Судовые информационно-измерительные системы. Система АПС

В системе автоматизации морского судна ее значительную часть составляют информационно-измерительные системы (ИИС). Практически все процессы управления энергетическим оборудованием судна базируются на информации, получаемой от ИИС.

Представление о составе и функциях судовых ИИС дает схема, представленная на рис. 5.1.

 

Разновидности и функции судовых ИИС

 

Рис. 5.1

 

Основной объем информации о режиме работы энергетического оборудования поступает от системы централизованного контроля (СЦК).

СЦК предназначена для автоматического дистанционного сбора информации о работе энергетического оборудования, ее централизованной обработки и представления человеку. Практически это первая электронная система, применяемая на морских судах с 60-х годов 20 столетия. В настоящее время она является обязательной, основной частью судовых систем комплексной автоматизации. СЦК выполняет четыре основных функции:

- измерение: получение информации количественного характера о параметрах энергетического оборудования;

- контроль: определение факта достижения параметром заранее заданного предельного значения, называемого обычно уставкой;

- сигнализация: оповещение обслуживающего персонала о достижении параметром предельного значения;

- регистрация: фиксация на одном из носителей информации (бумага, магнитный диск и т.д.) результатов измерения, контроля и сигнализации.

Требования, которым должна отвечать СЦК, сформулированы Регистром России в форме требований к так называемой системе АПС (аварийно-предупредительной сигнализации). Систему АПС можно рассматривать как минимально-возможный вариант СЦК.

Наличие системы АПС является обязательным для судна, которому присваивается класс автоматизации.

Система АПС должна подавать сигнал при достижении параметром предельных значений, при срабатывании систем защиты оборудования, при отсутствии энергии для питания системы автоматик судна. Она должна формировать тревожные световые и звуковые сигналы, должна обладать свойством памяти, обеспечивающим формирование тревожного сигнала до его квитирования. Система АПС должна обеспечивать проверку собственной исправности и самоконтроль. Обобщенные тревожные сигналы должны быть выведены в места возможного пребывания членов машинной команды.

Должны быть предусмотрены меры от ложного срабатывания из-за качки, вибрации.

Перечень параметров, контролируемых системой АПС, вид контроля каждого из них (на повышение, на снижение и т.д.) оговорены Регистром России.

Измерительные системы, на являющиеся обязательной частью ИИС конкретного судна, дают дополнительную, наряду с СЦК, информацию о режиме работы энергетического оборудования судна. Их наличие и требование к ним не регламентированы. Они выполняют две функции - измерения небольшого числа наиболее информативных параметров и регистрацию результатов измерений, а также обработку этих результатов. применение таких систем оправдано на крупных судах с большой мощностью установленного энергетического оборудования, например – танкерах. Основное их назначение – оптимизация режима работы пропульсивной установки судна, характера загрузки судна с целью снижения эксплуатационных расходов.

К данной группе ИИС следует отнести так называемые системы оценки технико-экономических показателей судна (СОТЭП), часто упрощенно называемые эконометрами. В эконометре предусмотрено измерение следующих основных параметров:

- скорость судна;

- мощность главного двигателя;

- частота вращения гребного вала;

- расход топлива;

- дифферент судна.

Измерение этих параметров должно выполняться с возможно большей точностью и зачастую является сложной и дорогой технической задачей. на основании этих измерений и обработки их в компьютере эксплуатационный персонал судна получает информацию технико-экономического характера – как влияет загрузка судна (дифферент) на расход топлива, каков удельный расход топлива на 1 кВт×ч работы главного двигателя (характеризует техническое состояние двигателя) и т.д.

Информационно-диагностические системы предназначены для решения задач технического обслуживания энергетического оборудован6ия. Они выполняют единственную функцию, реализуемую электронными средствами – измерение небольшого числа так называемых диагностических параметров оборудования. Под ними понимаются параметры, в наибольшей степени отражающие техническое состояние оборудования – его износ, регулировку и т.д. Путем специальной компьютерной обработки результатов измерения дается оценка технического состояния оборудования и, что очень важно – прогнозируется это состояние. В конечном итоге, получаемая от таких систем информация позволяет своевременно обнаруживать назревающие отказы оборудования, прогнозировать сроки ремонтных работ. Наличие таких систем на морских судах не регламентировано, однако они все шире используются, особенно на крупных судах, применительно к основному энергетическому оборудованию.

К четвертой группе ИИС относятся специализированные СЦК (СПСЦК), на которые в ряде случаев возложены и функции управления. К ним следует в первую очередь отнести:

- системы пожарной сигнализации (СПС);

- системы контроля сопротивления изоляции судовой электроэнергетической системы;

- системы автоматического замера, регистрации и управления сбросом (САЗРИУС) нефтесодержащих вод;

- системы инертных газов (СИГ) (только на танкерах);

- системы контроля концентрации масляного тумана в картере дизеля и т.д.

Эти системы, кроме СПС, изучаются в других учебных курсах.

Наличие некоторых СПСЦК обусловлено необходимостью решения специфических технических проблем эксплуатации судового энергетического оборудования. Так, например, в начальный период эксплуатации судов серии "Маршал Буденный" (нефтерудовоз) часто имели место тяжелые аварии их главных двигателей – задиры цилиндров. Для выяснения причин этих аварий и их своевременного предотвращения под руководством автора этого пособия была разработана специальная система контроля температуры поршней (СЦКТ). На каждом из восьми поршней двигателя устанавливались два датчика температуры – термисторы. Их сигналы поступали в подвижный электронный блок, расположенный на поршне. Когда в своем движении поршень достигал нижней мертвой точки, информация с подвижного блока бесконтактным способом передавалась к неподвижному блоку, расположенному в подпоршневом пространстве. Затем обрабатывалась и регистрировалась в центральном блоке. Если значение температуры любого датчика превышало уставку, приводилась в действие аварийная сигнализация. Применение такой системы позволило получить ценную информацию научного и технического характера, предотвратить несколько аварий двигателя.

 

 

Структурные схемы СЦК

 

По технической реализации СЦК являются электронными информационными устройствами, в которых используются практически все ранее рассмотренные электронные приборы и преобразователи сигналов на их основе. По форме представления информации они могут быть как аналоговыми (относительно старые), так и цифровыми, а чаще – смешанного типа, аналого-цифровые.

Применяют два основных варианта построения схем СЦК.

Небольшие по объёму контролируемых параметров СЦК используют индивидуальные каналы контроля по каждому датчику (рис. 5.2).

 

СЦК с индивидуальными каналами контроля

Рис. 5.2

 

 

Каждый канал контроля включает в себя датчик Д, измерительный преобразователь ИП сигнала датчика, блок контроля и сигнализации БКС, сравнивающий сигнал с уставкой и обеспечивающий индивидуальную световую сигнализацию. По такой схеме строятся СЦК без применения микроЭВМ. Ее недостатком является большой объем электроники.

Более часто используется второй вариант, работающий по принципу обегающего контроля, с общим каналом контроля.

 

 

СЦК с общим каналом контроля

 

Рис. 5.3

 

В этой схеме (рис. 5.3) имеется коммутатор К, который по очереди подключает сигнал с каждого канала (т.е. "обегает" каналы) на дальнейшую обработку в БКС и в блоке измерения БИ. Поскольку БКС и БИ необходимы в единственном числе, объем электроники СЦК резко сокращается. Устройство управления, принципиально необходимое в этой схеме, переключает коммутатор, управляет БКС, БИ и общим сигнальным и регистрационным устройством. Быстродействия электронных приборов и блоков достаточно для обеспечения контроля в течение нескольких секунд сотен параметров.

По схеме рис. 5.3 строятся современные СЦК на основе микроЭВМ. при этом наиболее сложные блоки БКС, БИ, устройство управления реализуются средствами ЭВМ, а после коммутатора устанавливается АЦП.

 

 

5.3. Судовая СЦК "Шипка-М"

 

Система "Шипка-М" является системой централизованного контроля разработанной в конце 70-х годов в СССР и широко устанавливавшейся на судах отечественной постройки в 80-х годах. Она построена по схеме с индивидуальными каналами контроля.

Система контролирует параметры главного двигателя и вспомогательных механизмов судовой энергетической установки (СЭУ).

Основные функции системы:

- измерение по вызову в цифровой форме до 350 параметров, с представлением на цифровом индикаторе номера, величины и размерности параметра;

- контроль достижения любым из параметров уставки; уставка может быть задана как по верхнему, так и по нижнему уровню;

- аварийно-предупредительная индивидуальная световая сигнализация по любому из параметров при достижении уставки и обобщенная звуковая сигнализация;

- регистрация факта достижения параметром уставки ("выбега") и возвращения его в норму, с фиксацией на бумажной ленте времени выбега и номера параметра.

Дополнительные функции системы:

- обобщенная аварийно-предупредительная сигнализация (критическая и некритическая) в различных помещениях судна;

- контроль с сигнализацией об отсутствии вахтенного в машинном отделении (МО);

- блокировка (при необходимости) сигнализации при достижении уставки по любому из параметров;

- автоматическое подключение питания системы к судовым аккумуляторам при исчезновении основного питания от судовой сети;

- оперативный контроль исправности системы;

- временную задержку срабатывания сигнализации;

СЦК "Шипка-М" комплектуется унифицированными сборочными блоками, позволяющими реализовать ее функции в различном объеме.

Основными сборочными блоками в системе являются:

- субблок: состоит из одной или двух печатных плат; это наиболее мелкая сборочная единица, устанавливается в контейнер;

- контейнер: содержит субблоки; это сборочная единица, устанавливаемая в прибор, пульт или щит;

- блок: содержит платы или субблоки, это законченная сборочная единица, устанавливается непосредственно в прибор;

- прибор: наиболее крупная сборочная единица, функционально и конструктивно завершенная, функционирует автономно.

В качестве источников информации в системе используются аналоговые датчики и сигнализаторы. Аналоговые датчики давления и температуры, могут иметь выходной сигнал, находящийся в одном из диапазонов: 0…50 мВ; 0…1 В; 0…5 В и т.д. Выходные сигналы датчиков преобразуются в сигнал уровня 0…50 мВ для последующего использования, т.е. нормируются в ИП.

Выходным сигналом сигнализатора является электрический контакт – замыкающий или размыкающий.

 

Структурная схема СЦК "Шипка-М" по функциям

индивидуальной сигнализации и измерения

Представление о составе системы дает приводимая на рис. 5.4 структурная схема системы в части, касающейся индивидуальной аварийно-предупредитель­ной сигнализации и измерения.

В качестве датчиков температуры ДТ выпускных газов дизеля используются термопары типа ТХК. Для компенсации изменения температуры холодных спаев термопар служит блок термокомпенсации БТК. Сигналы термопар после прохождения БТК усиливаются и линеаризуются (характеристика термопары нелинейная) в блоках согласующего усилителя БСУ, входящих в прибор согласующих усилителей ПСУ. Выходные сигналы БСУ уровня 0…5 В, соответствующие температуре 0…600^оС поступают в субблоки СбСТ контейнера контроля температуры 1КтКТ. Здесь сигналы обрабатываются в соответствии с функциями, заложенными в этом блоке. Выходные сигналы уровня 0…50мВ из 1КтКТ поступают на измерение в блок цифровых измерений 1КтЦИ100. Число датчиков ДТ, блоков БСУ и соответствующих им субблоков в 1КтКТ определяется числом цилиндров главного двигателя судна. Сигналы с других аналоговых датчиков Д1…Д18 в зависимости от их уровня непосредственно или через прибор развязки ПР поступают на входы субблоков аналоговой сигнализации СбСА, входящих в состав контейнера 1КтСА. Прибор развязки унифицирует сигнал, приводя его к уровню 0…50 мВ. Максимальное количество субблоков в одном контейнере – 18. Если число параметров, контролируемых аналоговыми датчиками больше, то в состав системы включаются дополнительные контейнеры 1КтСА. В субблоке СбСА сигнал усиливается и сравнивается с уставкой. Если уставка достигнута, то с выдержкой времени (до 40 с) подается индивидуальный световой сигнал (на рис. 5.4 показана лампочка), формируется сигнал на включение обобщенной АПС и сигнал на регистрацию этого отклонения в приборе регистрации выбегов ПРВ. Кроме этого, унифицированный сигнал 0…50 мВ с СбСА поступает на измерение к 1КтЦИ100, если выбрано измерение данного параметра.

Выходные сигналы сигнализаторов С в виде состояния электрических контактов поступают на обработку в субблоки дискретной сигнализации СбСД, расположенные в контейнере 1КтСД. В субблоке СбСД с выдержкой времени, формируется индивидуальный световой сигнал (лампочка на рис. 5.4), сигнал обобщенной АПС и регистрации выбега на ПРВ. Сигнал на измерение с СбСД на 1КтЦИ100 не поступает, т.к. информация представлена в дискретной форме. Если число сигнализаторов С превышает максимальное (20) для одного контейнера, в систему включается дополнительные контейнеры 1КтСД.

Контейнер 1КтЦИ100 обеспечивает измерение текущего значения любого из параметров. Вызов на измерение осуществляется вручную, заданием номера измеряемого параметра. Номер параметра задается группой переключателей, входящих в субблок вызова на индикацию СбВИ самого контейнера или из внешнего блока вызова на измерение БВИ. Результат измерения высвечивается на цифровом индикаторе субблока представления информации СбПИ (входящем в состав контейнера) в виде трехзначного числа в истинном масштабе, с указанием десятичной точки и размерности параметра. При вызове на измерение из внешнего блока БВИ результат измерения индицируется и на внешнем блоке представления информации БПИ.

Контейнер 1КтЦИ100 построен по схеме цифрового измерительного прибора. Входной информационный сигнал 0…50 мВ усиливается, преобразуется в цифровую форму и поступает на цифровой индикатор. В данном блоке использован время-импульсный аналого-цифровой преобразователь. Коммутация сигналов с выходов субблоков СбСА и СбСТ на вход блока цифровых измерений осуществляется электромагнитными реле, имеющимися в каждом из этих субблоков. При определенном наборе переключателей в СбВИ или БВИ срабатывает реле одного из субблоков СбСА или СбСТ, подключая его выходной сигнал на измерение.

Оригинален использованный в системе метод идентификации блоком измерения измеряемого параметра. Проблема в том, что из всех субблоков СбСА и СбСТ на вход блока измерения поступают унифицированные информационные сигналы диапазона 0…50 мВ. Это удобно для обработки. Но должна быть дополнительная информация о том, какой физический параметр (давление, температура и т.д.) и в каком диапазоне представляется этим унифицированным сигналом. Эта информация поступает из каждого из субблоков СбСА, СбСТ в форме дополнительного аналогового сигнала (он назван "сигнал шкалы") определенного уровня, параллельно с информационным сигналом. Например, если сигнал шкалы, поступающий от конкретного субблока СбСА находится в диапазоне 624…672 мВ, то информационный сигнал 0…50 мВ с этого же блока трактуется как сигнал давления, изменяющегося в диапазоне 0…2,50 кгс/см². После получения такого сигнала шкалы, на цифровом индикаторе блока измерения будет высвечена размерность "кгс/см²" и десятичная точка будет засвечена после старшего десятичного разряда. Если при этом уровень информационного сигнала составит 25 мВ, то на цифровом индикаторе будет высвечено: 1,25 кгс/см².

Наиболее типичным блоком системы "Шипка-М" является субблок СбСА. Субблок выполнен на одной печатной плате и условно может быть представлен в виде двух частей:

- схема обработки входного сигнала;

- схема формирования тревожного сигнала.

Упрощенная схема обработки входного сигнала приведена на рис. 5.5. Она выполнена на основе операционных усилителей.

Цепь R 1, VD 1, VD 2 служит для ограничения входного сигнала, если он превышает допустимый уровень 50мВ. Конденсатор С1 совместно с R 1 образует фильтр нижних частот для устранения помех. На резисторах R 3, R 2 выполнен делитель напряжения, задающий уставку срабатывания сигнализации. Резисторы R 14, R 16 образуют делитель, задающий сигнал шкалы, необходимый для измерения параметра в КтЦИ100. На R 7, R 4 выполнен делитель, задающий уровень входного сигнала при контроле срабатывания СбСА.

На микросхеме DA 1 выполнен дифференциальный усилитель, коэффициент усиления которого определяется R 5, R 8, R 11, R 12. На инвертирующий вход усилителя через перемычку 1 - 2 подается напряжение уставки. Через перемычку 3 - 4 на неинвертирующий вход подается входной сигнал. Такое подключение обеспечивает срабатывание сигнализации в режиме "Больше", т.е. когда сигнал превышает уставку. Если поменять местами подключения сигналов к усилителю, то субблок будет работать в режиме "Меньше" – т.е. сигнализация срабатывает при снижении сигнала ниже уставки.

В режиме контроля срабатывания запитывается обмотка реле К1 и его контактами К1:1 на вход усилителя с делителя R 7, R 4 подключается напряжение, заведомо больше уставки, что должно вызвать срабатывание сигнализации.

При вызове на измерение параметра, контролируемого данным блоком, запитывается реле К2. При этом, с субблока на вход КтЦИ100 поступает информационный сигнал, через К2:1, и сигнал шкалы – через К2:2. Работа СбСА при этом не нарушается.

Усиленный сигнал с DA 1 поступает на вход сравнивающего устройства (регенеративного компаратора), выполненного на DA 2. Если входной сигнал превышает уставку, то на выходе DA 1 имеется напряжение отрицательной полярности. Оно превышает порог срабатывания компаратора, он переключается, и на выходе DA 2 скачком напряжение возрастает до +10 В. Этим напряжением через R 23, R 25 начинает заряжаться конденсатор С12. Время его зарядки, определяющее задержку срабатывания сигнализации, может регулироваться переменным резистором R 25.

Напряжение с конденсатор С12 поступает на вход второго регенеративного компаратора, выполненного на DA 3 и имеющего уровень срабатывания около +5 В. При достижении этого уровня напряжение на выходе DA 3 скачком изменяется от +10 В до -10 В. Это напряжение открывает транзистор VT 1, что вызывает срабатывание реле К4. Контакты реле К4 приводят в действие схему формирования тревожного сигнала (здесь не показана, см. / /).

Если входное напряжение (отрицательного знака) снизится и станет меньше уставки, знак выходного напряжения DA 1 поменяется на положительный. Это вызовет переключение DA 2. На его выходе установится отрицательное напряжение  -10 В. Это напряжение через R 24 и VD 9 быстро перезарядит С12 на другую полярность, т.к. R 24<<( R 23+ R 25). Знак выходного сигнала DA 3 сменится на противоположный, что вызовет запирание VT 1 и отключение К4.

 

Схема обработки входного сигнала субблока СбСА

Рис. 5.5

 

При необходимости заблокировать срабатывание сигнализации, на базу VT 1 через VD 18 подается положительное напряжение, которое запирает VT 1 и делает невозможным его включение независимо от сигнала на выходе DA 3.

Цепь R 18, VD 6 обеспечивает выходной сигнал для контроля срабатывания, только когда контакты К2:2 замкнуты.

 

 

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: