設計的自動舵實現(xiàn)的成本高。但利用PLC實用新技術,提高船舶舵機的控制功能,將會取得良好的控制效果。PLC適應船舶惡劣環(huán)境,可靠性高,功能強,價格便宜,編程調(diào)試方便。PLC自動舵能適用于船舶不同的排水量、航速、天氣、海況,實現(xiàn)PID的自整定功能和PID參數(shù)配方管理,使PLC自動舵在調(diào)節(jié)過程中具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。維修成本低,操作管理方便,并且PLC能動態(tài)顯示舵機狀態(tài),便于在線故障診斷。
參考文獻
[1]張桂臣,何文雪.船舶舵機控制系統(tǒng)故障分析及其改造[J].船舶工程, 2006 (5): 78-81.
[2]冒天誠.船舶電力拖動自動控制系統(tǒng)[M],人民交通出版社, 1981.
[3]張桂臣,任光.船舶自動舵控制系統(tǒng)實施改造的研究及實現(xiàn)[J].中國造船, 2006 (12): 111-114.
[4]費千.船舶輔機[M].大連海事大學出版社, 1994.
[5]王賢惠,陸祥潤.船舶自動控制理論及應用[M].科學技術文獻出版社, 1992
本文標簽：船舶自動操舵儀故障分析及其解決方案
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