輪機(jī)自動(dòng)化課件 第十四章

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1、,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),第十四章 船舶柴油機(jī)智能控制系統(tǒng),2002年初MAN B&W公司正式推出了電子控制的ME系列柴油機(jī)。而瑞士Wartsila公司在1998年首先推出了共軌式全電子控制的智能型柴油機(jī)Sulzer RT-flex（電控等壓噴射）燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無凸輪軸柴油機(jī)的燃油噴射，排氣閥啟、閉，起動(dòng)空氣和缸套潤(rùn)滑的全電控制，甚稱柴油機(jī)的第三次革命。,第一節(jié)船舶柴油機(jī)智能控制基本原理,一、概述,Wartsila公司首先提出共軌技術(shù)，在傳統(tǒng)的Sulzer RTA型柴油機(jī)上取消了廢氣排氣閥驅(qū)動(dòng)裝置（exhaust va

2、lve driver）、燃油泵（fuel pump）、凸輪軸（Camshaft）、可逆（倒車）伺服馬達(dá)（reversing servomotor）、燃油連接（fuel linkage）、起動(dòng)空氣分配器（start air distribution）和凸輪軸驅(qū)動(dòng)（camshaft drive）等機(jī)構(gòu)。,Common Rail（共軌）裝置，用來建立燃油壓力，采用液壓控制廢（排）氣閥啟、閉操作，容積噴射控制單元（Volumetric InjectionControl Unit）控制燃油的流量和噴射時(shí)間；燃油供給單元（fuel supply unit）取代原有的燃油泵來提供高壓燃油，由液壓伺服油泵提供

3、動(dòng)力液壓油，,二、智能型柴油機(jī)的共軌技術(shù),Sulzer RT-flex型船用低速柴油機(jī)電子控制共軌技術(shù)系統(tǒng),1、噴油控制，由WECS 9500控制系統(tǒng)，給各缸的氣缸控制單元（CCU）發(fā)送燃油噴射控制信號(hào)，氣缸的控制單元，根據(jù)這個(gè)指令和本缸氣缸的活塞位置等來控制燃油噴射量、噴射時(shí)間、噴射方式（一次性噴射，脈沖性噴射）以及噴射油頭的個(gè)數(shù)。,2、排氣閥的控制，由WECS9500控制系統(tǒng)發(fā)出指令給各缸控制單元（CCU），CCU就根據(jù)指令給本缸的排氣控制電磁閥通電，控制高壓伺服油，去驅(qū)動(dòng)排氣閥使之排氣。,3、柴油機(jī)的起動(dòng)控制，由WECS9500控制系統(tǒng)根據(jù)曲柄角度傳感器送來的曲柄的位置信號(hào)來判別各缸的活

4、塞位置，從而發(fā)出哪個(gè)缸應(yīng)打開起動(dòng)閥進(jìn)氣，進(jìn)行起動(dòng)。這里的起動(dòng)閥也是采用電動(dòng)控制電磁閥。,各缸的燃油壓力都是一樣的，各缸的液壓伺服油壓力也是一樣的，由此而得名，稱之為共軌技術(shù)，只不過各大柴油機(jī)制造商所采用的壓力不同而已。象瑞士Wartsila公司的Sulzer RT-flex機(jī)型是采用1000 bar高壓燃油壓力，而MAN B&W的ME系列是采用7-8bar低壓燃油壓力，它需進(jìn)行二次增壓后才能噴射。,三、智能型柴油機(jī)控制系統(tǒng)的組成和主要功能,1、智能型柴油機(jī)控制系統(tǒng)組成,（1）運(yùn)行模式選擇程序部分,它主要由低排放控制模式、燃油經(jīng)濟(jì)性模式、主機(jī)運(yùn)行保護(hù)模式、應(yīng)急停/倒車的最優(yōu)化等模式組成。智能控制

5、系統(tǒng)可根據(jù)船舶航行的實(shí)際情況，由駕駛臺(tái)或自身控制系統(tǒng)選擇對(duì)應(yīng)所需的運(yùn)行模式。,（2）主機(jī)控制系統(tǒng) 它主要由氣缸噴射油量的控制、燃油泵的控制、氣缸的壓力測(cè)量與分析、最大功率Pmax的控制、排氣閥的控制、壓縮壓力的控制、增壓系統(tǒng)的控制等單元組成，它控制了柴油機(jī)各系統(tǒng)運(yùn)行。,（3）主機(jī)工況監(jiān)測(cè)、分析與管理 主機(jī)工況監(jiān)測(cè)、分析與管理應(yīng)能自動(dòng)采集主機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，并通過計(jì)算機(jī)控制，使主機(jī)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，它主要由活塞環(huán)或氣缸套的工況監(jiān)測(cè)、氣缸壓力監(jiān)測(cè)、扭力和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)以及柴油機(jī)智能管理等單元組成。,2、智能型柴油機(jī)的主要功能,要實(shí)現(xiàn)智能型柴油機(jī)的各種功能，要靠現(xiàn)代自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊等技術(shù)手段來支持

6、。首先將檢測(cè)回來的柴油機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理（按照最佳的工作模式，使柴油機(jī)燃油效率最高，排放最低），處理結(jié)果對(duì)柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)、電子調(diào)速系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、排氣閥系統(tǒng)等進(jìn)行控制，這就要求檢測(cè)信號(hào)的傳感器反應(yīng)快，可靠性高，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快，各系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作快、靈敏和可靠。,第二節(jié)船舶柴油機(jī)智能控制典型實(shí)例,一、Wartsila公司的RT-flex系,1、WECS-9500控制系統(tǒng),Wartsila公司的RT-flex型智能柴油機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元是WECS-9500，,WECS-9500控制系統(tǒng)各功能單元的作用：,()公共電子控制單元（COM-EU）,它包括兩個(gè)主控制模塊MCM

7、，它們互為備用，一個(gè)MCM工作，另一個(gè)處于熱備用狀態(tài)，由外部的選擇開關(guān)發(fā)信號(hào)給選擇模塊ASM，ASM模塊根據(jù)選擇開關(guān)的信號(hào)確定哪個(gè)模塊處于工作，哪個(gè)處于熱備用。MCM的主要作用是對(duì)Common Rail中的油壓控制、主起動(dòng)閥的控制以及與其它系統(tǒng)通信，并對(duì)主機(jī)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和傳輸。,（2）氣缸電子控制單元（CYL-EU）,每個(gè)氣缸都裝配一個(gè)氣缸電子控制單元（CEU），它安裝在Common Rail平臺(tái)的下部，它提供對(duì)氣缸的起動(dòng)空氣閥的啟、閉進(jìn)行控制，燃油噴射、廢（排）氣閥的啟、閉在時(shí)間和數(shù)量上進(jìn)行控制，即VIT VEO VEC等功能控制。,（3）曲柄軸角度傳感器（Crank Angle Sen

8、sor）,它用于準(zhǔn)確測(cè)量曲柄軸位置，該信號(hào)送到CEU，從而推算出氣缸的活塞位置，便于對(duì)氣缸的噴油和排氣的時(shí)間控制。,（4）各缸執(zhí)行器的傳感器,用于檢測(cè)各電磁閥，液壓伺服油缸的工作狀態(tài)。,WECS-9500控制系統(tǒng)的通信功能：,（1）與主機(jī)遙控系統(tǒng)的通信,所有主機(jī)的運(yùn)行命令如正車、換向、倒車等，依據(jù)操作人員所操車鐘要求形成指令送給WECS-9500公共模塊（COM EU），同時(shí)，主控模塊上的主機(jī)負(fù)荷和檢測(cè)到的排氣壓力、排煙溫度等信號(hào)也會(huì)傳送給主機(jī)遙控系統(tǒng)。,（2）與船舶報(bào)警系統(tǒng)通信,WECS-9500控制系統(tǒng)檢測(cè)到主機(jī)故障信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)給船舶報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)報(bào)警、打印、記錄或發(fā)出減速、停車信號(hào)給安保系統(tǒng)

9、。WECS-9500報(bào)警信號(hào)可分為次要報(bào)警信號(hào)和重要報(bào)警信號(hào)，如封缸報(bào)警信號(hào)為重要報(bào)警信號(hào)。,（3）與轉(zhuǎn)速控制器的通信,主機(jī)調(diào)速器是獨(dú)立的一部分，WECS-9500控制系統(tǒng)接到主機(jī)調(diào)速器的一個(gè)燃油指令信號(hào)，主控模塊（Com EU）將這個(gè)信號(hào)分配到所有各氣缸的控制模塊（CEU），這就是柴油機(jī)此時(shí)的燃油給定值。如果調(diào)速器發(fā)生故障，仍可手動(dòng)調(diào)節(jié)燃油命令信號(hào)，此時(shí)，主機(jī)處于備用模式運(yùn)行，在該模式下，對(duì)于可變螺距的主機(jī)而言，為了防止主機(jī)超速，應(yīng)把螺旋槳設(shè)為定螺距運(yùn)行。,（4）與選擇器的通信,與識(shí)別器進(jìn)行信號(hào)交換，確定哪一個(gè)主控模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，哪一個(gè)處于熱備用狀態(tài)。,（5）與安全保護(hù)系統(tǒng)的通信,WECS

10、-9500控制系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測(cè)、各傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、曲柄軸角度傳感器監(jiān)控，把這些監(jiān)控到的信號(hào)都發(fā)到安全保護(hù)系統(tǒng)。,2公共電子單元,3氣缸控制,4智能型柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的控制,智能型柴油機(jī)的燃油噴射量控制原理,5液壓伺服油壓力控制,6排氣閥的控制,7 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,二MAN B&W公司ME系列智能型柴油機(jī)控制系統(tǒng),MAN B&W公司的ME系列智能型柴油機(jī)也是采用共軌技術(shù)，但是燃油共軌管路的壓力為低壓7-8bar，伺服油的壓力為200bar，都屬于低壓力系統(tǒng)，能比較有效防止漏油。這樣在機(jī)械結(jié)構(gòu)上與Wartsila公司共軌柴油機(jī)有所不同。對(duì)于燃油就得各缸進(jìn)行二次增壓來達(dá)到噴射壓力要求。圖

11、15-2-9為ME系列智能型柴油機(jī)的共軌系統(tǒng)示意圖，由燃油泵使燃油增壓到7-8 bar，送到各個(gè)氣缸的二次增壓器進(jìn)行噴射前的再增壓，使壓力達(dá)到噴射壓力，而液壓伺服油是由主滑油泵送來的滑油通過二次過濾（6um），再通過曲柄軸驅(qū)動(dòng)的增壓泵或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)增壓泵，增壓到200bar送到閥箱，通過控制各缸的電磁閥，使伺服油分別進(jìn)入各缸排氣閥的液壓缸單元進(jìn)行排氣操作和進(jìn)入各缸燃油增壓的液壓缸單元進(jìn)行增壓噴油操作。,ME系列柴油機(jī)也有燃油噴射、排氣閥、起停和換向等控制。它也是采用計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng).,1ME系列柴油機(jī)的智能控制系統(tǒng),（1）主機(jī)信息控制單元（EICU）,（1）主機(jī)信息控制單（EICU）,在集控室的

12、操作臺(tái)中，上面有兩個(gè)操作界面（MOP），其中一個(gè)為運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)為熱備用狀態(tài)，一旦運(yùn)行中操作界面發(fā)生故障，它能自動(dòng)切換到另一臺(tái)備用機(jī)上。它接收駕駛臺(tái)上操作信息和集控室操作界面上信息，同時(shí)，它還與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。圖15-2-12為主機(jī)信息控制單元（EICU）與外部系統(tǒng)通信示意圖。它與上位機(jī)的主機(jī)功率管理系統(tǒng)、手動(dòng)操作系統(tǒng)、主機(jī)遙控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、安保系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，其功能和作用與WECS-9500控制系統(tǒng)相似，這里不重述。,（2）主機(jī)控制單元（ECU）,主機(jī)控制單元（ECU）是ME系列柴油機(jī)智能控制器的核心，它管理著三個(gè)輔助控制單元和各缸控制單元（CCU），并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，接收現(xiàn)場(chǎng)傳

13、感器送來的信號(hào)和機(jī)旁操作板的操作指令，對(duì)ACU、CCU下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)主機(jī)換向、起動(dòng)、噴油、排氣、停車等一系列操作，使主機(jī)各運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，為了安全可靠，它可直接控制備用泵的起、停運(yùn)行。,（3）輔助控制單元（ACU）,輔助控制單元（ACU）是對(duì)燃油泵、潤(rùn)滑泵和輔助鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行起、停控制，使其共軌管路中保持所要求的壓力。它有自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式。在自動(dòng)控制模式下，各臺(tái)輔助鼓風(fēng)機(jī)是根據(jù)設(shè)定好的“起動(dòng)順序”，按掃氣壓力的大小進(jìn)行起、?？刂?，當(dāng)掃氣壓力小于等于0.4bar時(shí)，就按“起動(dòng)順序”起動(dòng)輔助鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)掃氣箱中壓力達(dá)到0.7bar時(shí)，就依次停止這些鼓風(fēng)機(jī)，其停止是按掃氣壓力逐一減臺(tái)的

14、，即：大于等于0.7bar時(shí)，先延時(shí)停一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)掃氣壓力小于0.7bar，大于0.4bar，就不再停第二臺(tái)，若停了一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，掃氣壓力還是大于0.7bar時(shí)就停止第二臺(tái)，以此類推，起動(dòng)正好相反，以0.4bar為起動(dòng)值，當(dāng)主機(jī)停車時(shí)，輔助鼓風(fēng)機(jī)將繼續(xù)運(yùn)行15分鐘后才停機(jī)，在手動(dòng)操作模式下，由操作人員控制。,（4）氣缸控制單元（CCU）,每個(gè)氣缸都有一個(gè)獨(dú)立的氣缸控制單元（CCU），它接收曲柄軸自由端安裝的曲柄軸角度編碼器的脈沖信號(hào)，由此計(jì)算出本氣缸活塞位置和工作進(jìn)程狀態(tài)。同時(shí)，接收主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信息，計(jì)算出活塞的運(yùn)行速度信號(hào)。還采集了燃油增壓活塞和廢氣排氣閥的位置信號(hào)。再根據(jù)ECU發(fā)來的指令

15、進(jìn)行綜合處理，去控制主機(jī)各缸的起動(dòng)、停車、噴油、排氣等操作。本系統(tǒng)與RT-flex機(jī)型有所區(qū)別，它的燃油噴射采用模擬量控制，而排氣閥控制是采用開關(guān)量控制的。對(duì)于燃油噴射是采用比例閥，而對(duì)排氣控制是采用開關(guān)量的開啟/關(guān)閉。兩者不會(huì)混亂，因?yàn)槿加蛧娚鋾r(shí)間段與排氣閥開啟時(shí)間段是不會(huì)重合在一起的，所以，它采用了一個(gè)三位三通液壓伺服閥來控制。,2、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制,ME系列機(jī)型的調(diào)速控制器功能被集成在主機(jī)控制單元（ECU）中，圖15-2-13就是主機(jī)控制單元（ECU）實(shí)現(xiàn)調(diào)速器（Governor）功能的操作界面圖。,3、曲柄軸角度偏碼器,ME系列機(jī)型轉(zhuǎn)速傳感器是采用磁脈沖式輸出轉(zhuǎn)速傳感器，它的曲柄軸角度編碼器與通常編碼器有所不同，圖15-2-14為該機(jī)型曲柄軸編碼器原理圖。它有8個(gè)磁感應(yīng)探頭，分成二組A與B；A組中兩個(gè)為檢測(cè)轉(zhuǎn)速和方向，另二個(gè)為標(biāo)記位檢測(cè)，一個(gè)放在0位，另一個(gè)放在90位上，而B組，也用二個(gè)探頭檢測(cè)轉(zhuǎn)速和方向，其它二個(gè)為標(biāo)記位，但與A組的標(biāo)記位相差45，一個(gè)放在45位上，另一個(gè)放在135位上，這樣，曲軸自由端驅(qū)動(dòng)一個(gè)磁性半圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在標(biāo)記位上的探頭就會(huì)有輸出電動(dòng)勢(shì)變化，若輸出高電平為“1”，低電平為“0”，則可作出曲柄軸位置角度與四個(gè)探頭的輸出的電平高低的變化表，如表15-2-1。,