船舶起货机故障设置教学装置的研制

严 华，王兴福，曾步辉



船舶起货机故障设置教学装置的研制

严 华，王兴福，曾步辉

（集美大学轮机工程学院，福建厦门361021）

简要介绍船舶起货机组成及功能，设计了一种船舶起货机故障模拟系统。为了使学生的动手能力得到有效的提高，在起货机控制系统上建立了故障设置装置。用单片机对起货机系统进行整体的控制，也使在校学生有机会学会处理一些相对复杂的电气故障，解决了在教学上如何提高学生动手能力这一难题，在实际的教学中验证了该装置的可行性。

教学装置 故障 起货机 单片机

0 引言

随着科学技术的进步，船舶电气设备的控制技术得到日新月异发展。最新的控制技术与手段运用到船舶的控制系统中，给船舶电气的维护管理人员提出了更高的要求。作为航海院校如何提高船舶电气管理类学生的基本的素质，这是大家普遍关注的问题。为此我们研制了船舶起货机故障设置装置作为必要的教学设备用于实践教学。

1 船舶电动起货机的功能及特点

船舶起货机是一种典型的甲板机械之一，在船舶上主要承担着装卸货物的重任。就其控制方式而言可分为电控制和液压控制两种。电控制系统较为复杂，电动起货机可分为恒功率和恒转矩两种。它们具有控制方便、调速范围广、较高的生产率和安全可靠等特点，在船舶上应用广泛。

2 故障设置装置的特点

故障设置装置实际上在很多的院校都已经在使用，但大多数的设备实验台式的模拟设备，其功能仅限于使用和故障的模拟，所达到的教学效果就是让学生熟悉设备的基本操作和了解故障的基本现象。当然这对提高学生的素质是起到一定的作用，但让学生处理故障，确实提高他们动手能力这块尚有欠缺。我们研制的这一教学设备充分考虑了这一因素。首先是采用控制箱的设计方案，这一方案改变了传统的模式使学生能够进行故障的排查。再者采用的真实的主令控制器对控制箱进行操控，这样学生就有机会对主令控制器有更深的了解。这一装置的使用对提高学生基本素质是起到积极的作用。

3 故障设置装置的基本组成及功能

3.1基本组成

本装置由控制箱和三个大的基本单元组成，一是船舶起货机基本控制电路，此电路是以船舶恒功率起货机控制电路为原型，在此基础上扩展一些功能。二是故障设置单元，此单元主要由故障设置模拟开关和单片机组成；三是故障的显示及模拟电动机的控制单元，主要由单片机、显示屏、指示灯组成。其基本的结构图如图1所示。

图1故障设置装置基本结构图

3.2故障设置装置的功能

3.2.1基本功能

本故障设置装置基本功能有两个：①可以模拟起货机正常工作时的各种工作状态；②通过相应的设置可模拟出船舶起货机的最常出现的故障现象，此功能是由单片机和故障模拟开关来完成。

3.2.2教学功能

研制本教学装置最主要的目的是用于教学。在校的学生没有实船的工作经验，如何大力提高他们的专业素质，提高他们的逻辑思维和判断、处理故障的能力这是我们一直在研究的课题。由于电动起货机控制线路有它独特的控制特点，逻辑关系较为复杂，选用电动起货机控制线路用于实践教学对培养学生的动手能力来说是一个很好的途径。通过本教学装置的教学，可达到两个重要目的即：可很大程度上提升学生的逻辑思维能力。学生可通过本装置设置的故障认识所产生现象，而后对控制线路进一步详细的分析判断故障可能出现的环节，由此来提高自己的逻辑思维能力。其二也可大大提高学生的处理故障的能力。学生通过前期的对故障的分析、判断后可采用测量手段对控制装置可能出现故障的环节进行逐一测量排查故障最终准确找出故障点，并教会他们如何来处理此类故障。

4 起货机控制箱面板及控制箱内部的设计

4.1控制箱面板设计

本装置作为教学设备在设计控制控制面板时是考虑了两个因素：即考虑到控制箱整体的真实性，又充分考虑教学效果。例如制动器的动作过程，刹车线圈在刚开始得电的时候是全电压的，一旦刹车打开在其控制电路中是要串入经济电阻的。因此，在控制面板上安装一刹车指示灯来模拟制动器的工作情况。事实证明用灯泡可很好模拟了这一动作过程。此外设计一可旋转示灯的电路来模拟电动机的转速和转向，这样学生就可在控制面板上对电动机的转向和转速有一个更清楚的认识，对整个系统的工作情况一目了然。控制箱的外部设计图如图2所示。

图2 控制箱的外部设计图

4.2控制箱内部的设计

本装置控制箱内部的设计要满足三个要求：

1）合理性和规范性。设计控制箱首先要满足规范性的要求，如果控制箱整体设计不符合规范就不能用于教学，容易误导学生。再一个是要考虑合理性：一是元器件安装排列的合理性。二是布线走向的合理性。

2）安全性和可操作性。由于本装置用于教学安全因素应考虑第一位，我们在设计时用了漏电保护装置，且能用低压电器的地方尽量使用低压电器。二是本装置不仅是用于操作还有一主要功能是让学生在上面排除故障，故在设计上还要考虑方便学生查找和排除故障。

3）功能性。对于功能性本装置主要考虑的是两个问题：一模拟设备本身固有的功能；二是设备可能会出现的故障，这些故障的模拟可让学生认识故障，也可让学生通过测试的手段排除故障。控制箱的内部设计如图3所示。

图3 控制箱的内部设计图

5 单片机控制电路的设计

5.1单片机控制电路的基本流程

故障设置装置的基本控制流程是由两部分组成的，一是起货机正常工作时单片机对其进行相应的控制；二是在设置故障时单片机对其进行控制，这部分还含故障显示和报警的功能。整体的基本流程图如图4所示。

图4 单片机控制电路的基本流程图

5.2故障显示与报警电路的设计

经过与有实船工作经验的船舶电气管理人员认真探讨、研究和通过对船舶起货机的控制电路的分析（如图5所示），我们在控制线路上设置了20个船舶起货机控制电路常见的故障点，用故障设置开关作为单片机控制电路的故障输入信号，再由单片机对整个电路进行相应的控制。

图5 恒功率起货机控制线路

故障显示与报警电路实际上由这几个部分组成：显示器、单片机、译码器、输出继电器、故障设置开关、报警示灯等。故障设置模块的控制电路以51系列单片机（STC89C52）为核心，P2口低5位（P2.0--P2.4）作为输入端检测起货机方向接触器和速度接触器的触头通断情况，并将信息传到CPU进行处理，P1口作为输出端口，控制光耦隔离开关TLP521控制8个24VLED灯实现正转、反转、低速、中速、低速几种状态。P2口的高3位（P2.5--P2.7）作为液晶模块的控制信号，实现对液晶显示模块的触发，读写数据和指令等。该液晶显示模块采用12864中文显示模块，考虑到采集速度要求不是很高及端口扩展需要，液晶模块采用串行显示模式。P3口低5位（P3.0--P3.4）作为故障检测口，采集外部CD4067模拟开关的状态，CPU将此数据信息与储存器存储的故障数据进行比较，然后通过单片机进行相应的故障模拟，同时将故障所对应的数据送至液晶显示模块。CD4067为十六路模拟开关，其内部包括一个16选1的译码器和被译码输出所控制的16个双向模拟开关，当禁止端INH为低电平0时，X0－X15中被选中的一个输入端与输出公共端X（即1脚）接通，被选通端由外部地址输入端A1～A4决定，当INH为高电平1时，处于禁止状态，所有模拟开关均不接通。CD4067最多只能设置16个故障，如果需要设置更多的故障，可按要求对P0端口进行分配，其电路如图6所示。

图6 单片机控制电路

6 结束语

本船舶起货机故障设置教学装置是以实际船舶起货机控制电路为原型，在对起货机控制电路进行全面系统分析和根据起货机工作时的实际情况，对设备功能进行进一步的开发，设置了一系列的故障点。此设备投入到实践教学后，学生对起货机整个工作原理和过程的认知度得到大幅度的提升，并且也极大提高了他们的分析问题和处理问题的能力，获得良好的教学效果。

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Fault Setting for Teaching Device of Ship Cargo Winch

Yan Hua, Wang Xingfu, Zeng Buhui

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

U665.261

A

1003-4862（2015）02-0067-04

2014-10-08

严华（1963-），男，高级实验师。研究方向：船舶自动控制。