CN101704403A - 一种船舶电力推进系统控制与研发平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电力推进系统控制与研发平台。平台的设计基于变频控制、电机测试技术，配置系统开发PC机，通过以太网进行控制软件开发；配置了适合电力推进系统分析的各类检测传感器、显示仪表、数据记录微机设备，对发电机组的工况进行数据采集；通过控制单元与测量显示仪表、监视PC机及其软件系统进行数据记录与分析，获得电力推进系统动态分析所需的各种数据与特征信息，各种功能可以在研发平台的运行中得到分析与检验；系统可以支撑完成电力推进系统的各种功能的开发。在电力推进大功率电机控制上，提出一种适合船舶电力推进电机安全控制的控制方法。本发明设计的系统可用于船舶电力推进系统实验研究、系统测试和功能研发。

Description

一种船舶电力推进系统控制与研发平台

技术领域：

本发明涉及船舶电力推进电机及其系统控制技术，特别涉及适合船舶电力推进系统的控制与研发的实验平台。

背景技术：

我国是世界航运大国和造船大国，目前船舶工业产量规模已稳居世界第三，并呈现出加速赶超韩、日之势，科技实力和创新能力将是今后船舶工业国际竞争力的决定性因素，要完成从世界造船大国/航运大国到世界造船强国/航运强国的转变，在船舶工程领域的研究必须进行创新。船舶电力推进作为新形式的船舶推进形式的出现，受到个造船与航运国家的高度重视，船舶电力推进控制形式的出现为我国船舶设计与制造实现跨越式发展带来了机遇与挑战；在海洋上，船舶在风/水流的不确定环境下要求定向与定速航行；在天气恶劣的情况下，船舶摇摆剧烈，推进螺旋桨的水动力负荷变化大；船舶在进出港/靠离码头时，大功率推进电机的操控与负载变化频繁发生，这些工况都使电力推进系统受到大的不确定负荷作用，使系统进入了严重的非线性与饱和状态，参数的变化范围大，暂态过程呈现明显的非线性与不稳定特性。因此，对船舶电力推进系统的组成结构、系统分析、控制方式与技术进行研究具有深刻的意义。

船舶电力推进系统的控制方法与结构形式多样，目前基于现场总线的控制系统集成技术得到广泛的应用，为船舶电力推进系统高效、可靠、安全运行提供了有效手段与方法。

发明内容：

本发明根据船舶电力推进系统动态分析与控制原理，针对船舶电力推进系统需要分析和解决的问题，构建了适合于船舶电力推进系统分析与功能研究开发的实验平台。系统将推进电机、加载机与制动器作为被控对象，以现场总线网络为控制基础进行实验平台的构建，做到集中监测与分散控制互补，检测数据集中记录与分析，数据具有共享功能，控制器与监测仪表配置灵活方便，推进电机控制单元分散独立配置；对于船舶推进电机的控制采用智能控制方法，完成电力推进控制功能；研发系统依靠支撑软件、通过以太网进行电力控制软件的开发。系统适合于船舶电力推进控制的高效、安全、节能运行与控制方法研究，方便船舶电力推进系统的深入研究与功能开发。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

系统以船舶推进电机、加载机与制动器作为控制对象；控制系统采用现场总线网和以太网构成的两层网络进行构架，监测PC机、开发PC机之间组成以太网为基础的控制与管理上位机系统；操控与监视单元、变频控制单元、数据采集控制、传感器、推进电机测量仪表等组成现场总线为基础的设备控制网络。

整个平台系统由五个子系统组成，分别是：推进电机及其控制系统、加载控制系统、数据采集与监视分析系统、数据记录与分析系统、基于以太网的控制软件开发系统组成，形成完整的船舶电力推进系统研发平台.各系统的组成与基本工作方式如下：

1.推进电机及其控制系统组成与控制方式

(1)系统组成

推进电机及其控制系统包括：操控与监视单元、变频控制单元及其制动电阻、大功率船舶推进电机。操控与监视单元发出推进电机控制指令，由变频控制单元执行，控制推进电机转动。

(2)控制方式

船舶推进电机的控制包括转速控制方式和负荷控制方式两个回路，由选择开关切换决定。

①转速控制方式控制过程：当选择开关选择该控制方式时进入工作过程，此时，转速传感器检测到推进电机的转速，反馈到转速闭环控制回路，在控制系统的各个环节的作用下，形成转速偏差闭环回路，控制方法采用智能方法。

②负荷控制方式控制过程：当选择开关选择该控制方式时进入工作过程，此时，转速/转矩传感器检测到推进电机的转速/转矩，反馈到变频器及其控制单元，对推进电机实施控制，控制方法采用智能方法。

2.加载机及其控制系统的控制方式

(1)系统组成

系统组成包括：加载机、加载控制单元、制动器、船桨模型模拟PC机、冷却水箱与水泵。船桨模型模拟PC机建立在以太网基础之上，与其它微机可以实现通讯，系统运行中，船桨模型由PC机发生，通过加载控制单元控制加载机，模拟螺旋桨负载特性。

(2)控制方式

加载机的负载通过控制其励磁电流大小进行；船桨模型模拟PC机发出模拟信号给加载控制单元，控制加载机的励磁电流，励磁电流改变使加载机的输出转矩发生变化，实现对船桨的模拟；对于各种船舶，船桨模型有所不同。

3.检测传感器及其数据采集系统

(1)系统组成

系统组成包括：检测传感器及其仪表系统、数据采集系统与现场总线。

数据采集系统由检测传感器、仪器仪表、现场总线和工控PC机组成，产生开放式标准连接系统。检测传感器配置分为两个部分：对推进电机进行监测，配置转速/转矩、电压、电流、功率、频率、功率因数、绝缘、温度等传感器。

(2)数据采集过程

数据采集工作过程这样进行：传感器检测推进电机的电气等物理参数传输到数据采集控制单元，再传输给检测仪器仪表，检测仪器仪表与报警单元对参数进行预处理、显示与报警，并通过现场总线将预处理后的数据传输到其它控制单元用于系统控制，同时传输到监视PC机用于记录、分析与报警处理，监视PC机上的数据通过以太网供开发PC机等设备共享。

4.数据记录、分析与监视系统组成与功能

系统组成包括监视工业PC机及其分析软件。

分析软件在监视工业PC机操作系统的基础上运行，分析软件可以根据需要选用系统专用设计与分析软件、工程分析软件和数学计算软件，不同软件的功能、作用与分析精度有不同，按分析要求进行选择，形成完整的船舶电力推进系统数据动态分析环境.

数据记录与分析系统同时是船舶电力推进系统的集中监视单元，配置集中监视软件，对系统的工况进行实时监视与报警。

5.基于以太网的控制软件开发系统

系统组成包括以太网、PC机及其开发软件。开发软件包括控制单元微控制器开发软件、管理系统开发软件、工业PC机集中监视开发软件。

软件开发在以太网的开发PC机上进行，控制运行时通过以太网下载到目标单元(推进电机操控单元、微控制器、监视PC机)实现相应的软件功能。

有益效果：

本发明针对船舶电力推进系统的分析、应用与功能开发，设计了一种船舶电力推进系统控制与研发的实验平台，对于船舶电力推进系统的研究具有支撑作用。系统以现场总线网络构架为基础，运用现场总线网路技术、系统集中监视与分散控制技术、实时监测技术、电力推进系统控制技术、系统计算机分析技术等构成研发平台，具备对船舶电力推进系统进行动态分析与控制功能开发的条件；可以完成船舶电力推进系统应用、系统动态特性/特征分析、自动控制功能开发等研究内容，是一种适合船舶电力推进系统及其相关学科教学与科研工作的研发平台。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1本发明的系统组成与结构图(船舶电力推进系统控制与研发平台构建)；

图2本发明的船舶电力推进系统控制模块框图(船舶电力推进系统控制方法)。

图中标号：

1、制动电阻2、负载开关4、变频控制单元5、操控与监视单元

6、船桨模型模拟PC机7、加载控制单元9、推进电机10、电机传感器

11、转速/转矩传感器12、数据采集控制单元13、显示仪表与报警单元14、冷却水箱

15、水泵16、加载机17、监视PC机18、制动器19、现场总线20、以太网

21、系统分析开发PC机22、主电网3、8传感器(位置)

01、船舶特性限制单元02、螺旋桨特性限制单元03、转矩限制单元04、指令发讯单元

05、指令预处理单元06、选择开关07、负荷控制器08、加减速限制单元

09、临界转速限制单元010、最大/最小转速限制单元011、比较单元

012、死区控制单元013、转速控制器014、选小器015、转速变送单元

016、监视与保护单元017、变频器控制单元018、推进电机

019、转速/转矩传感器020、制动电阻

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的实施方式.

系统在附图1的结构与组成的支持下，运用附图2所示方法实现自动控制。

1.系统结构与工作过程

结合附图1，对本发明的具体系统结构作进一步详细描述。

根据船舶电力推进系统控制与研发平台结构图(图1)，系统的工作过程如下：

船舶电力推进系统控制与研发平台针对推进电机与加载机被控对象进行数据检测、控制、功能开发；推进电机的控制与功能开发是研发的主体，加载机控制系统实现船舶推进特性模拟。

(1)推进电机及其控制系统工作过程

系统由操控与监视单元(内含微控制器)5根据船舶情况发出操作指令，传输给变频控制单元4，变频控制单元4从主电网22获取电能，按操作指令进行电能变换输出用于控制推进电机9，使电机9按操控指令进行运行，推进电机9输出转矩功率驱动加载机16运行。当推进电机9工作在制动状态时，部分电能将回馈给变频控制单元4，由制动电阻1消耗掉。

(2)加载机及其控制系统工作过程

系统由船桨模型模拟PC机6根据监视PC机17的信息发出控制指令给加载控制单元7，加载控制单元7根据指令产生加载机的励磁控制信号，对加载机16的直流励磁进行控制，改变加载机16产生的负载力矩，使之按船桨模型模拟PC机6发出的船舶与螺旋桨的特性进行工作，对推进电机9施加符合螺旋桨的负载。在加载过程中，加载机16会发热，因此，需要水泵15用水对加载机16进行冷却，冷却水储存在冷却水箱14中，冷却水箱14中的水由其它设备进行冷却。制动器18由加载控制单元7控制，用于对转轴产生机械制动力矩，可以模拟螺旋桨轴的堵转与安全制动工况。

(3)检测传感器及其数据采集系统工作过程

系统配置转速/转矩、电压、电流、功率、频率、功率因数、绝缘、温度等传感器，分别置于11、8、3、10的位置；在数据采集控制单元12的作用下，对于推进电机的工况进行全面的检测；检测的信息传输给显示仪表与报警单元13进行数据显示，处理后进行故障工况报警；检测的信息传输给监视PC机17，用于系统监视与数据记录、分析；全部数据可以在现场总线19和以太网20上实现共享。

(4)数据记录、分析与监视系统工作过程

数据记录、分析与监视由监视PC机17、系统分析开发PC机21配置相应的软件来完成。信息的交换通过以太网20进行，结果可以实现共享。全部数据在监视PC机17、系统分析开发PC机21上进行双份备份。

(5)基于以太网的控制软件开发工作过程

控制软件开发由系统分析开发PC机21配置开发软件来完成。开发完成的控制软件，通过以太网20，下载到操控与监视单元5；开发完成的报警处理软件，通过以太网20，下载到显示与报警单元13；集中监视软件在监视PC机17上进行开发，在监视PC机17上运行。

2.系统的控制方法

结合附图2，对本发明的具体系统结构作进一步详细描述.附图2所示的控制方法用于附图1中的控制单元的控制程序.

船舶电力推进控制采用转速控制、负荷控制的控制方式可选控制结构，根据模拟的船舶海况情况进行选择；为保护推进电机，海况良好时选择转速控制，海况差时选择负荷控制。

(1)转速控制工作过程

附图2中，当选择开关06置于下位时，转速控制回路投入工作。这时，指令发讯单元04设置转速给定值，然后输出给指令预处理单元05，对设定的指令进行预处理；处理后的指令通过选择开关06，传输到加减速限制单元08，根据设定的电机推进特性，对指令的变化率进行限制；限制后的指令传输给临界转速限制单元09，单元09根据实际船舶推进轴系共振的数据设定临界转速范围，滤除处于共振范围内的设定信号；指令然后传输给最大/最小转速限制单元010，单元010去除指令的最大/最小值范围以外的设定信号；在比较单元011与反馈的实际转速信号进行减法运算；反馈的实际转速信号依靠转速/转矩传感器010检测推进螺旋桨的实际转速，由转速变送单元015对信号进行处理形成；比较单元011输出转速偏差量给死区控制单元012，单元012根据海况的不平稳情况，选择死区范围的不同大小，实现对推进电机的过载保护；死区控制单元012的输出信号传输给转速控制器013进行控制运算，控制器013配置运算速度快的微控制器，其运算规律选用智能控制的方法，运算后的信号进入选小器单元014与其它限制信号比较，选最小值输出；船舶特性限制单元01的特性规律是根据船舶设计参数决定的船舶在水中航行的阻力与螺旋桨转速之间的关系，为使船舶航行的效率最高，螺旋桨的转速变化在该特性的限制下运转；螺旋桨特性限制单元02的特性规律是根据螺旋桨推力与转速的关系使螺旋桨发挥理想推力的特性规律，为使螺旋桨的运行效率最高，螺旋桨的转速变化在该特性的限制下运转；转矩限制单元03的作用是限制转速变化过程中避免推进轴系受到过大转矩损害的一种限制；选小器014选择上述信号的最小值输出；输出信号给变频器及其控制单元017，017将电网的电能进行变换，输出满足上述要求的交流电能，控制推进电机018运转；变频器工作过程中，推进电机反馈的一些能量传输到制动电阻020消耗掉；研究中，单元017的变频器在不同的工作方式下，需要推进轴的转速/转矩信号，因此通过传感器019获取该信号；推进电机与变频器的工作过程受到监视与保护单元016的监控，单元016将检测到的推进电机与变频器的工况参数进行显示与处理，产生故障情况下的报警；对于一些重要参数，当达到极限时输出保护动作信号，限制推进电机018与变频器017的危险动作，起到对设备的安全保护作用。

(2)负荷控制工作过程

附图2中，当选择开关06置于上位时，负荷控制器07及其负荷控制回路投入工作。与“转速控制”不同之处在于由负荷控制器07的通路取代了转速处理与控制器013的通路，同时这时的指令发讯单元04的设定值的含义转换成推进电机的功率负荷值，控制回路中的量是功率负荷量；控制器配置运算速度快的微控制器，负荷控制的控制方法也采用智能方法。这时，指令发讯单元04设置负荷给定值，然后输出给指令预处理单元05，对设定的指令进行预处理；处理后的指令通过开关06，传输到负荷控制器07进行运算，其它控制过程与“转速控制”过程类似。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点.本行业的技术人员应该了解，本发明不仅仅受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内.本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定.

Claims (4)

1.一种船舶电力推进系统控制与研发平台，包括推进电机系统、加载机与制动器、现场总线网，其特征在于，设置数据采集与监视分析系统、数据记录与分析系统，以形成完整的平台，包括以下方法：

1)所述平台以船舶推进电机、加载机与制动器作为控制对象；

2)所述平台采用现场总线网和以太网构成的两层网络进行构架，监测PC机、开发PC机之间组成以太网为基础的控制与管理上位机系统；

3)操控与监视单元、变频控制单元、数据采集控制、传感器、推进电机测量仪表等组成现场总线为基础的设备控制网络。

2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述方法1)的船舶推进电机的操控与监视单元发出推进电机控制指令，由变频控制单元执行，控制推进电机转动；由选择开关切换决定转速控制方式和负荷控制方式两个回路，控制方法采用智能方法。

3.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述方法1)的加载机的负载通过控制其励磁电流大小进行；船桨模型模拟PC机发出模拟信号给加载控制单元，控制加载机的励磁电流，励磁电流改变使加载机的输出转矩发生变化，实现对船桨的模拟；对于各种船舶，船桨模型有所不同。

4.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述方法3)的传感器检测推进电机的电气等物理参数传输到数据采集控制单元，再传输给检测仪器仪表，检测仪器仪表与报警单元对参数进行预处理、显示与报警，并通过现场总线将预处理后的数据传输到其它控制单元用于系统控制，同时传输到监视PC机用于记录、分析与报警处理，监视PC机上的数据通过以太网供开发PC机等设备共享。

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