转速采集异常情况下的主机遥控技术研究

吴富民 陈岱岱 李培正 徐深洋 徐斌

摘   要：主机遥控系统对发动机的转速控制通常采用PID闭环控制，但在转速测量发生故障时，会导致转速控制异常，严重时发生飞车事故。为了解决该问题，文章基于主机遥控系统，阐述了一种调速模式切换技术，能实现转速测量故障时自动或手动切换，强化主机遥控系统的冗余控制策略，提高系统的可靠性。

关键词：主机遥控系统;调速模式;开环

随着计算机技术和控制技术的飞速发展，船舶机舱自动化技术也在不断的发展和创新。但我国船舶机舱自动化技术与国外先进技术相比，仍存在一定差距。作为机舱自动化的核心—主机遥控系统，国内虽然有部分生产厂家，但普遍存在创新力度不足，仅满足基本功能，控制策略和可靠性不能和国外媲美，难以满足复杂多变的应用环境，航行过程中，一旦出现故障，没有自动切换的冗余控制方式或者足够的维修辅助建议，船员难以正确处置，只能机旁手动操作，大大影响了航行效率和操作体验，紧急情况下甚至会导致安全事故发生。为达到发动机转速精确控制的目的，目前，主机遥控系统通常采用比例—积分—微分控制器（Proportion Integration Differentiation，PID）轉速闭环控制算法，然而，当转速传感器故障、安装松动或者线缆断开时，转速反馈信号异常，使主机遥控不能按照预设档位进行调速，部分情况下会在短时间内将油门拉到最大，导致发动机机械负荷和热负荷快速增加而造成损伤，严重时甚至发生飞车事故。因此，有必要在主机遥控系统中加入一种调速模式自动切换和冗余控制机制，防止因转速反馈信号异常而出现控制异常问题。

1    主机遥控系统设计

主机遥控系统采用双路冗余控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线架构，不同控制单元和模块之间采用数字信号进行通信，并在通信接口采用电气隔离和抗干扰措施，保证通信的稳定性，整个系统根据功能和分工可以划分为车钟系统、控制系统和安保系统，在驾驶室、集控室和机旁均有相关布置，实现不同控制位置的指令和状态同步。主机遥控系统架构如图1所示。

车钟系统将转速设定转换为数字信号传输给控制系统，控制系统经过运算后，通过CAN总线下发给机舱执行模块，控制发动机和齿轮箱按照逻辑达到车钟系统设定档位，同时，保安系统检测动力装置的运行状态，一旦有参数超标则产生报警，并按照设定的报警级别执行报警、降速和停车动作，除了具备这些基本控制功能外，该主机遥控系统充分考虑了转速反馈异常情况下的冗余控制技术—调速模式自动切换技术，主要由机舱转速采集和处理功能模块及驾驶室调速模式切换功能模块组成，分别集成在机旁转速控制箱的转速采集模块和驾驶室控制面板的显控单元中[1]。

2    调速模式自动切换技术

2.1  转速采集和处理

主机遥控系统通过安装在发动机飞轮上的两只非接触式磁电式接近开关传感器，来感应发动机的转速变化，通过调理电路将转速信号转换为处理器，能够识别的脉冲信号，原理如图2所示。

转速与频率具有共同的量纲，因此可以利用测量频率和周期的方法来测量转速。对高、中速柴油机通常采用测频法，对于低速柴油机采用测周法。所谓测频法就是测量电信号频率的方法，即测量单位时间内电脉冲数。所谓测周法就是定角测量，即用标填充的方法测量相当于某一旋转角度的时间间隔。这两种方法交替使用、相互补充，可以展宽测量范围、提高测量精度，测频法、测周法示意如图3所示。

主机平均转速n按下列公式进行运算：

公式中：Z—飞轮齿数;T—转速脉冲计数周期;C—计数周期内计数器捕获的脉冲数。

在实际使用过程中，会由于传感器吸附铁屑、传感器松动导致离飞轮齿顶距离改变或者接线松脱等原因发生转速采集异常等，当两个计数器中测量值不一致时，选取数值大的用作主机转速计算，当转速相差大于1%额定值时，输出测速故障报警数据。当两个高速计数器脉冲数值均小于某一设定值，则表明两支测速探头均断线或脉冲失落，发出测速故障报警数据，通过CAN总线发送给驾驶室控制面板中的显控单元进行报警和调速模式切换[2]。

2.2  调速模式切换

驾驶室显控单元进行转速调节运算，它将测得的实际转速与操纵手柄设定转速进行比较，当两者之差超过一定值，立即调整显控单元通过CAN总线输出给调速器的设定值，使柴油机转速快速回到手柄设定转速。为达到转速测量故障情况下的调速模式自动切换功能，对原有的闭环PID控制策略进行改进，调速模式切换逻辑如图4所示。

当驾驶室收到机舱转速采集模块发送的测速故障报警数据后，显控单元液晶屏发出声光报警提示，并自动调速闭环控制转为开环控制，实现转速控制的遥控切换。此后，发动机转速的控制不再参考转速反馈，而是直接输出控制命令，经过选小器后，给执行器调整发动机油门，也可通过显控单元液晶屏的软按键手动将调速模式由闭环切换为开环，当测速故障报警消失后，可手动将调速模式切换回闭环。

3    结语

本文提出了一种主机遥控系统的调速模式自动切换方法，能够在发生转速测量异常时，有效防止因转速反馈信号异常而出现的控制失灵，强化了系统的冗余控制策略，提高了系统的可靠性。

[参考文献]

[1]汤旭晶，薛培红，李鹤鸣，等.基于PLC的中速主机遥控装置研制[J].造船技术，2009（2）：17-19.

[2]罗红英.内燃机及动力装置测试技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.