NY210主推用柴油机的电气控制设计

介绍

自1897年柴油机问世至今，在一百多年的发展过程中，柴油机已充分显示出它的实用价值和适用性。NY210柴油机的功率等级为1200～1950 kW，适用于船舶和陆用发电，本篇重点介绍此机型在船舶主推上的应用，此机型与其他同类型的柴油机相比，具有高度更低，长度更短的结构特点，充分利用上面空间，使整机结构更为紧凑。

众所周知，船舶动力装置可分为推进装置、辅助装置、船舶管路系统、船舶甲板机械和机舱自动化设备，而主推用NY210柴油机就是作为船舶推进装置的主机部分，是推进船舶航行的动力机，动力装置最主要的部分。柴油机的电气控制系统就是船舶的“血液系统”，是船舶赖以生存的基础。

对于现有的船用、陆用NY210系列柴油机，其发动机中的各缸在很大程度上还是采用人工、机械的控制方式。这种方式依赖于操作人员的经验、工作状态，控制误差较大，不能保证发动机时刻处于最佳的工作状态。针对上述存在的问题，设计一种用于船舶发动机的电气控制系统，集数据采集、报警、起/停、调速及泵组控制等功能于一体，使得操作方便，自动化程度高。

2 NY210主推用柴油机电气控制系统的设计

2.1 设计依据

确定设计过程的理论基础，根据有关技术规格书、技术要求和技术指标，确定系统各功能指标、环境条件等要求。

2.2 设计原则

在推进用NY210柴油机电气控制系统的设计过程中，应满足以下原则：（1）设计应符合合同或技术协议的规定。（2）在可靠第一的情况下，优先采用成熟先进的技术。（3）在设计中观测标准化、系列化、通用化、模块化。（4）选用设备的原则为优先选用船用产品，如没有时选择用户认可的陆用产品，电子元器件尽量通过老化筛选。

3 电气控制系统的硬件设计内容

3.1 传感器的选用

3.1.1 传感器选用的要求

传感器是一种信号输入装置，采集控制系统所需的信息，并将其转换成电信号通过线路输送给电子控制单元。对其选用的要求为：（1）可靠性高：可靠性高是确保系统高可靠性的基础，因此要求使用中的传感器执行元件能在恶劣环境下仍能可靠地工作，失效率最低。（2）精度高：精度高的电气控制系统必须有相应精度的传感器执行元件来支撑。（3）响应速度快：各传感器元件、中间执行元件和最终执行元件的响应速度决定了电气控制系统对时间的输入输出响应能力和动作能力。

3.1.2 监控点的确定

由于此篇讨论的是NY210柴油机在船舶主推上的应用，严格根据船检CCS的要求进行监控点的分布。监控点包括：（1）转速监控：故障停车转速传感器和报警转速传感器。（2）温度监控：各缸排温及重要位置的温度监控。（3）压力监控：重要位置使用压力传感器进行监控。

上述监控点在设计过程应该考虑在柴油机上安放位置。

3.2 其他硬件的设计

3.2.1 硬件选型的原则

性能价格比最高原则、技术上先进原则、技术上成熟原则、使用原则和方便升级扩展原则。

3.2.2 硬件模块的划分

硬件划分应根据用户使用要求的实际情况，采用相适宜的划分发放，并对这些模块进行剪裁。按硬件功能划分，可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、信号预处理模块、中央处理器模块、控制模块、显示模块、通信模块、人机界面模块和电源模块。

3.3 柴油机监控系统的设计

NY210主推用柴油机的监控系统主要分两个部分：控制系统和安全保护系统。其中，控制系统是全面控制柴油机的运行，负责监测柴油机运行参数和故障报警的作用；安全保护系统是控制和监测系统在运行过程中失效或发生危及系统内主要设备的故障时，产生自动保护性的动作。控制系统和安保系统电源、输入输出通道及控制器完全独立，满足CCS相互独立性的原则。（如图1）

3.3.1 控制系统

（1）主要组成：一套功能完善的PLC，包括CPU以及与其相连的热电偶输入模块、模拟量输入模块、开关量输入/输出模块，还包括用于输出数据的串口模块。并且其分别与安全保护系统、集中控制台及人机界面连接。（2）工作原理：发动机要进行运行和各个保护操作时，则通过开关量输出模块完成。控制系统中的模块与安全保护系统内的FX系列PLC进行通讯，同时也通过工业总线将各种运行数据传送到集中控制台（简称集控台）处理，发出相关指令输出报警、额定转速/怠速、故障停车等信号；与此同时，控制系统也与人机界面连接，在人界界面上实时反映出发动机的重要工况参数及报警信号等数据，人性化程度更高。整体上说，控制系统这部分是对发动机进行整体的控制及保护，是此电气控制设计的核心内容。

3.3.2 安全保护系统

NY210柴油机的安全保护系统负责接收设置于船舶发动机上的各转速传感器和各开关发出的信号，并发出相应的停机信号或紧急停机信号。大致包括：（1）立即停止运行。如运行中的柴油机进机停车、紧急切断设备的控制系统等。（2）把设备暂时调节到可以勉强运行的状态。（3）当安全系统动作时，应在对应的机旁控制柜上发出声光报警，并显示安全保护系统的动作原因。（4）安全系统应独立于控制系统或其他任何系统。因此，安全保护系统就是在发动机处于设定的报警或停机状态下，自动对发动机进行停车的保护。

3.3.3 监控系统的优势

0上述控制系统、安全保护系统均采用独立的交直流双输入电源，设计了专门供电的电源箱，整个系统供电可靠性大大提高，各个部分不受到相互干扰。能够实时采集发动机的各种参数并通过人机界面显示，操作者可以通过对参数的修改使发动机处于最佳的工作状态。此外，控制系统、安全保护系统以及人机界面都统一封装在机旁监控柜里，布局集中，占地面积小。

4 电气控制系统的软件设计内容

4.1 可编程控制器（PLC）的程序设计的流程

程序的设计要求应满足优先选用模块化、结构化的方式。PLC功能齐全完善；编程简便；易于掌握；控制系统构成简单，通用性强；电磁兼容性好，可靠性高；便于缩短设计、施工、投产调试的周期；体积小，维护方便。

（1）根据选用的PLC，确定编程的软件。（2）编写系统结构化的流程图；NY210柴油机系统结构的流程图主要包括手动启机、自动启机、正常停机、紧急停机和甩车等流程。（3）编写整套程序，优先选用梯形图编程，并进行必要的注释。（4）程序调试，参数整定与修正。（5）打印程序成册。

4.2 计算机程序设计的流程

（1）确定编程语言，根据需要可采用C/C++等高级语言。（2）编写程序流程图。（3）编写整套程序，并进行必要的注释。（4）程序调试，参数整定和修正。（5）打印程序成册。

5 结论

经过论文的撰写，本人结合NY210推进用柴油机自身的特点，首先对NY210推进用柴油机有了全面的了解，并在其电气控制系统的设计过程中，得到了以下结论。

（1）船舶所处的环境条件恶劣，对船用电气设备有特殊的要求。无论是电气元件的选型、设计和安装、维护及保养，都应严格按照船用标准和规范进行。对于影响船舶航行安全的重要电气设备，还应采用多路供电、应急供电的方式，提高船舶在航行中的生存能力。

（2）随着船舶容量不断增大，功率密度将不断增加，与之对应的是船舶电气控制系统需要不断的创新和进步，以满足市场更新换代的需求。

（3）我国柴油机工业水平和电子技术相对落后，应加强对柴油机电气控制系统中的执行器、传感器、计算机控制技术的研发和开发。

（4）随着船舶容量、规模以及复杂程度的日益增加，传统的半自动的运行方式已经不能满足要求。只有采用基于现代控制技术的模式，才能充分发挥船舶电气化的优势，加快我国船舶现代化的发展进程。

船舶主推用柴油机的电气控制技术是随着科学技术的不断发展和生产工艺不断提出新的要求而得以不断发展的。在控制方法上，从手动控制到自动控制；在控制功能上，从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，从笨重繁琐到轻便灵巧；在控制原理上，从有触电的继电接触式控制到以计算机为核心的控制系统。而我国船舶电气控制系统的现代化水平与世界领先水平还有一定的距离，广泛深入地开展船舶电气控制系统各项领域的研究，促进我国船舶电气控制系统跨越式发展具有十分重大的经济、军事意义。

参考文献

[1] 马伟明，张晓峰等.中国工程电气大典.中国电力出版社，2009.

[2] 陈刚.船舶电气.人民交通出版社，2011（1）.

[3] 刘兴永.船舶动力装置.人民交通出版社，2006（8）.

[4] 王俊杰，曹丽等.传感器与检测技术.清华大学出版社，2011（4）.

[5] 张西振.发动机电控技术.机械工业出版社，2004（1）.

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