Автоматические системы управления судовыми энергетическими установками.

         Общие понятия и определения.

    Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления и регулирования, а также рассматривающая построение автоматических средств и систем. Судовая энергетическая установка представляет собой совокупность технических средств. Предназначенных для непрерывного и качественного производства электроэнергии и ее бесперебойного распределения между потребителями, призванными обеспечить работу всех систем судна. Для современных систем судовой автоматизации характерно использование различных средств и систем регулирования, управления и контроля.

        По характеру автоматизируемых функций системы судовой автоматики можно подразделить на следующие виды:

    1. автоматическое управление;

    2. дистанционное управление;

    3.автоматическое регулирование;

    4. автоматический контроль;

    5. автоматическая защита и блокировка.

В ряде случаев те или иные устройства по своему назначению трудно отнести к той или иной группе автоматизации.

Системы автоматической защиты иногда аналогичны системам автоматической аварийной сигнализации. Разница заключается лишь в том, что достижение контролируемой величиной предельного значения приводит не к выдаче аварийного сигнала, а к изменению режима работы или полной остановке механизма.

    Автоматизация судов — это процесс, при котором функции управления судном и его оборудованием, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и техническим устройствам. Автоматизация судовождения обеспечивает безопасность рейсов судов. При автоматизации судовых энергетических установок повышается надежность и экономичность работы оборудования, увеличивается, производительность и улучшаются условия труда плавсостава, сокращается его численность.

    Надзору РЕГИСТРА на судне подлежат системы автоматизации главных двигателей, котельной установки, судовой электростанции, системы компрессоров сжатого воздуха, осушительной системы, вспомогательных механизмов и др.

    Межремонтный ресурс автоматизированного оборудования должен быть не менее 25 тыс. ч.. Ежегодная наработка оборудования без подрегулировок и наладок должна составлять не менее 5 тыс. ч. Элементы и устройства автоматизации должны безотказно работать при длительном крене судна до 22,5 ° и длительном дифференте до 10°, а также, при бортовой качке до 45 ° с периодами 5—17 сек. Все оборудование автоматизации конструируют, или выбирают по принципу «выход из строя в безопасную сторону».

    На современных автоматизированных судах общее число средств так называемой «периферийной автоматики» достигает 500—700 ед. Практика эксплуатации показывает, что именно эта аппаратура наименее надежна. Многочисленные датчики и сигнализаторы имеют ресурсные характеристики в 2—2,5 раза ниже, чем гарантированный ресурс самих комплексных систем автоматизации. Характеристики надежности комплексных систем автоматизации, поставляемых на флот, гарантируются разработчиками без учета входящих в системы датчиков. При гарантированном техническом ресурсе автоматизированного комплекса, равном 25 тыс. ч, и суммарной наработке на отказ не менее 5 тыс. ч до 75 % входящих в него датчиков имеют технический ресурс 5—10 тыс. ч и фактическую наработку не более 2—3 тыс.

    Первостепенными задачами на современном этапе развития автоматизации являются: повышение надежности элементной базы; организация технического обслуживания систем автоматизации в судовых условиях и в порту; подготовка кадров, способных технически грамотно эксплуатировать системы автоматизации и выполнять необходимые профилактические мероприятия.

 

Требования правил Регистра к оборудованию автоматизации судов.

    Основные понятия и определения. Общие требования к автоматизации

v Какими основными понятиями характеризуется автоматизация?

    В качестве основных понятий приняты следующие:

ü система автоматизации — этосовокупность элементов и устройств для создания конструктивного и функционального целого, предназначенного для выполнения определенных функций в области управления, контроля и защиты;

ü элемент системы автоматизации — это самостоятельный в конструктивном отношении прибор (или устройство), используемый в системе автоматизации (например, реле, измерительное устройство, сервопривод, датчик, исполнительный механизм, усилитель). Автоматизированными объектами могут быть: двигатель, котельная установка, судовые системы или другие устройства, оборудованные системами и устройствами автоматического регулирования, управления, контроля и защиты;

ü управление — это процесс задания, поддержания режима работы объекта на основе анализа информации об его состоянии. Все виды управления могут быть непосредственными (местными) или дистанционными. В системах дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) должна быть обеспечена возможность дистанционного задания одним органом управления требуемых режимов работы при автоматическом выполнении промежуточных операций по заданной программе и исключена возможность одновременного управления с разных постов;

ü регулирование — такой процесс управления непрерывными режимами, при котором параметр, характеризующий режим, поддерживается в заданных пределах постоянным или изменяющимся по определенной программе, реализуемой регулятором;

ü регулятор — автоматическое устройство, воспринимающее отклонение некоторого значения от заданного и воздействующее на процесс в сторону восстановления регулируемого параметра. Существует множество регуляторов, которые можно классифицировать по разным признакам. Регуляторы могут быть: по виду используемой энергии — прямого действия, гидравлическими, пневматическими, электрическими, комбинированными; по типу обратной связи — без обратной связи, с жесткой обратной связью, комбинированными. Кроме того, по параметрам регулирования могут быть регуляторы давления, температуры, уровня, частоты вращения и д.р.;

ü регулируемая величина — физический показатель, характеризующий состояние происходящего в объекте регулирования процесса. Регулируемыми величинами применительно к судовым (например, регулятор уровня гидравлический с обратной связью, регулятор уровня электрический без обратной связи).

v Какие задачи решаются при внедрении современных средств автоматизации?

    На судах широкое распространение получают вычислительная техника, микропроцессоры и ЭВМ. С помощью судовой системы обработки данных могут быть решены вопросы:

ü фиксирования части оперативной информации, связанной с эксплуатацией технических средств (ТС) и используемой до очередного заводского ремонта (отклонение параметров от допустимых пределов, срабатывание средств защиты, переключение механизмов и т. п.);

ü регистрации отчетно-статистической информации, используемой после завершения эксплуатационного цикла для последующего анализа состояния ТС и уровня их технического обслуживания с целью определения и планирования мероприятий по улучшению эксплуатационных характеристик оборудования и судна в целом;

ü возможности восстановления последовательности событий при анализе аварийных ситуаций;

ü сокращения до минимума трудозатрат экипажа на ведение судовой отчетности и переход к автоматическому заполнению машинного журнала;

ü создания предпосылок к автоматизированной обработке документов судовой отчетности на разных уровнях.

    В книге рассмотрены системы судовых энергетических установок (СЭУ), где в качестве главных двигателей используются дизели.

v Какие основные понятия, характеризующие средства автоматизации, определены Правилами Регистра?

    Правилами Регистра приняты следующие понятия:

ü автоматизированный механизм — двигатель, котельная установка, судовые системы или другой механизм, оборудованный системами и устройствами автоматического регулирования, управления, контроля и защиты;

ü дистанционное автоматизированное управление — это управление, с помощью которого можно задавать желаемый режим работы механизма, воздействуя на элемент управления (например, регулирующий рычаг или рукоятку). Система управления в дальнейшем выполняет самостоятельно все промежуточные действия;

ü система аварийно-предупредительной сигнализации (АПС) — система, подающая сигнализацию о достижении контролируемыми параметрами установленных предельных значений и об изменении нормальных режимов работы механизмов и устройств;

ü система защиты — система, предназначенная для определенного автоматического воздействия на управляемую установку с целью предупреждения аварии или ограничения ее последствий;

ü система индикации — система, получающая информацию о значениях определенных физических параметров или об изменении определенных состояний;

ü устройство автоматизации — часть системы автоматизации, составленная из элементов, соединенных в одно конструктивное и функциональное целое.

    Согласно Правилам Регистра надзору при изготовлении на заводе подлежит следующее оборудование автоматизации: устройства систем централизованного контроля, аварийно-предупредительной сигнализации и защиты механической установки.

    В каких случаях система АПС должна подавать сигналы?

    В зависимости от объема автоматизации установок и порядка наблюдения за их работой система АПС должна подавать сигнал при достижении контролируемыми параметрами предельных значений. При срабатывании систем защиты; при отсутствии энергии для питания отдельных систем автоматизации; при включении аварийных источников энергии; при изменении параметров или состояний, сигнализация о которых предписывается требованиями Правил Регистра.

    Сигнализация о неисправности механизмов должна быть предусмотрена на постах управления.

    При каких обстоятельствах должна срабатывать система защиты?

    Система защиты должна срабатывать автоматически при появлении неисправностей, которые могут вызывать аварийное состояние механизмов или устройств. При этом должны быть восстановлены нормальные условия (посредством пуска резервных агрегатов) или работа механизмов временно приспособлена к возникшим условиям (снижена нагрузка механизма), или механизмы и котлы защищены от аварийного состояния в результате остановки механизма и прекращения подачи топлива.

 

Датчики изменения давления, температуры и других физических величин.

 

v Что представляют собой мембранные датчики давления с потенциометрическим преобразователем (потенциометром)?

    Потенциометр — это регулируемый резистор с подвижным контактом (движком). Применяется для регулирования электрического напряжения, а также в качестве датчиков перемещения. Потенциометрические датчики широко распространены на судах.

    У потенциометрического датчика должен быть малый момент для перемещения ползунка (не бо­лее 0,2 Н-см). В качестве чувствительного элемента используются пружинные или спиральные трубки (рис. 1, г), а также сильфоны.

    В датчике давления с потенциометрическим преобразователем (рис. 2) под действием давления происходит перемещение мембранной коробки, которое с помощью штока 2 приводит к перемещению движка потенциометрического преобразователя 3.

    Схема подключения потенциометрического датчика проста, так как на его выходе можно получить относительно большую мощность, достаточную для того, чтобы подключить к нему параллельно несколько регистрирующих приборов без усилителей. Недостаток контактных датчиков: преждевременное срабатывание под воздействием вибрации и невозможность проверки исправности во время работы.

    Что представляет собой датчик с индуктивным преобразователем?

    Датчик давления с индуктивным преобразователем показан на рис. 3. Он состоит из чувствительного мембранного элемента 3, к которому прикреплен якорь 5 индуктивного преобразователя 4. Контролируемое давление р среды, поступающей по трубке / в полость 2, вызывает перемещение мембраны вместе с якорем, что приводит к изменению индуктивности преобразователя вследствие изменения зазора б.

    Для чего предназначены реле давления РД-8Т и РД-12?

    На рис. 5,а показано реле давления РД-8Т, предназначенное для поддержки заданного давления в масляных системах, компрессорных установках, работающих в условиях тропического климата. Диапазоны срабатывания реле, МПа: 0—0,4; 0—0,6; 0—1,0.

    На рис. 5, б приведено реле давления РД-12, служащее для автоматического управления или сигнализации при контроле в воздушных водяных резервуарах, фреоновых холодильных установках. Диапазоны установок срабатывания, МПа: 0,2—0,8; 0,5—2,0. Реле РД-8Т и РД-12 имеют регулируемый дифференциал в пределах от 10 до 50 % верхнего предела давления.

    Что представляет собой реле давления РДС-1Т?

    Реле давления РДС-IT (рис.5,в) предназначены для автоматического контроля давления в системах путем размыкания и замыкания электрической цепи сигнализации. Принцип действия прибора основан на уравновешивании силы давления на сильфоне силой упругих деформаций регулировочной пружины. Перемещение подвижного конца сильфона под действием давления через рычаг замыкает или размыкает контактное устройство реле.

 

Реле РДС-1Т представляет собой прибор с постоянным нерегулируемым дифференциалом.

    Весь механизм смонтирован на основании и закрыт крышкой с герметизирующей прокладкой. Реле состоит из узла сильфона, передаточно-настроечного механизма и контактного устройства. Узел сильфона (см. рис. 5, в) состоит из корпуса с присоединительным штуцером, сильфона 2с донышком и штока 9. Передаточно-настроечный механизм включает в себя рычаг 4, настроечную пружину 5, винт 6 и упор 3. Контактным устройством является микропереключатель 8. Реле замыкает контакты при понижении давления до установленного значения и размыкает при повышении давления на значение дифференциала.

    При понижении давления в камере / под действием пружины 5 происходит поворот рычага 4 вокруг оси против часовой стрелки. Когда давление среды понизится до заданного настройкой значения, правый конец рычага освободит шток микропереключателя 8, контакты которого автоматически замкнуты.

     При повышении давления в камере сильфон 2 сжимается, а его шток 9 движется вверх и поворачивает рычаг вокруг оси по часовой стрелке, преодолевая сопротивление пружины. Когда давление среды повысится на значение дифференциала, рычаг нажмет концом на шток микро выключателя, разомкнув контакты.

Сила давления, действующая на сильфон 2, уравновешена через шток сильфона и рычаг 4 силой упругой деформации цилиндрической пружины 5. Одним концом пружина упирается в рычаг 4, а другим — в гайку винта настройки 7. Вращением винта 6 настраивают реле на требуемое давление срабатывания.

        

Что представляет собой дифманометр?

 

 

Дифманометр (дифференциальный манометр) — это прибор для измерения разности давлений. Применяется он также для измерения уровня жидкостей и расхода жидкости пара или газа по перепаду давлений. Дифманометры могут быть жидкостными и механическими. Примером механического прибора может быть дифманометр типа ДМ. Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из двух или четырех мембранных коробок 10 (рис. 6), ввернутых с обеих сторон в подушку 11 и затянутую между двумя крышками 9 и болтами 8. При этом образуются две камеры: плюсовая (нижняя) — между нижней крышкой и подушкой; минусовая (верхняя) — между верхней крышкой и подушкой.

    Каждая из мембранных коробок сварена из двух мембран, профили которых совпадают по направлению. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются между собой через отверстие в подушке и заполняются дистиллированной водой через ниппель 12. Давление подается через импульсные трубки 7, на которых установлены два запорных вентиля 1 и соединяющий их уравнительный вентиль 2. С центром верхней мембраны связан сердечник 6 дифференциального трансформатора 5, закрытого колпаком 4. Сердечник находится внутри разделительной трубки, чтобы исключить, влияние зазоров установлена пружина 3.

 

 

 

Как действуют пьезоэлектрические преобразователи?

    Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), которым обладают некоторые кристаллы.

    Различают прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой пьезоэффект заключается в том, что под действием механических напряжений на гранях кристалла возникают электрические заряды, обратный пьезоэффект — в том, что под действием электрического поля изменяются геометрические размеры кристалла. На использовании прямого пьезоэффекта основаны преобразователи усилий, давлений и ускорений. Обратный пьезоэффект применяют в ультразвуковых генераторах, вибраторах и т. д. Наиболее сильно пьезоэффект выражен у кварца, турмалина и сегнетоэлектриков (сегнетовой соли, титана бария и др.).

    На рис. 8 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя давления. Преобразователь состоит из двух кварцевых пластин 1, соединенных параллельно. Наружные грани пластин заземляются, а между средними гранями находится латунная фольга 2. Давление на кварцевые пластины передается через мембрану 5. Выходное напряжение с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 4. Для соединения кабеля с латунной фольгой имеется отверстие, закрываемое пробкой 3.