轮机自动化课件 第十四章

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十四章 船舶柴油机智能控制系统,2002年初MAN B&W公司正式推出了电子控制的ME系列柴油机。而瑞士Wartsila公司在1998年首先推出了共轨式全电子控制的智能型柴油机Sulzer RT-flex（电控等压喷射）燃油喷射系统，该系统实现了无凸轮轴柴油机的燃油喷射，排气阀启、闭，起动空气和缸套润滑的全电控制，甚称柴油机的第三次革命。,第一节船舶柴油机智能控制基本原理,一、概述,Wartsila公司首先提出共轨技术，在传统的Sulzer RTA型柴油机上取消了废气排气阀驱动装置（exhaust valve driver）、燃油泵（fuel pump）、凸轮轴（Camshaft）、可逆（倒车）伺服马达（reversing servomotor）、燃油连接（fuel linkage）、起动空气分配器（start air distribution）和凸轮轴驱动（camshaft drive）等机构。,Common Rail（共轨）装置，用来建立燃油压力，采用液压控制废（排）气阀启、闭操作，容积喷射控制单元（Volumetric InjectionControl Unit）控制燃油的流量和喷射时间；燃油供给单元（fuel supply unit）取代原有的燃油泵来提供高压燃油，由液压伺服油泵提供动力液压油，,二、智能型柴油机的共轨技术,Sulzer RT-flex型船用低速柴油机电子控制共轨技术系统,1、喷油控制，由WECS 9500控制系统，给各缸的气缸控制单元（CCU）发送燃油喷射控制信号，气缸的控制单元，根据这个指令和本缸气缸的活塞位置等来控制燃油喷射量、喷射时间、喷射方式（一次性喷射，脉冲性喷射）以及喷射油头的个数。,2、排气阀的控制，由WECS9500控制系统发出指令给各缸控制单元（CCU），CCU就根据指令给本缸的排气控制电磁阀通电，控制高压伺服油，去驱动排气阀使之排气。,3、柴油机的起动控制，由WECS9500控制系统根据曲柄角度传感器送来的曲柄的位置信号来判别各缸的活塞位置，从而发出哪个缸应打开起动阀进气，进行起动。这里的起动阀也是采用电动控制电磁阀。,各缸的燃油压力都是一样的，各缸的液压伺服油压力也是一样的，由此而得名，称之为共轨技术，只不过各大柴油机制造商所采用的压力不同而已。象瑞士Wartsila公司的Sulzer RT-flex机型是采用1000 bar高压燃油压力，而MAN B&W的ME系列是采用7-8bar低压燃油压力，它需进行二次增压后才能喷射。,三、智能型柴油机控制系统的组成和主要功能,1、智能型柴油机控制系统组成,（1）运行模式选择程序部分,它主要由低排放控制模式、燃油经济性模式、主机运行保护模式、应急停/倒车的最优化等模式组成。智能控制系统可根据船舶航行的实际情况，由驾驶台或自身控制系统选择对应所需的运行模式。,（2）主机控制系统 它主要由气缸喷射油量的控制、燃油泵的控制、气缸的压力测量与分析、最大功率Pmax的控制、排气阀的控制、压缩压力的控制、增压系统的控制等单元组成，它控制了柴油机各系统运行。,（3）主机工况监测、分析与管理 主机工况监测、分析与管理应能自动采集主机的各种运行参数，并通过计算机控制，使主机始终运行在最佳状态，它主要由活塞环或气缸套的工况监测、气缸压力监测、扭力和振动的监测以及柴油机智能管理等单元组成。,2、智能型柴油机的主要功能,要实现智能型柴油机的各种功能，要靠现代自动化、计算机、通讯等技术手段来支持。首先将检测回来的柴油机各种运行状态信号送到计算机进行处理（按照最佳的工作模式，使柴油机燃油效率最高，排放最低），处理结果对柴油机的燃油喷射系统、电子调速系统、增压系统、排气阀系统等进行控制，这就要求检测信号的传感器反应快，可靠性高，计算机运行速度快，各系统的执行机构动作快、灵敏和可靠。,第二节船舶柴油机智能控制典型实例,一、Wartsila公司的RT-flex系,1、WECS-9500控制系统,Wartsila公司的RT-flex型智能柴油机控制系统的核心单元是WECS-9500，,WECS-9500控制系统各功能单元的作用：,()公共电子控制单元（COM-EU）,它包括两个主控制模块MCM，它们互为备用，一个MCM工作，另一个处于热备用状态，由外部的选择开关发信号给选择模块ASM，ASM模块根据选择开关的信号确定哪个模块处于工作，哪个处于热备用。MCM的主要作用是对Common Rail中的油压控制、主起动阀的控制以及与其它系统通信，并对主机内部信号进行检测和传输。,（2）气缸电子控制单元（CYL-EU）,每个气缸都装配一个气缸电子控制单元（CEU），它安装在Common Rail平台的下部，它提供对气缸的起动空气阀的启、闭进行控制，燃油喷射、废（排）气阀的启、闭在时间和数量上进行控制，即VIT VEO VEC等功能控制。,（3）曲柄轴角度传感器（Crank Angle Sensor）,它用于准确测量曲柄轴位置，该信号送到CEU，从而推算出气缸的活塞位置，便于对气缸的喷油和排气的时间控制。,（4）各缸执行器的传感器,用于检测各电磁阀，液压伺服油缸的工作状态。,WECS-9500控制系统的通信功能：,（1）与主机遥控系统的通信,所有主机的运行命令如正车、换向、倒车等，依据操作人员所操车钟要求形成指令送给WECS-9500公共模块（COM EU），同时，主控模块上的主机负荷和检测到的排气压力、排烟温度等信号也会传送给主机遥控系统。,（2）与船舶报警系统通信,WECS-9500控制系统检测到主机故障信号时，会发给船舶报警系统进报警、打印、记录或发出减速、停车信号给安保系统。WECS-9500报警信号可分为次要报警信号和重要报警信号，如封缸报警信号为重要报警信号。,（3）与转速控制器的通信,主机调速器是独立的一部分，WECS-9500控制系统接到主机调速器的一个燃油指令信号，主控模块（Com EU）将这个信号分配到所有各气缸的控制模块（CEU），这就是柴油机此时的燃油给定值。如果调速器发生故障，仍可手动调节燃油命令信号，此时，主机处于备用模式运行，在该模式下，对于可变螺距的主机而言，为了防止主机超速，应把螺旋桨设为定螺距运行。,（4）与选择器的通信,与识别器进行信号交换，确定哪一个主控模块处于运行状态，哪一个处于热备用状态。,（5）与安全保护系统的通信,WECS-9500控制系统对液压系统的泄漏监测、各传感器工作状态监测、曲柄轴角度传感器监控，把这些监控到的信号都发到安全保护系统。,2公共电子单元,3气缸控制,4智能型柴油机燃油系统的控制,智能型柴油机的燃油喷射量控制原理,5液压伺服油压力控制,6排气阀的控制,7 柴油机的转速控制,二MAN B&W公司ME系列智能型柴油机控制系统,MAN B&W公司的ME系列智能型柴油机也是采用共轨技术，但是燃油共轨管路的压力为低压7-8bar，伺服油的压力为200bar，都属于低压力系统，能比较有效防止漏油。这样在机械结构上与Wartsila公司共轨柴油机有所不同。对于燃油就得各缸进行二次增压来达到喷射压力要求。图15-2-9为ME系列智能型柴油机的共轨系统示意图，由燃油泵使燃油增压到7-8 bar，送到各个气缸的二次增压器进行喷射前的再增压，使压力达到喷射压力，而液压伺服油是由主滑油泵送来的滑油通过二次过滤（6um），再通过曲柄轴驱动的增压泵或电动驱动增压泵，增压到200bar送到阀箱，通过控制各缸的电磁阀，使伺服油分别进入各缸排气阀的液压缸单元进行排气操作和进入各缸燃油增压的液压缸单元进行增压喷油操作。,ME系列柴油机也有燃油喷射、排气阀、起停和换向等控制。它也是采用计算机直接控制系统.,1ME系列柴油机的智能控制系统,（1）主机信息控制单元（EICU）,（1）主机信息控制单（EICU）,在集控室的操作台中，上面有两个操作界面（MOP），其中一个为运行状态，另一个为热备用状态，一旦运行中操作界面发生故障，它能自动切换到另一台备用机上。它接收驾驶台上操作信息和集控室操作界面上信息，同时，它还与外部系统进行通信。图15-2-12为主机信息控制单元（EICU）与外部系统通信示意图。它与上位机的主机功率管理系统、手动操作系统、主机遥控系统、报警系统、安保系统进行信息交换，其功能和作用与WECS-9500控制系统相似，这里不重述。,（2）主机控制单元（ECU）,主机控制单元（ECU）是ME系列柴油机智能控制器的核心，它管理着三个辅助控制单元和各缸控制单元（CCU），并对其进行监控，同时，接收现场传感器送来的信号和机旁操作板的操作指令，对ACU、CCU下达指令，实现主机换向、起动、喷油、排气、停车等一系列操作，使主机各运行状态达到最佳运行状态，为了安全可靠，它可直接控制备用泵的起、停运行。,（3）辅助控制单元（ACU）,辅助控制单元（ACU）是对燃油泵、润滑泵和辅助鼓风机进行起、停控制，使其共轨管路中保持所要求的压力。它有自动控制模式和手动控制模式。在自动控制模式下，各台辅助鼓风机是根据设定好的“起动顺序”，按扫气压力的大小进行起、停控制，当扫气压力小于等于0.4bar时，就按“起动顺序”起动辅助鼓风机，当扫气箱中压力达到0.7bar时，就依次停止这些鼓风机，其停止是按扫气压力逐一减台的，即：大于等于0.7bar时，先延时停一台鼓风机，当扫气压力小于0.7bar，大于0.4bar，就不再停第二台，若停了一台鼓风机，扫气压力还是大于0.7bar时就停止第二台，以此类推，起动正好相反，以0.4bar为起动值，当主机停车时，辅助鼓风机将继续运行15分钟后才停机，在手动操作模式下，由操作人员控制。,（4）气缸控制单元（CCU）,每个气缸都有一个独立的气缸控制单元（CCU），它接收曲柄轴自由端安装的曲柄轴角度编码器的脉冲信号，由此计算出本气缸活塞位置和工作进程状态。同时，接收主机转速传感器信息，计算出活塞的运行速度信号。还采集了燃油增压活塞和废气排气阀的位置信号。再根据ECU发来的指令进行综合处理，去控制主机各缸的起动、停车、喷油、排气等操作。本系统与RT-flex机型有所区别，它的燃油喷射采用模拟量控制，而排气阀控制是采用开关量控制的。对于燃油喷射是采用比例阀，而对排气控制是采用开关量的开启/关闭。两者不会混乱，因为燃油喷射时间段与排气阀开启时间段是不会重合在一起的，所以，它采用了一个三位三通液压伺服阀来控制。,2、柴油机转速控制,ME系列机型的调速控制器功能被集成在主机控制单元（ECU）中，图15-2-13就是主机控制单元（ECU）实现调速器（Governor）功能的操作界面图。,3、曲柄轴角度偏码器,ME系列机型转速传感器是采用磁脉冲式输出转速传感器，它的曲柄轴角度编码器与通常编码器有所不同，图15-2-14为该机型曲柄轴编码器原理图。它有8个磁感应探头，分成二组A与B；A组中两个为检测转速和方向，另二个为标记位检测，一个放在0位，另一个放在90位上，而B组，也用二个探头检测转速和方向，其它二个为标记位，但与A组的标记位相差45，一个放在45位上，另一个放在135位上，这样，曲轴自由端驱动一个磁性半圆环转动，在标记位上的探头就会有输出电动势变化，若输出高电平为“1”，低电平为“0”，则可作出曲柄轴位置角度与四个探头的输出的电平高低的变化表，如表15-2-1。,