Автоматическое управление.

Лекция 28

Автоматизированные системы состоят из большого числа отдельных устройств и механизмов, параметры которых необходимо измерять, контролировать и обрабатывать. Число контролируемых параметров на судне может достигать нескольких сотен и даже тысяч. При повышении у сгруппированных параметров заданных значений включается обобщенная звуковая и световая сигнализация. Посты обобщенной сигнализации могут устанавливаться в центральном посту управления (ЦПУ), в рулевой рубке, в кают-компании, каютах механиков.

Благодаря росту уровня автоматизации судов, введению без вахтенного обслуживания, сокращению численности экипажа повышается роль и значение систем автоматизированного измерения и контроля параметров, сигнализации и систем внутрисудовой связи.

В связи с этим на водном транспорте особое значение приобретает повышение надежности систем измерения, контроля, сигнализации, управления, внутрисудовой связи. Это достигается увеличением надежности элементной базы, применением функционального встроенного контроля исправности отдельных блоков, резервированием и унифицированием узлов.

Измерительные элементы обычно классифицируют по роду измеряемой ими физической величины. С этой точки зрения различают элементы, предназначенные для измерения давления, уровня, температуры, расхода, скорости, перемещения, электрического напряжения, тока, частоты и т.д. Отклонение измеряемой физической величины измерительные элементы преобразуют, как правило, в механическую или электрическую величину.

В качестве измерительных элементов для измерения давлений в судовых энергетических установках применяют упругие элементы, принцип действия которых основан на деформации упругого тела при действии на него давления. Это - плоские мембраны либо сильфоны. Плоские мембраны и сильфоны применяются также для измерения перепадов давлений и, следовательно, расходов жидкости или газа, поскольку расход при данной площади переходного сечения пропорционален перепаду давления на участке трубопровода.

Для измерения уровней применяются поплавковые и мембранные чувствительные элементы. Поплавки представляют собой полые металлические шары или цилиндры, связанные рычажной системой с усилительным элементом и размещенные в герметических камерах, соединяемых по принципу сообщающегося сосуда с резервуаром, в котором регулируется уровень. Недостатком поплавковых чувствительных элементов является неудовлетворительная их работа при качке судна, а также пониженная чувствительность ввиду трения в рычажных сочленениях. Эти недостатки в значительной мере устраняются в мембранных чувствительных элементах. Преимуществом последних является также возможность установки их на некотором расстоянии от резервуара, в котором регулируется уровень. Для измерения температур в системах автоматического регулирования судовых энергетических установок применяются термоманометрические, термоэлектрические и другие элементы. В системах автоматического управления частотой вращения машин в качестве измерительных элементов на морских судах используются центробежные маятники, тахогенераторы и импеллеры либо шестеренные насосы.

Назначение автоматической работы дизель-генераторов. Используемые приборы и устройства. Классификация

Назначение автоматической работы дизель-генераторов

Автоматизация судовых дизельных установок повышает производительность и улучшает условия труда судового экипажа, улучшает маневренность судна, снижает вероятность аварийных случаев, обеспечивает эксплуатацию судовых дизелей на заданных (в большинстве случаев оптимальных) режимах, благодаря чему снижается себестоимость перевозок, увеличиваются надежность и срок службы двигателей.

По своему назначению автоматические устройства на судовых дизелях могут быть разделены на следующие типы:

Автоматическая предупредительная (аварийная) сигнализация.

Система автоматической защиты.

Автоматическое управление.

Автоматическая предупредительная сигнализация срабатывает в случае выхода из нормальных пределов какого-либо из контролируемых ею рабочих показателей и тем самым дает возможность вахтенному штурману--механику своевременно предпринять необходимые меры для предупреждения соответствующих аварийных последствий. Обычно предупредительная сигнализация срабатывает, т. е. начинает подавать световые и звуковые сигналы, если недопустимо снизится давление в системе смазки двигателя, либо перегреется охлаждающая вода или масло, либо чрезмерно повысится температура отработавших газов.

Типовая принципиальная схема автоматической предупредительной сигнализации показана на рис. 1

Рисунок 1. Схема автоматической предупредительной сигнализации.

Автоматическая система состоит из трех основных элементов: датчика (чувствительного элемента) 1; управляющего элемента (реле) 2 и исполнительных органов (сигнализаторов световых и звуковых) 3 и 4.

Указанные основные элементы схемы связаны между собой электрическими, гидравлическими или пневматическими связями, и, кроме того, имеется источник питания 6 (на схеме -- аккумуляторная батарея). В цепи звукового сигнализатора обычно устанавливается выключатель 5, позволяющий в необходимых случаях выключить звуковой сигнал.

Датчики являются чувствительными элементами автоматической системы, они реагируют на изменение давления, температуры, числа оборотов вала и других показателей работы.

Температурные датчики применяют биметаллические, жидкостные и паровые. В качестве датчиков давления на двигателях наибольшее применение получили датчики мембранного сильфонного типа и датчики с трубкой Бурдона.

Датчики, реагирующие на изменение числа оборотов вала двигателя, в большинстве случаев - центробежные.

Управляющий элемент - реле или гидравлический переключатель (золотник). Исполнительные органы - сигнализаторы в рассматриваемой схеме пояснений не требуют.

Как видно, автоматическая предупредительная сигнализация контролирует наиболее важные показатели работы дизеля и оповещает вахтенного штурмана - механика о нарушениях его нормальной работы. Благодаря этому штурман - механик имеет возможность меньше занимать свое внимание наблюдением за показаниями контрольных измерительных приборов двигателей и, следовательно, в большей степени концентрировать свое внимание на внешних условиях судового хода, на выполнении маневров и на более рациональном выборе режимов движения судна и работы главного двигателя.

Таким образом, автоматическая предупредительная сигнализация облегчает условия работы вахтенного штурмана - механика, способствует лучшему выполнению маневров и уменьшению вероятности аварийных случаев.

Однако в отличие от других типов автоматических устройств предупредительная сигнализация выполняет пассивную роль, т. е. непосредственно в процессе управления дизелем участия не принимает.

Система автоматической защиты также состоит из трех основных элементов: датчиков, реагирующих на изменения каких-либо показателей работы; управляющего элемента и исполнительного органа. Однако в отличие от предыдущей схемы исполнительный орган (соленоид или сервомотор) здесь воздействует на топливные насосы, уменьшая число оборотов вала дизеля или останавливая его.

Например, если давление смазочного масла в системе работающего дизеля упадет ниже допустимого минимального значения, то система автоматической защиты, обнаружив это с помощью своего датчика, должна сработать и, воздействуя своим исполнительным органом на топливные насосы дизеля, уменьшить или прекратить подачу топлива в рабочие цилиндры либо остановить с помощью специальной воздушной заслонки.

Таким образом, системы автоматической защиты предохраняют двигатели от аварий, связанных с перегрузкой либо с нарушениями нормальной работы систем охлаждения и смазки. Автоматическая защита при аварийной ситуации активно вмешивается в процесс управления двигателем.

Системы автоматического управления можно разделить на две группы:

А. Автоматические устройства, ограничивающие изменение или поддерживающие на определенном уровне значение какого-либо показателя работы двигателя.

Б. Системы автоматического управления, изменяющие режимы работы двигателя по определенной программе, заданной соответствующим положением регулирующего органа (рукоятки) на посту управления.

В первую группу входят автоматические устройства, поддерживающие заданную температуру, давление или число оборотов вала двигателя. Эти устройства органически входят в конструкцию современных дизелей, опыт их применения исчисляется десятилетиями. Сюда входят редукционные и предохранительные клапаны, терморегуляторы (термостаты) в системах охлаждения и смазки и регуляторы числа оборотов вала двигателя.

Во вторую группу входят автоматика дистанционных систем управления и автоматические системы управления резервными или аварийными дизель-генераторами, которые срабатывают в зависимости от напряжения или частоты в контролируемой электрической сети.

Дистанционное управление (сокращенно ДУ) позволяет производить запуск двигателя, изменять число оборотов его вала, реверсировать направление вращения движителя и останавливать двигатель непосредственно из штурвальной рубки, которая находится на некотором расстоянии от машинного отделения. Это управление должно быть надежным в работе, постоянно готовым к действию, допускать быстрый переход к непосредственному управлению дизелем, обладать высокой точностью' выполнения операций управления и требовать небольших усилий для перемещения управляющих рукояток и маховичков; управление двигателем с его помощью должно быть простым и удобным.

Судовые дизель-генераторы в связи с работой экипажа методом совмещения профессий также оборудуются системами дистанционного и автоматического управления.

Дистанционное управление позволяет из рубки производить пуск и остановку дизель-генераторов, и соответствующие переключения в электрической сети.

ГОСТ 10032--62 устанавливает три степени автоматизации дизель-генераторов:

I степень - автоматическое поддержание нормальной работы дизель-генератора, аварийная сигнализация и защита;

II степень - дистанционное и автоматическое управление дизель-генератором с частичным обслуживанием без постоянного наблюдения;

III степень - дистанционное и автоматическое управление без обслуживания дизель-генераторов в течение 150 ч работы и более.

Автоматический пуск дизель-генератора происходит при срабатывании специального реле вследствие понижения напряжения или изменения частоты тока валогенератора, питающего электрическую сеть многих типов судов на ходовых режимах работы силовой установки, если на пульте в рулевой рубке переключатель управления находится в положении "Автозапуск". При автоматическом пуске дизель-генератора до начала прокрутки его электростартером или с помощью сжатого воздуха производится прокачка его системы смазки и разогреваются пусковые свечи (если они имеются).

Если дизель после раскрутки вала начинает работать на топливе, то скорость вращения вала увеличивается, что и является сигналом к отключению системы пуска.

При неудавшемся пуске система повторяет пусковые операции.

Перевод нагрузки с валогенератора на дизель-генератор может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Для сокращения промежутка времени от момента подачи команды "пуск" до переключения судовой электрической сети на резервный дизель-генератор обычно предусматривают постоянное поддержание его в прогретом состоянии за счет какого-либо внешнего источника тепла.

С увеличением до нормального уровня напряжения или частоты тока от валогенератора последний может автоматически принять на себя нагрузку, после чего резервный дизель-генератор автоматически останавливается.

Системы автоматического управления судовыми двигателями совершенствуются и развиваются. Ведутся работы по созданию самонастраивающихся автоматических систем управления, которые, исходя из внешних условий (атмосферного давления и температуры, технического состояния двигателя запаса глубины под килем и др.) и заданных требований (определенной продолжительности рейса, наименьшего расхода топлива и др.), будут выбирать и поддерживать оптимальные для этих условий режимы работы главных двигателей. Такие системы, кроме того, будут надежно защищать двигатели от опасных перегрузок, способствуя этим увеличению моторесурса.

В дальнейшем возможно создание таких автоматических систем, которые с помощью своих датчиков будут непрерывно контролировать техническое состояние двигателя, и сигнализировать о необходимости ремонта тех или иных его узлов, о необходимости смены смазочного масла и необходимости выполнения других назревших работ.

Судовая электростанция является центральным пунктом электроэнергетической системы судна и предназначена для выработки, преобразования и первичного распределения электрической энергии. В состав судовой электростанции входят источники и преобразователи электрической энергии и главный электрораспределительный щит с приборами управления, контроля и защиты. В судовых условиях при наличии сложных условий эксплуатации электрооборудования требуется повышенная надежность работы электростанции.

Судовые дизель-генераторы могут быть классифицированы, но назначению, роду тока, типам первичных двигателей генераторных агрегатов, способу отбора мощности, способу управления.

Датчики-реле температуры. Релейные датчики температуры применяется в качестве регулирующего, сигнализирующего или защитного устройства. Для автоматизации, установленных на судах и тепловозах, стационарных дизель, дизель-генераторов в том числе холодильных и нагревательных установок. В системах кондиционирования и вентиляции, автоматических системах контроля и регулирования температуры. Применяются, в том числе, для замены датчикиков-реле температуры воды и масла ТАМ 102, ТАМ 103, КРМ, ТАМ 113, ТАМ 123, Т 419, ТАМ 124, ТАМ 126, Т 32М, ТАМ 127, Т 21ВМ, Т 35В 2М, ТР-ОМ 5.

Датчики-реле давления. Релейные датчики давления применяется в качестве регулирующего, сигнализирующего или защитного устройства. Используются на судах и тепловозах, стационарных дизель, дизель-генераторов в том числе холодильных и нагревательных установок. В системах кондиционирования и вентиляции, автоматических системах контроля и регулирования давления. Применяются, в том числе, для замены датчиков ДЕМ-102, ДЕМ-105, КРМ.

Датчик - преобразователь ДТПМ. Датчик ДТПМ применяется для преобразования отклонения температуры от -30 до +90С в пропорциональный пневматический сигнал диапазона 0,098-0,490 МПа в системах автоматического регулирования тепловозных дизелей.

Реле контроля скорости РС-Э. Изготавливаются 16 модификаций - разные значения уставок (для дизелей ЧН 10,5/13, ЧН 12/14, ЧН 18/22, ЧН 21/21, ЧН 25/34, ЧН 40/46, 44Н 26/27 и др.) и нагрузочных характеристик. При заказе могут быть заданы любые значения уставок в зависимости от типа дизеля.

Применяется для замены реле скорости РС. 3М ТУ 25-02.381473-78

Тахометр электронный - ТЭ. Тахометр - ТЭ с функциями реле скорости. Датчик оборотов - оптического типа. При заказе могут быть заданы любые значения уставок.

Применяется для замены тахометра ТМи 3М Д 1ММ, реле скорости РС.3М ТУ 25-02.381473-78.

Датчик протечки топлива ДПТ-1М. Предназначен для выдачи релейного сигнала о протечке топлива из трубопроводов высокого давления.

Устройство сигнализации и управления дизелем УСУ-Д-1М. Изготавливаются четыре модификаций - под разную степень автоматизации дизеля.

УСУ-Д-1М-01. УСУ-Д-1М-02. УСУ-Д-1М-03. УСУ-Д-1М-04

Регулятор напряжения РЛ-Н-1М. Предназначен для стабилизации напряжения зарядных генераторов серии ГСК-1500. Изготавливаются две модификации - на 36,5 А и 54 А.

Применяется для замены -регулятора РЛ-2М ТУ 16-523.530-81, регуляторной коробки РК-1500.

Автоматизированные судовые дизель-генераторы по объему автоматизации должны соответствовать одной из трех степеней автоматизации.

При автоматизации по первой степени автоматически поддерживается частота вращения, температура охлаждающей жидкости и смазочного масла дизель- генераторов. Аварийно-предупредительная сигнализация и защита позволяют иметь условия эксплуатации, при которых дизель- генераторы могут работать без обслуживания и наблюдения не менее 4 ч.

Автоматизация по второй степени позволяет иметь в автоматическом режиме пуск, параллельную работу с другими дизель-генераторами, выключение из работы с продолжительностью эксплуатации без обслуживания не менее 24ч.

Дизель-генераторы, автоматизированные по третьей степени, имеют заданное распределение активных и реактивных нагрузок при параллельной работе генераторов, а также заданное управление вспомогательными агрегатами, обеспечивающими полный, объем автоматизации дизель-электрического агрегата со сроком необслуживаемой работы не менее 240 ч.

Вторая и третья степени автоматизации определяются наличием аварийной сигнализации и защиты при достижении предельных значений температуры и давления охлаждающей жидкости и смазочного масла дизеля, частоты вращения, обратного тока или обратной мощности генератора. Автоматическая остановка дизель-генератора (за исключением аварийной) выполняется после отключения нагрузки генератора; при параллельной работе снятие нагрузки осуществляется уменьшением подачи топлива до режима холостого хода.

В соответствии с Правилами Речного Регистра на выводах судовых генераторов должны быть номинальные стандартные напряжения 27, 115, 230 В - при постоянном, 133, 230 В - при однофазном переменном токе и 230, 400 В при трехфазной системе переменного тока, причем номинальная стандартная частота переменного тока должна быть равна 50 Гц.

При небольших значениях мощности судовой электростанции и ограниченных размерах судна увеличение напряжения обычно не дает существенного снижения массы кабелей.

По типам первичных двигателей генераторных агрегатов судовые электростанции бывают: с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), паровыми машинами, газовыми турбинами. При работе генераторов вследствие отбора мощности от главных двигателей судовой энергетической установки различают навешенные генераторы (небольшой мощности), установленные на двигатели, и валогенераторы (приводятся во вращение от главного валопровода).

Использование дизелей в качестве первичных двигателей судовых генераторов весьма целесообразно, так как они экономичны, компактны, автономны и требуют сравнительно несложной и небольшой по времени подготовки к пуску.

В настоящее время согласно государственному стандарту должны применяться дизели с частотой вращения 500, 750, 1000, 1500 об/мин. Высокооборотные дизель-генераторы легче малооборотных, занимают меньше места, дешевле и имеют более высокий к. п. д. Однако они обладают меньшим моторесурсом и очень шумны. Дизели допускают возможность работы с перегрузкой до 10 % номинальной мощности в течение 1 ч.

Судовые дизель-генераторы (ДГ) по способу соединения генераторов с первичными двигателями могут быть:

ДГР - дизель-генераторы рамные, у которых дизель и генератор конструктивно независимы, установлены на общей фундаментной раме и соединены между собой с помощью жесткой или эластичной муфты:

ДГФ - дизель-генераторы фланцевые, статор генератора которых крепится к остову дизеля с помощью фланца, а ротор может иметь один или два подшипника;

ДГМ - дизель-генераторы маховичные; ротор генератора в этом случае крепится непосредственно к коленчатому валу дизеля и является его маховиком.

На грузовых судах в составе электростанции могут быть валогенераторы, работающие вследствие отбора мощности от главного двигателя или гребного вала. Наиболее характерными режимами эксплуатации большинства типов грузовых судов являются режимы, при которых резерв мощности на гребном валу составляет 10--15 % номинальной мощности главного двигателя. В то же время опыт эксплуатации показывает, что мощность, потребляемая от электростанции в ходовом режиме работы судна, обычно не превышает 10 % мощности главного двигателя. Поэтому на грузовых судах имеется реальная возможность в ходовом режиме выключать из работы основные дизель-генераторы и включать генераторы с приводом от гребного вала. Валогенераторы в судовой электростанции экономят моторесурс дизель-генераторов, существенно повышают к. п. д. энергетической установки, уменьшают удельный расход топлива на киловатт-час, а также снижают уровень шума в машинном отделении. Сокращаются эксплуатационные расходы на обслуживание и ремонт дизель-генераторов.

Однако валогенераторы могут работать только на переднем ходу судна при диапазоне изменения частоты вращения главного двигателя в пределах 85 - 105 % номинального значения. Изменение напряжения на зажимах валогенератора допускается в таких же пределах, а частота тока должна быть равна 45--52,5 Гц. Валогенераторную установку в составе электростанции необходимо обеспечивать надежным резервированием за счет других источников электроэнергии (дизель-генератор, аккумуляторная батарея). При значительном снижении частоты вращения главного двигателя валогенератор отключается, и подается сигнал на автоматический запуск дизель-генератора. Система автозапуска должна выполнять пуск, разгон, возбуждение и включение на нагрузку за время, не превышающее 10 с с момента поступления сигнала на запуск. В период переключения нагрузки с валогенератора на дизель-генератор ответственные электроприемники обеспечиваются энергией от аккумуляторной батареи непосредственно или через преобразователь тока. Перерыв в питании ответственных приемников при автоматическом переключении валогенератора на аккумуляторную батарею, а также с батареи на дизель-генератор не должен превышать 3 с.

Не допускается наличие валогенератора в составе судовой электростанции на следующих типах судов: сухогрузных и наливных теплоходах смешанного "река--море" плавания; рейдовых и шлюзовых буксирах-толкачах, паромах; на судах любого назначения, где время использования валогенератора составляет менее 25 % ходового времени.

Наиболее целесообразна установка валогенераторов на грузовых транзитных судах (танкерах, толкачах, буксирах), так как электроэнергия, потребляемая на ходу этих судов, мала, а время использования валогенераторов составляет значительную часть ходового времени.