CN111365081B - 一种集成式小型化船用动力系统控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化船用动力系统控制装置，涉及船用动力系统设备技术领域，包括DPU、电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站、工业以太网总线、电源和背板，所述DPU用于整个设备内部通信系统的主站控制器，通过采用工业以太网总线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站实现通信和控制，解决现有船舱内使用的动力系统控制装置，占用空间大，现有技术中使用的多种设备之间电磁干扰，以及使用人员操作、维护困难的问题。

Description

一种集成式小型化船用动力系统控制装置

技术领域

本发明涉及船用动力系统设备技术领域，具体涉及一种集成式小型化船用动力系统控制装置。

背景技术

船用汽轮机是指应用于船舶上为整机提供动力的汽轮机。它是一种旋转式动力机械，具备很大的通流面积，由蒸汽推动，将热能转换为动能，单机组功率较大。其安装在易变形的船体基座上，易受到船体摇摆、冲击影响，与电厂环境下应用的汽轮机不同，该设备的正常运转关系到全船的安全，对可靠性和抗冲击能力要求非常高，其体积、重量受到船体严格限制，在运行时经常需要变速和倒航，对其机动性有特殊要求，该控制对象的特性对集成式控制器的控制性能提出了新的要求。

在目前的船用环境下，特别是小型船只，船舰内部空间极度有限，导致船内电子设备的布置非常局限，对于船舱内动力系统的控制装置要求显得尤为明显。且船舶上的工作人员的电气、电子相关专业知识较为局限，很难独立处理船用动力系统中遇到的问题，所以亟需寻求一种适用于小型化船用动力系统控制装置，不仅需要达到船级社标准，同时提高设备人机接口的可维护性，降低了对操作人员的技术要求。

就船用动力系统的控制设备而言，其控制对象包括汽轮机和电机两个部分，对应的电控装置包括汽轮机电液调节系统、电机控制系统、动力监视装置和紧急跳机系统，分别用于驱动汽轮机运转、电机发电、动力系统状态监视和紧急情况下的动力系统保护。

目前在船舱内应用装置都是通过集成不同的通用工业设备来实现，该实现方式占用大量舱内空间，每种设备都需要独立的控制机柜，而且不同设备之间的电磁干扰问题也非常突出，操作使用都需要专业工程师完成，设备的运行维护难度较高，面对河流海洋的应用环境，船用电子设备的抗振动冲击性能和抗盐雾能力要求非常高，通用设备在这些方面的性能表现不足，特别是针对一些极端应用环境下捉襟见肘，因此该方案提出了一种针对小型船用透平和船用电机的集成式控制装置。

国家知识产权局公开了一件申请号为“CN201210292433.X”，名称为“一种汽轮机仪控系统”的发明专利，公开了一种汽轮机仪控系统，包括：安全监视单元，监控汽轮发电机组的运行，测得现场模拟量信号并将其转换为电信号；数字电液控制单元，与操作员站实时通讯，同时接收现场信号、与内部预设值进行比较，得出控制指令输出至油动机控制器；操作员站，操作员站监控所有的现场实时信号，向油动机控制器发送控制指令；油动机控制器，接收油动机的两路行程信号并将其转换为电信号，同时接受操作员站发出的控制指令、向油动机发出控制信号；集散控制单元，接收安全监视单元和油动机控制器的电信号、并将其发送至操作员站；其特征在于：所述系统内还设置有危急遮断单元，当安全监视单元、集散控制单元或数字电液控制单元监测到停机信号时，向危急遮断单元发出电信号，危急遮断单元可以实现以下两种功能：向集散控制单元发出对现场故障线路进行回路检查的控制信号，或向主汽门开关发出关闭信号和向数字电液控制单元发出油动机控制器的停机信号；所述危急遮断单元包括试验切投开关、控制器、继电器，试验切投开关控制实现危急遮断单元的两种功能，控制器接收到停机信号后、通过继电器输出控制信号；所述控制器是冗余配置的2个独立的PLC，命名为A 机和B机；所述危急遮断单元具有在线调试功能：通过试验切投开关可选择A 机和B机的工作状态为试验状态或停机保护状态；PLC通电后，如果两台机都正常，A机的工作状态为试验状态、B机的工作状态为停机保护状态，模拟现场停机信号时，A机开出开关量信号使对应功能停机继电器动作，从而开出停机信号至光字报警系统和集散控制单元，实现远程监测停机信号，维持机组运转；当A机未能正常开出信号至光字报警系统和集散控制单元时，则该通道存在异常；用上述方法测试所有通道；所述危急遮断单元具有试验互锁功能：通电后，当2台PLC都正常，则输出本机正常信号到对方机，同时将本机的运行状态输出到对方机，本机要投入试验不仅要满足切投开关选择试验投入，还要满足对方机正常且未投入试验，如当两台机均不为试验状态时，可任意选择一台机位试验状态，假如选择A机当前状态为试验状态，则B机不能再选择为试验状态，即使B机切投开关选择试验状态，由于A机处于试验状态，B机PLC仍视B机投入试验不成功，防止在线调试过程中真实的停机信号存在时，系统未进行有效的遮断保护。

上述技术方案提出了一种具有紧急遮断、安全监视、数字电液控制、伺服控制、集散控制和在线调试功能的汽轮机仪控系统，但是仍不能解决传统船用动力系统控制装置体积大，不易操作控制的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式小型化船用动力系统控制装置，解决现有船舱内使用的动力系统控制装置，占用空间大，现有技术中使用的多种设备之间电磁干扰，以及使用人员操作、维护困难的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种集成式小型化船用动力系统控制装置，包括DPU、电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站、工业以太网总线、电源和背板，所述DPU用于整个设备内部通信系统的主站控制器，通过采用工业以太网总线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站实现通信和控制；所述电机控制系统用于控制电机的励磁机，用于稳定发电机的输出电压；所述汽轮机电液调节系统接收整船控制系统指令，再通过控制汽轮机来实现汽轮机变速和倒航的功能；所述动力监视装置用于收集振动、位移、胀差、偏心、键相和转速信号，当信号超出设定值时，动力监视装置向动力控制系统提供报警、向紧急停机系统提供跳机输出；所述紧急停机系统与汽轮机控制连接，当汽轮机出现异常时，强制关闭汽轮机阀门，实现机组停机；所述手动操作盘分别与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统电气连接；所述卡槽式数据站采用集成加密数据硬盘，实现实时数据存储，并通过DPU进行通讯调试后与工业以太网总线电气连接，当机组出现故障时接入设备，读取数据，调取实时历史信息，用于故障分析；所述电源用于紧急停机系统独立供电，以及用于电机控制系统和动力监视装置的备用电源；所述背板用于辅助高速信号以及各种通信网络的传递。

所述DPU所属的工业通信网络采用了冗余设计、分散式时钟机制、遵循精密时间协议标准。

所述电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置包括基本模件单元，所述基本模件单元包括IO模件和专用模件。

所述汽轮机控制系统、电机控制系统均采用了专用模件集成。

所述紧急停机系统通过硬接线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置和手动操作盘连接。

本技术方案的工作原理：该方案通过在硬件上针对汽轮机控制系统、电机控制系统、动力监视装置和紧急停机系统，使用统一的由DPU、IO模件和专用模件组成的工业以太网总线通信拓扑结构，来实现绝大多数信号的总线化，保留必须的对外硬件接口，消除各个子系统间的信号交互带来的硬件接口，选用高集成度器件，将功率电路从控制器中分离，从结构、电气、器件等方面进行系统级整合，来实现设备的高度集成化，从而将体积缩减到原有的十分之一。

本技术方案的有益效果如下：

一、本发明中，通过高集成度设计，集成了电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统和卡槽式数据站五个子系统，将动力系统控制装置体积缩减至现有方案的十分之一，更适用于小型化船只环境，减小了船只对控制舱空间的需求，节省宝贵的舱内空间；且本控制装置降低了对人员的操作要求，提供简易人机交互界面，通过就地或远程按钮即可实现汽轮机组的可靠运行，降低了对专业人员的依赖。

二、本发明中，该动力系统控制装置中DPU采用冗余设计，实现了数据同步、DPU主备切换功能，在总线拓扑上实现了数据的时钟同步，具备时间戳功能。

三、本发明中，所述电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置均采用了专用模件集成方案，作为集成控制器一部分与其他系统共用DPU计算单元，减少了本控制装置硬件配置，在不降低冗余系统的安全性的前提下节省了控制装置的体积，同时汽轮机电液调节系统和电机控制系统的逻辑信号通信在DPU逻辑内部完成，无需借助DCS系统进行数据交互。

四、本发明中，所述紧急停机系统通过硬接线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置和手动操作盘连接，动力监视装置实现了对机组动力系统的状态监视，在必要情况下提供机组跳机信号；紧急停机保护体统实现了机组在不正常工况下的停机保护功能，保证在危险时刻能够立即跳机。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1是本发明的结构框图。

图2是实施例1中工业以太网主站功能示意图。

图3是实施例1中工业以太网从站功能示意图。

图4是实施例1中电机控制系统的结构框图。

图5是实施例1中动力监视装置的信号传动框图。

图6是实施例1中紧急停机系统的信号传递示意图。

图7是实施例1中卡槽式数据站的结构框图。

图8是实施例1中电源的连接方式示意图。

图9是DI/DO模件结构框图。

图10是AI/AO模件结构框图。

图11是RTD卡件结构设计框图。

图12是实施例2的集成式控制器软件实现框图。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

参照图1，一种集成式小型化船用动力系统控制装置，涉及船用动力系统设备技术领，包括DPU、电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站、工业以太网总线、电源和背板，所述DPU用于整个设备内部通信系统的主站控制器，通过采用工业以太网总线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站等以上子系统模块实现通信和控制，各子系统模块由1个或多个模件组成，构成通信从站，通过主站在固定的通信周期内发送指令完成数据的交互。

例如，通过卡槽式数据站下发发电指令，将数据通过通信从站返回DPU，DPU控制汽轮机电液调节系统启动，打开汽轮机的蒸汽阀门，推动蒸汽转子发电，当蒸汽转速满足一定条件后启动电机控制系统，将机械能转换为电能。在运行过程中，动力监视装置通过传感器采集整个动力机组的状态，通过工业以太网采集信号并返给DPU，在出现危机情况时，通过硬接线或通过DPU启动紧急停机系统。手动操作盘作为硬接线信号接入DI信号，通过工业以太网反馈给DPU， DPU将采集到的数据通过专用的工业以太网发送给卡槽式数据站进行存储，所述工业以太网总线支持多种拓扑结构，本发明沿用高可靠性的冗余星型拓扑结构，DPU作为主站，而IO卡件作为从站，DPU内部设计有主备两个模件，在主模件出现故障的情况下进行切换，通过总线协议通信，同步数据，管理时钟，如图2、3所示，分别为工业以太网主站软件功能与工业以太网从站软件功能示意图；所述电机控制系统用于控制电机的励磁机，如图4，所述电机控制系统集成必要的AI、AO、DI、DO信号接口，由于该系统为实时系统，保留与DPU的通信接口，电机控制系统主要控制电机励磁调节，通过控制低功率的励磁机磁场，调节励磁机电枢的整流输出功率，从而达到控制主机磁场电流，稳定发电机的输出电压，并附有并联补偿功能，符合用户扩增容量需求，其具有电压整定、稳定度调节、F/V频率/电压特性设定、F/V低频保护、F/V电压下降设定、励磁电流限制、并联正交调差等功能，同时可外接电压微调电位器、功率因数调节器进行控制；所述汽轮机电液调节系统通过背板上的MODBUS TCP转接接口接收整船控制系统指令，通过控制汽轮机阀门开度，从而控制蒸汽的进气量，使汽轮机转速调节至指令转速，实现汽轮机变速和倒航的功能；所述动力监视装置用于收集振动、位移、胀差、偏心、键相和转速信号，参照图5，当信号超出设定值时，动力监视装置提供报警、跳机输出；所述紧急停机系统与汽轮机阀门控制连接，当汽轮机转动部件、动静部件和本体机械电子部件出现异常时，强制关闭汽轮机阀门，实现机组停机，如图6紧急停机保护体统，实现机组在不正常工况下的停机保护功能，保证在危险时刻能够立即跳机；所述手动操作盘分别与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统电气连接，所述手动操作盘根据现场应用要求，集成了必须的就地控制按钮，同时在装置配备的显示屏上显示数据状态，必须的控制按钮包括远程/就地按钮、汽轮机启动按钮、汽轮机停机按钮、汽轮机阀门开度增加按钮、汽轮机阀门开度减少按钮、电机起励按钮和电机停励按钮；所述卡槽式数据站采用集成加密数据硬盘，采用自主国产计算芯片，对DPU提供工业以太网数据收发接口，对外部调试设备提供调试接口，实现实时数据存储，并通过DPU进行通讯调试后与工业以太网总线电气连接，当机组出现故障时接入设备，如图7，读取数据，调取实时历史信息，用于故障分析；所述电源采用冗余供电方式，但是对于紧急停机系统采用独立供电，因此电源能够独立地提供四路电源，如图8，在该装置中两路220VDC供电分别来自两路不同的来源，另一方面，作为电机控制系统和动力监视装置的备用电源，设计成冗余供电方式，保证部件失效时的安全性；所述背板用于辅助高速信号以及各种通信网络的传递。

进一步的，所述DPU所属的工业通信网络，包括各类IO板卡组件，采用了冗余设计、分散式时钟机制、遵循精密时间协议标准。

所述电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置包括基本模件单元，所述基本模件单元包括IO模件和专用模件，IO模件内部主要集成AI，AO，DI和DO电路，应高集成化的要求，根据信号的特点，将电路分为了DI/DO模件、AI/AO模件和RTD测温模件电路，将模拟电路和数字电路分开，通过卡件分离实现了数模分离，同时将输入输出信号集成在一起，结构如图9-11，每块模件都通过工业通信总线与工业以太网进行数据交互，通过这种在不违背数模分离规则下的高密度设计满足集成化要求；所述专用模件则用于就地实时性要求比较高的场合，在集成式动力控制装置中，主要集成了阀门运动控制模件，动力机组测速模件（SPD）和电机励磁装置控制模件。这些模件的控制对象对于装置运行至关重要，因此在系统里单独集成在独立模件中，可以提高独立模件的实时特性。

进一步的，所述电机控制系统具有低频与无输入信号保护装置，使电机控制系统更稳定、安全。

进一步的，所述紧急停机系统通过硬接线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置和手动操作盘连接，紧急停机系统收到动力监视装置的反馈后，可以紧急跳机。

本船用动力系统控制装置中，结合集成式控制器软件来实现，充分解决了想要解决的技术问题，如图12所示，软件方面，本控制装置中的软件包括：嵌入式实时操作系统，数据库，逻辑组态软件，图形组态软件，MODBUS TCP协议转换程序，工业以太网总线驱动程序，工业以太网驱动程序，IO控制程序，专用控制程序，DPU模件程序，卡槽式数据站程序，系统接口程序等组成，

所述DPU和卡槽式数据站实现的应用软件都基于嵌入式实时操作系统来实现运行，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内控制所属系统或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的软件。

在本装置中建立的数据库为冗余数据库，即内部数据实现冗余备份，存储在物理介质独立的磁盘空间当中，为数据站提供数据增加，删减，查询和修改的数据服务。

在这个系统中逻辑组态软件主要分为逻辑编译、逻辑通信和逻辑解释三个部分，分别对应在加固计算机、卡槽式数据站和DPU三个硬件当中，在不同硬件中部署了不同的软件组件；所述逻辑组态软件分为分布式IO点地址映射程序，动态逻辑编译解释程序，分布式IO通信解析，逻辑组态实时调试组件，逻辑组态通信组件，逻辑组态软件编译器程序，如图12所述，逻辑组态软件分布于不同的硬件中，分别完成的任务如下：

分布式IO点地址映射程序：完成IO板卡和专用板卡通信地址映射，便于通信和数据的交互；动态逻辑编译解释程序：接收逻辑组态编译程序的输出数据，将其解释为可执行的通用逻辑；分布式IO通信解析：完成IO板卡、专用板卡和DPU之间的数据协议解析交互；逻辑组态实时调试组件：完成在线实时修改在运行逻辑编译解释程序中的数据，从而实现修改不同数据点之间逻辑的目的；

逻辑组态通信组件：在卡槽式数据站内部完成从DPU到加固计算机中实时、冗余和下载组态逻辑和数据的转发；逻辑组态软件编译器程序：将用户图像化的数据节点关系通过编译过程转换为下位DPU程序；逻辑冗余组件：在实时运行、下载、修改调试组态逻辑和数据时保持冗余DPU中的同步；图形组态软件：图形组态软件，又称组态监控系统软件，是指数据采集与过程控制的专用软件，也是指在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。

这些软件实际上也是一种通过灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

在本装置中，图形组态软件通过采集系统数据进行图形化展示，同时用户可通过该软件下发指令调试和监控。该系统提供了两种图形监控方式，一个是通过液晶面板实现就地调试，另一个是通过加固计算机进行调试。

其余程序也对应相应的功能或任务，如：

所述系统接口程序中的MODBUS TCP协议转换程序

在这部分软件中实现工业以太网总线数据形式的转换，MODBUS TCP分为主从站，在这部分主要实现从站协议，将整船系统需要的数据实现上传，并将整船系统的指令进行数据的下发。

工业以太网总线驱动程序

为了在整个系统满足工业以太网总线的软件部分的要求，必须根据不同的硬件进行驱动。在DPU中需要根据使用的FT2000/2和FT2000/4两种芯片的硬件驱动，作为嵌入式操作系统的一部分组件集成进操作系统，在IO模件和专用模件中需要根据MCU进行硬件驱动的设计，通过这部分驱动实现可以帮助工业以太网总线实现分布式时钟协议，满足精准时钟协议标准。

工业以太网驱动程序

这部分程序主要实现工业以太网硬件的收发要求，同样集成进入嵌入式操作系统当中。在系统当中主要应用于DPU和卡槽式数据站的数据交互，数据站同加固计算机，系统接口和液晶面板的通信，这样设计可以摆脱总线协议的约束，进行高度定制化设计。

IO控制程序

用于实现IO模件的功能，在DI通道中设计了带时间标记功能，用以标记实时发生的DI事件。该程序根据DI/DO模件、AI/AO模件和RTD模件设计不同的程序，用于驱动数字、模拟通道和测温通道。

专用控制程序

用于实现专用模件的功能。这部分包括PI模件、AVR模件，SPD模件等。

DPU模件程序

在DPU模件中实现逻辑组态解释，工业以太网总线的主站部分以及实现与卡槽式数据站的交互。

卡槽式数据站程序

在数据站中主要实现DPU模件数据的采集，对冗余数据库的增加，删除，查询和修改的操作，以及接受用户指令以及进行逻辑组态的通信转发。

加固计算机程序

实现进行逻辑组态编译过程，通过图形化语言设计方法将用户程序编译成可解释执行的程序。另一个作用兼具图形组态软件功能，用于数据监控和下发指令。

液晶面板处理程序

实现图形组态软件功能，用于数据监控和下发指令，同时采集硬件按钮信号进行便捷操作。

系统接口程序

实现整船系统指令下发和数据上传，内部实现了MODBUS TCP通信协议。

Claims (5)

1.一种集成式小型化船用动力系统控制装置，其特征在于：包括DPU、电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统、手动操作盘、卡槽式数据站、工业以太网总线、电源和背板，所述DPU用于整个小型化船用动力系统控制装置内部通信系统的主站控制器，所述DPU通过采用工业以太网总线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统和手动操作盘实现通信和控制，所述卡槽式数据站采用集成加密数据硬盘，采用自主国产计算芯片，对DPU提供工业以太网数据收发接口，对外部调试设备提供调试接口，实现实时数据存储，并通过DPU进行通讯调试后与工业以太网总线电气连接；所述电机控制系统用于控制电机的励磁机，用于稳定发电机的输出电压；所述汽轮机电液调节系统接收整船控制系统指令，再通过控制汽轮机来实现汽轮机变速和倒航的功能；所述动力监视装置用于收集振动、位移、胀差、偏心、键相和转速信号，当信号超出设定值时，动力监视装置向动力控制系统提供报警、向紧急停机系统提供跳机输出；所述紧急停机系统与汽轮机控制连接，当汽轮机出现异常时，强制关闭汽轮机阀门，实现机组停机；所述手动操作盘分别与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置、紧急停机系统电气连接；所述卡槽式数据站采用集成加密数据硬盘，实现实时数据存储，并通过DPU进行通讯调试后与工业以太网总线电气连接，当机组出现故障时接入小型化船用动力系统控制装置，读取数据，调取实时历史信息，用于故障分析；所述电源用于紧急停机系统独立供电，以及用于电机控制系统和动力监视装置的备用电源；所述背板用于辅助高速信号以及各种通信网络的传递。

2.根据权利要求1所述的一种集成式小型化船用动力系统控制装置，其特征在于：所述DPU所属的工业通信网络采用了冗余设计、分散式时钟机制、遵循精密时间协议标准。

3.根据权利要求1所述的一种集成式小型化船用动力系统控制装置，其特征在于：所述电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置包括基本模件单元。

4.根据权利要求1所述的一种集成式小型化船用动力系统控制装置，其特征在于：所述紧急停机系统通过硬接线与电机控制系统、汽轮机电液调节系统、动力监视装置和手动操作盘连接。

5.根据权利要求1所述的一种集成式小型化船用动力系统控制装置，其特征在于：所述电机控制系统具有低频与无输入信号保护装置。

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