大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器

1、大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器第35卷第l期20i2年3月中國(guó)航海navigat10n0fchinavo1.35no.1mar.2o12文章編號(hào):i0004653(2012)o1005l一05大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器馮寧,楊柳濤,涂撰,韓冰(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200135)摘要:為發(fā)展船舶配套產(chǎn)品,上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所承擔(dān)了國(guó)家科技部船舶主柴油機(jī)電子調(diào)速器研制任務(wù).研制的sri-vc2110eg電子調(diào)速器由控制器,驅(qū)動(dòng)器及電動(dòng)執(zhí)行器組成.控制器采用高性能,低功耗arm7嵌入式微處理器作為核心部件,采用內(nèi)嵌dsp算法的fpga實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)數(shù)字濾波和測(cè)量,采用

2、can現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.電動(dòng)執(zhí)行器采用三相交流永磁同步伺服電機(jī)及精密減速器等.sri-vc2110eg電子調(diào)速器具有主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),燃油限制和補(bǔ)償,vit等功能.經(jīng)實(shí)驗(yàn)室半物理半數(shù)字仿真結(jié)果表明,srivc2110eg電子調(diào)速器性能可滿(mǎn)足大功率低速柴油機(jī)調(diào)速要求.關(guān)鍵詞:船舶,艦船工程;大功率;低速;柴油機(jī);調(diào)速器中圖分類(lèi)號(hào):u664.821文獻(xiàn)標(biāo)志碼:aelectricgovernorforhighpowerlowspeeddieselenginefengning,yangliutao.丁zhuan,hanbing(statekeylaboratoryofnavigationandsafe

3、tytechnology,shanghaishipandshippingresearchinstitute.shanghai200135,china)abstract:sssrihasbeenappointedbytheministryofscienceandtechnologytoundertakethedevelopmentofsrivc2110egshipmainengineelectricgovernor.thenewelectricgovernorconsistsofadigitalcontroller,aservodriverandanelectricactuator.thecor

4、ecomponentofthedigitalcontrollerisahighperformanceemheddedmpuoflowpowerconsumption,arm7.anfpgachipwithinnerembeddeddspalgorithmisusedtoimplementdigitalfilteringandrotationspeedsignalprocessing.thesystemdataarecommunicatedbymeansofcanlocalbus.theelectricactuatorconsistsofathreephasesynchronousservomo

5、torofpermanentmagnettypeandaprecisiongeartrain.thesrivc2110egfeaturesmainenginespeedregulation,fuellimitationandcompensation,vitetc.experimentalresultsofphysica1/digitalhybridsimulationindicatethattheperformanceofthesrivc2110egelectricgovernormeetstherequirementsforspeedgovernorforhighpowerlowspeedd

6、ieselengines.keywords:ship,navalengineering;highpower;lowspeed;dieselengine;governor我國(guó)已成為造船大國(guó),在船舶主推進(jìn)柴油機(jī)制造方面已有一定的生產(chǎn)能力,然而其關(guān)鍵配件電子調(diào)速器卻長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口.國(guó)際上著名的船舶自動(dòng)化產(chǎn)品制造商和調(diào)速器專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)商均有電子調(diào)速器產(chǎn)品,如美國(guó)woodward公司,挪威kongsberg,歐羅巴等.這些產(chǎn)品均以微處理器為核心部件,配置大容量?jī)?nèi)存,豐富的輸入/輸出接口,由軟件實(shí)現(xiàn)大部分控制功能.這些產(chǎn)品性能可靠,功能完善,配置靈活,具有極強(qiáng)的對(duì)象適應(yīng)性.這些產(chǎn)品除了基本的調(diào)速功能外,還包括油

7、門(mén)限制,負(fù)荷限制,超速保護(hù),參數(shù)顯示和參數(shù)設(shè)定等功能,甚至還包括部分主機(jī)遙控的功能.目前,國(guó)內(nèi)的調(diào)速器產(chǎn)品相對(duì)落后.國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)可供船舶使用的調(diào)速器是紅江機(jī)械廠生產(chǎn)的機(jī)械/液壓調(diào)速器,應(yīng)用范圍有限.國(guó)內(nèi)至今還沒(méi)有可供船舶選用的大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器產(chǎn)品.在國(guó)家科技部專(zhuān)項(xiàng)資金的資助下,上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所經(jīng)過(guò)2a的市場(chǎng)調(diào)研,需求分析,方案論證,技術(shù)研究和攻關(guān),研制成功了srivc2110eg型大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器.該產(chǎn)品以智能控制技術(shù)為基礎(chǔ),符合船舶無(wú)人值班機(jī)艙自動(dòng)化要求,可以為船舶主機(jī)配套,替代進(jìn)口產(chǎn)品,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)收稿日期:201112o7基金項(xiàng)目:國(guó)家科技部資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:馮寧(

8、1980一),男,天津市人,助理研究員,碩士,主要從事船舶機(jī)艙自動(dòng)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā).email:fengning52中國(guó)航海2o12年第1期空白.1電子調(diào)速器組成sr1vc2110eg型電子調(diào)速器組成原理見(jiàn)圖1,主要由4個(gè)部分組成:控制器箱(controllercabinet),驅(qū)動(dòng)器箱(drivercabinet),電動(dòng)執(zhí)行器(electricactuator)和轉(zhuǎn)速測(cè)量單元(rpmdetectorsunit).調(diào)速器以can(controllerareanetwork)現(xiàn)場(chǎng)總線為數(shù)據(jù)傳輸紐帶,遵循canopen通信協(xié)議相關(guān)規(guī)范,組成一個(gè)分布式的具有開(kāi)放信息接口的電子調(diào)速器裝置.圖lsrivc2

9、l10eg電子調(diào)速器組成框罔fig.1componentsofsr1一vc211oegelectricgovernor1.1控制器箱srivc21l0eg型電子調(diào)速器控制器箱見(jiàn)圖2(a),采用壁掛式安裝方式(防護(hù)等級(jí)為ip54).其內(nèi)部主要安裝調(diào)速器操作顯示單元,調(diào)速控制單元和直流穩(wěn)壓電源裝置等.調(diào)速控制單元采用先進(jìn)的高性能低功耗arm7嵌入式微處理器,用內(nèi)嵌dsp算法的fpga芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的數(shù)字濾波和測(cè)量.接口電路的設(shè)計(jì)充分考慮了在交流伺服控制系統(tǒng)中強(qiáng)電磁干擾的_l作環(huán)境.調(diào)速控制單元與主機(jī)遙控系統(tǒng)的接口信息包括調(diào)速器準(zhǔn)備就緒,主機(jī)起動(dòng)停車(chē),轉(zhuǎn)速給定指令,slowdown,shutd

10、own,canceliimit等,能配合主機(jī)遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主推進(jìn)柴油機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程控制,轉(zhuǎn)速控制,負(fù)荷限制和保護(hù)功能.調(diào)速器操作顯示單元嵌在控制器箱的前門(mén)(或其它地方),它是電子調(diào)速器的人機(jī)界面,配置分辨率800480的觸摸式液晶顯示屏和帶指示燈的薄膜按鍵.調(diào)速器操作顯示單元與調(diào)速控制單元通過(guò)can現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸數(shù)據(jù).操作顯示單元具有實(shí)時(shí)顯示,參數(shù)配置管理(有密碼保護(hù)),在線測(cè)試等功能.(a)(b)2控制器箱和驅(qū)動(dòng)器箱實(shí)物復(fù)jfig.2controllercabinelanddrivercabinel1.2驅(qū)動(dòng)器箱srivc21loe(型電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)器箱罔2(b),采用壁掛式安裝方式(防護(hù)等級(jí)為

11、ip54).內(nèi)部裝有電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器,進(jìn)線電抗器,抗干擾濾波器和伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備.馮寧,等:大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器53電子調(diào)速器不同于上一代的電一液調(diào)速器,采用以伺服電機(jī)為動(dòng)力的電動(dòng)執(zhí)行器拖動(dòng)油門(mén)拉桿,從而達(dá)到調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的目的.能夠閉環(huán)控制伺服電機(jī)速度,位置,扭矩的裝置稱(chēng)為伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的變頻器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾,驅(qū)動(dòng)器箱箱體能夠有效阻斷電磁信號(hào)的空間輻射,進(jìn)線電抗器和抗干擾濾波器能夠防止電磁信號(hào)對(duì)外部供電電源的電磁污染.1.3電動(dòng)執(zhí)行器srivc2110eg型電子調(diào)速器電動(dòng)執(zhí)行器見(jiàn)圖3(a).主要由三相交流永磁同步伺服電機(jī),精密減速器和機(jī)械輸出臂組成.電動(dòng)執(zhí)行器輸

12、出臂轉(zhuǎn)角范圍為o.42.,對(duì)應(yīng)油門(mén)拉桿行程設(shè)為100mm.法蘭安裝方式(防護(hù)等級(jí)為ip54).1.4轉(zhuǎn)速測(cè)量單元srivc2110eg型電子調(diào)速器轉(zhuǎn)速測(cè)量單元見(jiàn)圖3(b).轉(zhuǎn)速測(cè)量單元就近安裝于主機(jī)測(cè)速點(diǎn).采用雙冗余設(shè)計(jì),在防護(hù)等級(jí)為ip65的水密箱體上,安裝了兩個(gè)完全相同的磁脈沖傳感器.轉(zhuǎn)速測(cè)量單元具有傳感器故障診斷,短路保護(hù)和極性反向保護(hù)等功能.圖3電動(dòng)執(zhí)行器和轉(zhuǎn)速測(cè)量單元實(shí)物圖fig.3electricactuatorandrpmdetectorsunit2電子調(diào)速器功能2.1轉(zhuǎn)速控制流程srivc2110eg型電子調(diào)速器轉(zhuǎn)速控制流程見(jiàn)圖4.控制程序首先對(duì)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)進(jìn)行幅值比較和邏輯判

13、斷,確定控制給定值.然后根據(jù)速度降和實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速求得轉(zhuǎn)速瞬時(shí)偏差,進(jìn)行pid調(diào)節(jié)控制,計(jì)算獲得的油門(mén)開(kāi)度值經(jīng)過(guò)限制和補(bǔ)償修正后輸出,電動(dòng)執(zhí)行器拖動(dòng)油門(mén)拉桿調(diào)節(jié)柴油機(jī)的循環(huán)油量.圖4srivc2110eg電子凋速器控制流程阿fig.4controlflowchartofsrivc2l10egelectricgovernor2.2電子調(diào)速器功能srivc2l10eg型電子調(diào)速器具有如下功能1)轉(zhuǎn)速控制功能(1)起動(dòng)油量給定/停車(chē)斷油功能(2)轉(zhuǎn)速測(cè)量功能轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)數(shù)字濾波功能;轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器的故障診斷功能.(3)控制模式切換功能恒定轉(zhuǎn)速控制模式;恒定油門(mén)控制模式;直接油門(mén)控制模式;在線測(cè)試標(biāo)定模

14、式;惡劣海況控制模式;轉(zhuǎn)速死區(qū)抑制模式.54中國(guó)航海2012年第1期(4)變參數(shù)pid控制功能(5)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率設(shè)定功能2)限制及補(bǔ)償功能(1)扭矩限制功能(2)掃氣壓力限制功能(3)最大轉(zhuǎn)速限制功能(4)最大油門(mén)限制功能(5)低速燃油泄漏補(bǔ)償功能(6)執(zhí)行器位置非線性補(bǔ)償功能(7)執(zhí)行器輸出修正功能3)其它功能(1)根據(jù)負(fù)載控制氣缸滑油功能(2)可變噴油正時(shí)功能(3)網(wǎng)絡(luò)通信功能(4)參數(shù)配置功能(5)自檢功能4)可選功能(1)slowdown功能(2)shutdown功能(3)負(fù)荷程序功能(4)臨界轉(zhuǎn)速避讓功能(5)轉(zhuǎn)速傳感器故障控制策略3電子調(diào)速器性能3.1調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)srivc21i

15、oeg型電子調(diào)速器配機(jī)后能符合gb/t34752008船用柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法規(guī)范要求,能滿(mǎn)足如下性能指標(biāo):1)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率艿st05(可調(diào))2)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率v0.7-1.0(按推進(jìn)特性)3)不靈敏度o.54)瞬時(shí)調(diào)速率d1o5)穩(wěn)定時(shí)間r5s3.2電動(dòng)執(zhí)行器性能指標(biāo)為了滿(mǎn)足不同功率的大功率低速柴油機(jī)的配機(jī)需求,srivc2110eg系列電子調(diào)速器目前有3種型號(hào)的電動(dòng)執(zhí)行器:sr1一vc21ioegea1,srivc21ioegea2,srivc2110egea3,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.3.3工作電源及防護(hù)等級(jí)工作電源,額定功耗及設(shè)備防護(hù)等級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表2表lsrivc211oeeax系列電動(dòng)執(zhí)

16、行器技術(shù)指標(biāo)tab.1sri-vc211oegeaxserieseleetricactuatortechnicalindicators電動(dòng)執(zhí)行器型號(hào)srivc2110egea1sri_vc2l10egea2sri_vc2110egea3最大輸出力/n2135.715o57.1491o2.86靜態(tài)精度/ram最大速度/(mm/s)401.28242.13363.20表2工作電源及防護(hù)等級(jí)tab.2workingpoweranddegreeofprotection設(shè)備名稱(chēng)工作狀態(tài)t作電源額定功耗/kw防護(hù)等級(jí)正常供電22ovac控制器箱o.11ip54應(yīng)急供電24vdc轉(zhuǎn)速測(cè)量單

17、元控制器箱供電ip65配srivc2110eg-ea1執(zhí)行器220vac1.5驅(qū)動(dòng)器箱配srivc2110egea2執(zhí)行器38ov3ac2.8ip54配srivc2110egea3執(zhí)行器38ov3ac5.1srivc211oegea1驅(qū)動(dòng)器箱供電1.32電動(dòng)執(zhí)行器srivc211oegea2驅(qū)動(dòng)器箱供電2.5ip54srivc211oegea3驅(qū)動(dòng)器箱供電4.53.4測(cè)量精度模擬量接口測(cè)量精度5;轉(zhuǎn)速脈沖測(cè)量范圍020000hz,可測(cè)量的最低轉(zhuǎn)速為(1/飛輪齒數(shù))r/s.馮寧,等:大功率低速柴油機(jī)電子調(diào)速器554仿真試驗(yàn)5電子調(diào)速器特點(diǎn)srivc2110eg型電子調(diào)速器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn),采

18、用半物理半數(shù)字仿真方法,仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.一:轉(zhuǎn)速給定h鯊h墨i轉(zhuǎn)速反饋i測(cè)速i;i.壁.曼墮基.j圖5仿真試驗(yàn)系統(tǒng)框圖fig.5simulationtestsystemstructure大功率低速柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型按b&w12k90mcc12建立,運(yùn)行工作狀態(tài)按5500箱集裝箱船確定.水力測(cè)功器數(shù)學(xué)模型,作為吸收柴油機(jī)功率輸出的可調(diào)負(fù)載,能夠完成調(diào)速特性試驗(yàn),轉(zhuǎn)速波動(dòng)率測(cè)定試驗(yàn),突卸和突加負(fù)載試驗(yàn).數(shù)字仿真結(jié)果見(jiàn)圖6,圖7.仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,srivc2110eg型電子調(diào)速器配b&w12k9omcc12大功率低速柴油機(jī),性能指標(biāo)能滿(mǎn)足gb/t34752008標(biāo)準(zhǔn)的要求.圖

19、6100突卸負(fù)載時(shí)的油門(mén)變化仿真曲線fig.6fuelrackcurveduringsuddenlyunload100load呂二啦圖7100突卸負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速變化仿真曲線fig.7enginespeedcurveduringsuddenlyunload100load5.1采用高性能,低功耗的嵌入式微處理器和可編程門(mén)陣列芯片調(diào)速控制單元是電子調(diào)速器的核心部件,由嵌入式微處理器(microprocessingunit,mpu)和內(nèi)嵌dsp(digitalsignalprocessing)算法的可編程門(mén)陣列芯片(fieldprogrammablegatearray,fpga)組成雙核心的硬件架構(gòu):f

20、pga芯片負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速脈沖的采樣和數(shù)字濾波,采用等精度測(cè)頻技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量主機(jī)轉(zhuǎn)速,fpga強(qiáng)大的硬件計(jì)算能力保證了轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性.嵌入式微處理器軟件具有豐富的控制功能,能夠靈活地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)控制,限制和保護(hù)功能.嵌入式微處理器具有開(kāi)放的總線通信接口,軟件實(shí)現(xiàn)了canopen通信功能,符合canopenprofileciads301規(guī)范,通過(guò)操作canopen數(shù)據(jù)字典能夠方便快捷的修改控制參數(shù).5.2提供友好的人機(jī)界面srivc2110eg型電子調(diào)速器為用戶(hù)提供了友好的人機(jī)界面.用戶(hù)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示調(diào)速器的工作模式和柴油機(jī)的工況數(shù)據(jù),具有儀表盤(pán),柱狀圖,控制流程圖,報(bào)警記錄表格等可視化圖形化界面,從不

21、同的視角表現(xiàn)調(diào)速器的內(nèi)部數(shù)據(jù)和控制流程(見(jiàn)圖8).高級(jí)用戶(hù)界面具有密碼保護(hù),可以方便靈活的配置調(diào)速控制單元內(nèi)部上百個(gè)參數(shù),具有轉(zhuǎn)速和油門(mén)曲線示波器功能,可以進(jìn)行調(diào)速性能的在線測(cè)試和參數(shù)整定(見(jiàn)圖9).一罔8實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)最示界面fig.8realtimedatadisplayinterface圖9控制參數(shù)設(shè)置面fig.9controlparameterssettinginterface5.3采用智能控制技術(shù)srivc2ll0eg型電子調(diào)速器,具有加減速速(下轉(zhuǎn)第60頁(yè))60中國(guó)航海2o11年第4期圖8負(fù)荷擾動(dòng)變化曲線fig.8ioaddisturbanceeurve4結(jié)語(yǔ)8060巨40200i.34

22、051.01.52.0t/h5同9給水量擾動(dòng)變化曲線fig.9waterdisturbanceeurve基于模型的鍋爐蒸汽系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)在設(shè)備費(fèi)用,開(kāi)發(fā)周期,可靠性,通用性方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì).開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),己應(yīng)用于泉州海事學(xué)校輪機(jī)模擬器上,作為上崗培訓(xùn)和評(píng)估考核的平臺(tái).實(shí)際運(yùn)行的效果表明,系統(tǒng)運(yùn)行可靠,穩(wěn)定.1r2參考文獻(xiàn)張端陽(yáng),鄭華耀,黃學(xué)武.can總線在嵌入式船舶仿真系統(tǒng)中的直用j.系統(tǒng)仿真技術(shù),2006(2):lo81l2.zhangduanyang.zhenghuayao,huangxuewu.applicationofcanbusinembeddedsimulationsys

23、temofshipsj.systemsimulationtechnology,2006(2):l08lj2.林洪貴,徐軼群,楊罔豪.基于pic的船舶電站物理仿真綜合模擬器的應(yīng)用研究j.船電技術(shù)2009,29(3):3943.i.inhonggui.xuyiqun,yangguohao.studyofphysicalsimulatorexperimentdeviceofthemarine678910powerstationbasedonptccontrotj.marineelectric&electronictechnology,2009,29(3):3943.費(fèi)千.船舶輔機(jī)m.大連:大

24、連海事大學(xué)版社,2000.鄭鳳閣李凱.輪機(jī)自動(dòng)化m.大連:大連海事學(xué)院出版社,1999.陳學(xué)俊.鍋爐原理m.北京:機(jī)械t業(yè)出版社,1990.pingjianming,renqiujiang,yanjunli,eta1.researchonmarineboilerspressurizedcombustionandheattransferj.journalofthermalscience,2005,14(1):7680.孫俊.船舶鍋爐汽包水位及其專(zhuān)家pld控制系統(tǒng)仿真j.計(jì)算機(jī)仿真,2007,24(4):162一l64.sunjun.simulationofmarineboilerdrumwatersystemandexpertpidcontrolsystemj.computersimulation,2007,24(4):162164.徐建國(guó),鐘偉民,童昱.基于matlab7.0和組態(tài)王的先進(jìn)過(guò)程