МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ РИБНОГО ГОСПОДАРСТВА УКРАЇНИ

ОДЕСЬКЕ МОРЕХІДНЕ УЧИЛИЩЕ РИБНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ ім. О.СОЛЯНИКА

КЕРЧЕНСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО МОРСЬКОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО УНІВЕРСІТЕТУ

ОСНОВИ СУДНОВОЇ ЕЛЕКТРОАВТОМАТИКИ

Методичні рекомендації та вказівки

щодо організації і проведення самостійних робіт

з вивчення навчального матеріалу курсантами

спеціальності 5.07010407

«Експлуатація електрообладнання та автоматики суден»

кваліфікації «Судновий електромеханік»

Навчально-методичний посібник

ОМУ РП

__.___.__

Одеса

2013

Методичні рекомендації і вказівки

Розробив викладач

________________ М.Є.Михайлов.

Розглянуто і схвалено на засіданні

циклової комісії електромеханічних

дисциплін ___ _________ 2013 н .р.

Протокол № ____

Голова комісії ____________ М.Є.Михайлов.

Затверджую

Заступник начальника училища

З навчальної роботи

_____________ Н.О.Мельник

____ _____________2013 р.

1. Вступ. Зміст дисципліни та її місце в навчальному процесі. Суднова електроавтоматика та автоматизація суден. Сучасний стан автоматизації морських суден та її перспектива розвітку.

Автоматизация судов — это процесс, при котором функции управления судном и его оборудованием, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и техническим устройствам. Автоматизация судовождения обеспечивает безопасность рейсов судов. При автоматизации судовых энергетических установок повышается надежность и экономичность работы оборудования, увеличивается производительность и улучшаются условия труда плавсостава, сокращается его численность.

Различают частичную и комплексную автоматизацию. В 40—50-х гг. началась автоматизация отдельных механизмов на судах.

Работы в области комплексной автоматизации отечественных судов были начаты в 60-х годах. На судах типа «Новгород» было реализовано шесть различных программ автоматизации, что дало возможность накопить значительный опыт эксплуатации автоматизированных судов. Полученные результаты отражены в Правилах Регистра.

Надзору на судне подлежат системы автоматизации главных двигателей, котельной установки, судовой электростанции, системы компрессоров сжатого воздуха, осушительной системы, вспомогательных механизмов и др.

Межремонтный ресурс автоматизированного оборудования должен быть не менее 25 тыс. ч, ежегодная наработка оборудования без подрегулировок и наладок должна составлять не менее 5 тыс. ч.

Элементы и устройства автоматизации должны безотказно работать при длительном крене судна до 22,5 ° и длительном дифференте до 10°, а также при бортовой качке до 45 ° с периодами 5—17 сек.

Все оборудование автоматизации конструируют, или выбирают по принципу «выход из строя в безопасную сторону».

На современных автоматизированных судах общее число средств так называемой «периферийной автоматики» достигает 500—700 ед. Практика эксплуатации показывает, что именно эта аппаратура наименее надежна. Многочисленные датчики и сигнализаторы имеют ресурсные характеристики в 2—2,5 раза ниже, чем гарантированный ресурс самих комплексных систем автоматизации. Характеристики надежности комплексных систем автоматизации, поставляемых на флот, гарантируются разработчиками без учета входящих в системы датчиков. При гарантированном техническом ресурсе автоматизированного комплекса, равном 25 тыс. ч, и суммарной наработке на отказ не менее 5 тыс. ч до 75 % входящих в него датчиков имеют технический ресурс 5—10 тыс. ч и фактическую наработку не более 2—3 тыс.

Первостепенными задачами на современном этапе развития автоматизации являются: повышение надежности элементной базы; организация технического обслуживания систем автоматизации в судовых условиях и в порту; подготовка кадров, способных технически грамотно эксплуатировать системы автоматизации и выполнять необходимые профилактические мероприятия.

В качестве основных понятий приняты следующие:

• система автоматизации — это совокупность элементов и устройств для создания конструктивного и функционального целого, предназначенного для выполнения определенных функций в области управления, контроля и защиты;

• элемент системы автоматизации — это самостоятельный в конструктивном отношении прибор (или устройство), используемый в системе автоматизации (например, реле, измерительное устройство, сервопривод, датчик, исполнительный механизм, усилитель). Автоматизированными объектами могут быть: двигатель, котельная установка, судовые системы или другие устройства, оборудованные системами и устройствами автоматического регулирования, управления, контроля и защиты;

• управление — это процесс задания, поддержания режима работы объекта на основе анализа информации о его состоянии. Все виды управления могут быть непосредственными (местными) или дистанционными. В системах дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) должна быть обеспечена возможность дистанционного задания одним органом управления требуемых режимов работы при автоматическом выполнении промежуточных операций по заданной программе и исключена возможность одновременного управления с разных постов;

• регулирование — такой процесс управления непрерывными режимами, при котором параметр, характеризующий режим, поддерживается в заданных пределах постоянным или изменяющимся по определенной программе, реализуемой регулятором;

• регулятор — автоматическое устройство, воспринимающее отклонение некоторого значения от заданного и воздействующее на процесс в сторону восстановления регулируемого параметра. Существует множество регуляторов, которые можно классифицировать по разным признакам (например, регулятор уровня гидравлический с изодромной обратной связью, регулятор уровня электрический без обратной связи).

Регуляторы могут быть: по виду используемой энергии — прямого действия, гидравлическими, пневматическими, электрическими, комбинированными; по типу обратной связи — без обратной связи, с жесткой обратной связью, с изодромной обратной связью, комбинированными. Кроме того, по параметрам регулирования могут быть регуляторы давления, температуры, уровня, частоты вращения и д.р.;

• регулируемая величина — физический показатель, характеризующий состояние происходящего в объекте регулирования процесса. Регулируемыми величинами применительно к судовым установкам являются частота вращения двигателя, температура воды, масла и пара, уровень воды в котле, топлива и масла в емкости, давление пара, воды, масла и т. д.

На судах широкое распространение получают вычислительная техника, микропроцессоры и микроЭВМ. В перспективе с помощью судовой системы обработки данных могут быть решены вопросы:

• фиксирования части оперативной информации, связанной с эксплуатацией технических средств (ТС) и используемой до очередного заводского ремонта (отклонение параметров от допустимых пределов, срабатывание средств защиты, переключение механизмов и т. п.);

• регистрации отчетно-статистической информации, используемой после завершения эксплуатационного цикла для последующего анализа состояния ТС и уровня их технического обслуживания с целью определения и планирования мероприятий по улучшению эксплуатационных характеристик оборудования и судна в целом;

• возможности восстановления последовательности событий при анализе аварийных ситуаций;

• сокращения до минимума трудозатрат экипажа на ведение судовой отчетности и переход к автоматическому заполнению машинного журнала;

• создания предпосылок к автоматизированной обработке документов судовой отчетности на разных уровнях.

2. Основні визначення: автоматизація, автоматичне управління, автоматичне регулювання, пристрої автоматизації, автоматичний захист. Автоматизована система управління, комплексні системи управління та групові системи управління, інформаційні системи, системи диагностування та прогнозування технічних засобів, дистанційне автоматизоване управління.

Слова «автоматизация» и «автоматика» происходят от греческого слова «автоматос», что означает «самодействующий».

Автоматика — это наука об общих принципах и методах по­строения автоматических систем, т. е. систем, выполняющих поста­вленные перед ними цели без непосредственного участия человека.

Автоматизация — использование принципов автоматики, а также технических средств, реализующих эти принципы в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и на морском флоте.

Системы автоматического регулирования (САР) отличаются от систем автоматического управления тем, что в последних проис­ходит как формирование поведения объекта на основании цели управ­ления в виде задающих (управляющих) воздействий, так и их испол­нение.

В САР происходит лишь их отработка, а сами управляющие воздействия, поступающие на элемент сравнения, считаются заданны­ми. Проблема автоматического управления является более общей и выходящей за рамки автоматического регулирования.

Автоматические системы делятся на два основных класса: цикли­ческие (разомкнутые), действующие по жесткой программе, и ацикли­ческие (замкнутые), действующие на основе принципа обратной связи.

Принцип обратной связи заключается в том, что оптимальное по­ведение объекта (двигателя, судна и т. д.) сравнивается с его действи­тельным поведением и получающаяся при этом ошибка используется для того, чтобы свести ее к нулю или сохранить в заданных пределах.

Автоматическим регулированием называется поддержание постоянными или изменение по заданному закону пара­метров, влияющих на работу объекта регулирования, осуществляемое без участия человека. На изменение параметров может воздействовать внешняя среда (внешнее воздействие) или одна часть системы на дру­гую (внутреннее воздействие).

Каждый объект управления (регулирования) имеет управляемый параметр и исполнительный орган. В общем случае и тех и других может быть несколько. Управляемый (регулируемый) пара­метр — физическая величина, характеризующая работу системы ν подлежащая регулированию, например курс судна, частота вращения напряжение генератора и т. п. Исполнительный орган — элемент или техническое устройство, осуществляющее непосредствен­ное воздействие на объект управления по сигналам управления. Ими могут быть: для судна — перо руля, для дизеля — рейка топливного насоса, для электродвигателя или генератора — обмотки возбуждения, пары полюсов н т. п.

Автоматизация управления объектом — ос­нащение объекта средствами автоматизации для полного или частич­ного освобождения человека от выполнения операций по сбору и обработке информации, определения управляющих параметров и исполне­ния воздействия.

Средства автоматизации — системы управления и информационные системы, вычислительные машины и комплексы, при­боры vi устройства, осуществляющие управление объектом. Система ₍ управления объектом — функционально и конструктивно законченное изделие, обеспечивающее управление объектом.

Автоматическое управление — совокупность опе­раций, необходимых для пуска, автоматической защиты автоматических устройств и остановки процесса. Если же требуется только поддержа­ние заданного значения или изменение регулируемых параметров, то говорят об автоматическом регулировании. Например, автоматический пуск резервного дизель-генератора относится к автоматическому уп­равлению, а стабилизация напряжения генератора — к автоматическо­му регулированию.

Автоматическая защита — автоматическое управле­ние техническими средствами, обеспечивающее предотвращение ава­рийной ситуации.'

Ручное управление осуществляется воздействием человека непо­средственно на исполнительные органы объекта путем местного или дистанционного управления. Местное управление выполняется опе­ратором из того же помещения, где расположен управляемый объект или в непосредственной близости от него. При дистанционном управле­нии задаваемые команды исполняются после воздействия человека на органы управления, расположенные на расстоянии от объекта регу­лирования.

Автоматизированной системой управле­ния (АСУ) называется совокупность управляемого объекта и техни­ческих средств, осуществляющих автоматизированное управление с участием человека.

Под дистанционным автоматизированным управлением (ДАУ) по­нимается управление с автоматическим выполнением по команде чело­века функционально связанных совокупностей операций сбора и обра­ботки информации о состоянии объекта и внешней среды, выработки решений о воздействии на исполнительные органы и их исполнения. Комплексные системы управления (КСУ) тех- ническими средствами — это единые системы, управляющие всеми Техническими средствами судна. Составными частями КСУ, в частности, являются информационная судовая система, групповая система управления и система технического диагностирования.

Информационная судовая система обеспечивает выдачу информа­ции о состоянии технических средств в систему управления (СУ) и (или) операторам.

Групповая система управления (ГСУ) техниче­скими средствами — составная часть КСУ, выделенная как самостоя­тельное изделие в соответствии с принятыми принципами комплек­тования.

Система технического диагностирования — комплекс средств, осу­ществляющих определение технического состояния системы по прави­лам, установленным соответствующей документацией с выдачей инфор­мации о месте и причинах дефектов. Наряду с диагностированием мо­жет выполняться прогнозирование состояния технических средств, под которым понимается определение технического состояния объекта на предстоящий интервал времени.

3. Загальні положення про системи автоматики: системи автоматичного управління (САУ), системи автоматичного регулювання (САР). Структурно-функціональні схеми таких систем. Уявлення про зворотні зв’язки.

С появлением и развитием автоматических устройств воз­никла новая отрасль науки и техники — автоматика, — охваты­вающая теорию автоматического управления и регулирования, а также рассматривающая построение автоматических средств и систем.

Система — это совокупность элементов, определенным обра­зом связанных и взаимодействующих между собой. Автомати­ческая система без участия человека управляет и контролирует поведение объекта или протекание процессов в нем. Автомати­зация судовых систем электроавтоматики является лишь одной из составных частей комплексной автоматизации судна. По ха­рактеру автоматизируемых функций судовые системы электро­автоматики можно разделить на:

— системы автоматического управления (САУ), обеспечи­вающие возможность управлять судовой электроустановкой и изменять режимы ее работы, приспосабливаясь к изменяющим­ся внешним условиям без участия человека;

— системы дистанционного управления (ДАУ), обеспечива­ющие возможность на расстоянии включать и выключать от­дельные механизмы и устройства, при этом человек непосред­ственно участвует в процессе управления;

— системы автоматического регулирования (САР), обеспе­чивающие возможность поддержания требуемых параметров в заданных пределах (например, равномерного распределения нагрузки параллельно работающих генераторов), при этом че­ловек освобождается от непосредственного участия в процессе -регулирования;

— системы автоматического контроля (САК), обеспечиваю­щие измерение текущих значений контролируемых параметров (например, напряжения, тока, сопротивления, температуры, дав­ления и т. п.), сравнение этих величин с допустимыми значения­ми и световую и звуковую сигнализацию об отклонении пара­метров от заданных значений;

— системы автоматической защиты и блокировки (САЗ), обеспечивающие предотвращение возникновения аварийных ситуаций или ограничивающие развитие аварии.

Независимо от назначения и степени сложности в любой си­стеме автоматического управления выделяются общие для всех систем основные элементы, объединив которые соответствующим образом можно получить функциональную схему, пока­занную на рис. 3.1. На таких схемах расположение элементов САУ и их взаимосвязь осуществляется на основе выполняемых ими функций в процессе работы системы.

Требуемое значение управляемой величины Xвых(t) определяется задающим воздействием Xвх(t), поступающим от задающего устройства (ЗУ). ЗУ формирует задающее воздействие, которое представляет собой физическую величину (напряжение, ток, давление, угол поворота вала и т. д.), и вводится в систему для получения не­обходимого изменения Xвыx(t) в соответствии с законом управ­ления. В качестве ЗУ может быть использован, например, потен­циометр, поставленный в одно из плеч электрического моста. В табл. 1 приведены некоторые примеры элементов судовой элек­троавтоматики в соответствии с функциональной схемой.

Рис. 3.1. Функциональная схема САУ

Элемент сравнения (ЭС) предназначен для сравнения изме­ряемого значения управляемой величины с задающим воздейст­вием. Если в ЭС кроме сравнения происходит преобразование сигнала, то он называется чувствительным элементом (ЧЭ). Примером такого ЧЭ могут быть: контактные элементы (реле перемещения), потенциометрические элементы, емкостные и ин­дуктивные элементы, термоэлектрические элементы (термопа­ры), контактные и бесконтактные сельсины, вращающиеся трансформаторы, фотоэлементы и т. д.

Корректирующий элемент (КЭ) применяется для коррекции (улучшения характеристик системы) при помощи дополнитель­ных узлов и цепей. Он может быть включен последовательно в цепь прохождения сигнала или параллельно этой цепи. Кор­рекция осуществляется либо путем изменения управляющего воздействия μ(t), либо путем изменения свойств отдельных эле­ментов системы. Изменение μ(t) достигается добавлением к не­му других сигналов, зависящих от возмущающего воздействия f(t) (коррекция по возмущению) или от сигнала рассогласова­ния (отклонения) управляемой величины от требуемого значе­ния (коррекция по отклонению). Примером КЭ могут быть тахогенераторы постоянного и переменного тока, генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, дифференциру­ющие или интегрирующие пассивные RC-пепи, стабилизиру­ющие трансформаторы и т. п.

Суммирующее устройство (СУ) предназначено для суммиро­вания сигналов от различных элементов, например, электриче­ский мост, суммирующий магнитный усилитель и т. п.

Усилительный элемент (УЭ) предназначен для усиления сигналов, поскольку последние обычно являются маломощными и не могут непосредственно использоваться для приведения в действие исполнительного элемента. В системах судовой элек­троавтоматики применяются электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные и другие усилители постоянного и переменного тока, знакочувствительные и фазочувствитель-ные, одно-, двух-, трех- и многокаскадные.

Исполнительные элементы (ИсЭ) применяются для приве­дения в движение регулирующих органов объектов управления, от положения которых зависит значение управляемой величи­ны САУ. ИсЭ используются для включения и выключения элек­трических, механических, гидравлических и пневматических це­пей; для сцепления и расцепления вращающихся валов; откры­вания и закрывания клапанов, золотников, задвижек и т. д. ИсЭ служат также для плавного перемещения или поворота раз­личных частей механизмов, причем скорость перемещения (по­ворота) зависит от величины подводимого тока. ИсЭ могут быть разделены на электромеханические, гидравлические, пневмати­ческие. В качестве ИсЭ широко используются серводвигатели: двигатели постоянного тока, двухфазные и трехфазные асин­хронные двигатели, электромагнитные муфты (для автоматиче­ского соединения и разъединения вращающихся валов) и релейно-контакторная аппаратура (для включения и выключения различных электрических цепей).

Управляемый объект (УО) — это техническое устройство, которое нуждается в оказании специально организованных воз­действий извне для правильного выполнения процессов, проис­ходящих в нем. К УО можно отнести само судно, главные судовые энергетические установки, генераторы судовых электро­станций, электродвигатели различных судовых электроприводов и т. п. Управляемыми величинами объекта управления могут служить напряжение на зажимах генератора судовой электро­станции, давление воздуха пусковых баллонов, температура рефрижераторных камер, частота вращения главного судового двигателя и т. д.

Поскольку УО, как правило, самостоятельно не способен противодействовать влиянию любых внешних возмущений, то осуществляется управляющее (специальное воздействие извне) воздействие с целью поддержания управляемой величины в за­данных пределах.

Местная обратная связь (МОС), как правило, представляет собой параллельно включенный корректирующий элемент. Различают жесткую и гибкую обратные связи. Жесткая обратная связь не содержит интегрирующих и дифференцирующих эле­ментов. При такой связи сигнал на выходе однозначно опреде­ляется сигналом на входе. Если в цепи имеются дифференци­рующие элементы, то обратная связь называется гибкой. Си­гнал гибкой обратной связи зависит от скорости изменения сигнала на входе связи. Гибкие обратные связи с помощью тахогенераторов получили наибольшее распространение в элек­тромеханических системах.

Главная обратная связь (ГОС) обычно состоит из несколь­ких конструктивных элементов, основным среди которых явля­ется преобразователь (П). Преобразователи служат для пре­образования одной физической величины в другую или в ту же, но с другими параметрами. С помощью преобразователей осу­ществляются все основные процессы по преобразованию элек­трических сигналов: генерирование, модуляция, усиление, вы­прямление, инвертирование, преобразование частоты. Это тран­зисторные и тиристорные преобразователи, фазочувствительные выпрямители, стабилизаторы напряжения, триггеры, бескон­тактные логические элементы, трансформаторы, тахогенераторы, индуктивные и температурные датчики, сельсины и т. п.

Все рассмотренные элементы САУ, кроме управляемого объ­екта, представляют собой собственно регулятор системы или автоматическое управляющее устройство (АУУ), которое осу­ществляет воздействие на управляемый объект в соответствии с законом управления. Таким образом, система автоматическо­го управления представляет собой совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, которые взаимодействуют между собой в соответствии с законом управления (рис. 2).

Как видно из рис. 3.2, в общем случае на вход АУУ, помимо задающего воздействия Хвх(t) поступают управляемая величина Хвых(t) и возмущающее воздействие f(t). Таким обра­зом, АУУ присоединяется к объекту управления с двух сто­рон: с одной стороны — к вы­ходу объекта, а с другой — к регулирующему органу на его входе.

Рис. 3.2. Упрощенная схема системы атоматического управления