液压舵机与操舵装置控制系统接口分析

2016-03-10蒋晓亮郑天祥

江苏船舶 2016年6期

关键词：舵叶舵角航向

王荣，蒋晓亮，郑天祥

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

液压舵机与操舵装置控制系统接口分析

王荣，蒋晓亮，郑天祥

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

在船舶航行中，一般采用自动舵、手动操舵(随动FU和非随动NFU)和应急操舵3种操舵方式来操控舵机。从船舶电气设计工作角度出发，分析船舶上选用阀控型和泵控型电液舵机时，与操舵控制系统连接时在接口信号上的差异，对设备选型和电气系统设计有帮助。

液压舵机；操舵系统；系统接口

0 引言

操舵系统是船舶的一个重要控制系统，其性能的好坏直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。舵机和操舵装置控制系统有着操纵和被操纵的关系，他们的接口就像工作中的一种良好合作关系，也是整个航行线路高效、安全的保障。由于不同种类舵机的工作原理不同，它与自动舵的接口也会有差异，因而这个问题在系统设计和设备选型中给设计人员带来了困惑。

1 舵设备的组成及作用

舵设备主要有舵角指示器、操舵装置、传动装置、舵机、转舵装置、舵组成，其组成简图见图1。

图1 舵设备简图

图1中舵设备的各部件布置和作用如下。

(1) 操舵装置控制系统就是舵工或驾驶员操舵用的手柄或手轮，一般会配置专门的操舵台，可以和驾控台组合一起，也可以独立地放在驾驶室内。在主操舵台的视线需要左右各60°视角。对于一人桥楼的船舶，在左、右两翼台需要配置NFU手柄。

(2)舵角指示器是反馈舵叶实际转动角度的仪表，驾驶员在驾驶室能实时了解舵的实际位置。在船舶左、右两翼需要配置舵角指示器，这是巴拿马运河当局对过巴拿马运河船舶的要求。舵机舱内也必须配置舵角指示器。

(3)传动装置是将操舵装置启动信息由驾驶室传至舵机舱，这部分就是舵机和操舵装置控制系统的接口。根据不同形式的舵机，控制信号会有所差异，而且越来越多的船级社倾向把2台舵机执行器到驾驶室自动舵系统的控制信号分不同的电缆通道走，确保系统的安全。

(4)舵机是转舵的原动力，放在舵机舱。

(5)转舵装置把舵机的动力传递给舵，是转舵传动机构。

(6)舵是舵叶、舵杆的总称。

2 SOLAS对舵设备的有关要求

舵设备从动力到控制系统在整个船舶设备中属于重要设备，所以SOLAS对舵、舵机、操舵装置控制系统都有严格的要求。下面列出几点与系统设计工作相关的要求，有助于理解舵机与操舵装置控制系统的配置要求。

(1)如果设置1个主操舵装置和1个辅助操舵装置，主辅操舵装置的布置应满足当它们中的1台故障时应不致使另1台失灵。较大船舶上的主操舵装置一般都有2套相同的动力互为备用，使用其中1套动力就能满足操舵要求，所以在实际设备选型时可不设辅助操舵装置。

(2)驾驶室与舵机室之间应设有通信设施。船上一般配置自动电话和声力电话。

(3)操舵装置应设有效的舵角限位器，能使舵角不超过35°。舵机一般的极限角度为37°。

(4)船舶上配置的随动FU手轮和非随动NFU手柄能满足2套独立的控制系统的要求。

(5)电动和电动液压操舵装置的电动机应设短路保护和过载报警，断相、液压油温高报警，压力低报警等。报警内容显示在驾驶室和集控室的舵机报警板上，同时送船舶的监测报警系统和VDR系统，用于记录和报警。

(6)主操舵装置的动力设备在电源故障后恢复供电时能自动再起，且需要在驾驶室有报警。

(7)由1台或几台动力设备组成的每一电动或电动液压操舵装置至少应由主配电板设2路独立馈电线直接供电，但其中的1路由应急配电板供电。

3 现代船舶舵机一般类型及分类

对于一些小型船舶，考虑安装空间的原因，通常会选用电动舵机。中型船舶会选用电动液压舵机。电动液压式舵机按转舵机构类型可分为柱塞式和转叶式。按液压油流向变换方法的不同分成泵控型和阀控型。泵控型和阀控型原理的本质区别，决定了自动舵和舵机间选配接口的差异。

4 接口实例分析

4.1 自动舵系统与舵机配置的控制框图

自动舵在自动和手动控制模式下与舵机的信号连接如图2所示。舵机提供电源和运行信号给自动舵的控制单元是常规的。操舵信号如何具体操控舵机，就要具体看舵机泵组执行器的原理和舵机液压系统的工作原理，包括液压锁定报警的表现形式也有所不同。以船舶上运用的较为广泛的柱塞式电动液压舵机为例，通过液压原理的说明，分析阀控式舵机和泵控式舵机在控制方式上的区别以及表现在与自动舵系统连接时接口的不同。

图2 舵机与自动舵系统的连接示意图

4.2 阀控舵机的工作原理

自动舵系统给出操作指令，舵机执行机构在收到转舵指令后会先和舵角指示器传回的实际舵角进行比较，当产生偏离时，舵角偏差信号经放大，根据返回的偏差值方向不同使换向阀相对应侧的电磁阀线圈通电，阀芯从中位向一端偏移，向该侧的转舵油缸供油，另一侧油缸的油路由换向阀通回泵的吸口，油缸中的柱塞移动，从而推动舵柄和舵叶的转动。当舵转到与实际指令舵角信号向符合时，换向电磁阀线圈断电，阀芯回中，泵的排油经换向阀卸荷，通向油缸的油路被封死，舵叶就停在指令舵相符合的舵角上，完成了操舵控制的过程[2]。

典型的阀控舵机液压原理图如图3所示。由于阀控型液压舵机采用定量泵，因而只能通过改变电磁阀的位置来改变管路中流体的流向，实现操左舵或操右舵。

图3 阀控型舵机液压原理

自动舵系统连接时接口框图如图4所示。根据规范要求，舵机启动箱给自动舵提供电源和舵机的运行信号，从驾驶室的自动舵主单元发出在自动、随动和非随动控制模式下的左/右操舵信号作用于舵机的执行机构，通过改变电磁阀的位置来改变管路中流体的流向，实现操左舵或操右舵。

4.3 泵控舵机的工作原理

自动舵系统给出转舵指令，舵机系统收到此信号后通过连杆机构控制变量柱塞泵的喷油嘴转动，改变流体的流速和流向，实现转舵操作。另外一种方式就是操舵站在收到转舵指令后会先和舵角指示器传回的实际舵角进行比较，然后通过放大器对偏差值进行放大，再通过力矩马达控制变量柱塞泵，实现换向操作。

虽然连杆机构和力矩马达都可以控制变量泵实行换向操作，但他们实现的方式却是不同的。本文以舵角回到0位的操作为例来作比较[3]。

4.3.1 采用连杆操作的转舵步骤

连杆机构控制如图5所示。

(1)操舵手轮回到0位。

(2)0位信号发送到自动舵系统。

(3)浮子开关从“A”动作到“A1”，同时以“B”为支点，从“C”动作到“C1”。

(4)控制杆从“D”移动到“D1”。

(5)伺服活塞在液压辅泵先导压力控制下动作，而液压辅泵则是由主泵的控制阀组控制。

(6)柱塞泵的倾斜盘倾斜改变流向，那么舵叶开始跟随摆动。

(7)当浮子开关到达“A2”处，满足相应的转舵角度时，就开始以“A2”为支点从“C1”返回“C”。

(8)液压泵的控制杆也从“D1”回到“D”，倾斜盘回到中立位置。

(9)这时，信号从反馈装置返回操舵站，转舵工作完成。

以上过程对于在驾驶室操舵和舵机舱就地操舵都是一样的。

图4 阀控型舵机与YOKOGAWA自动舵系统的接口框图

4.3.2 采用力矩马达操作步骤

力矩马达操作示意图如图6所示。

(1)从操舵台发出的操舵信号先经过放大器放大，传给力矩马达。

(2)力矩马达驱动液压泵的伺服马达，转动液压泵的倾油盘，直到液体满足喷出到相应舵角信号的流量要求。

(3)流体的压力推动舵柄带动舵叶转动，舵柄上的传感器开始反馈转动的角度给操舵站指示要求的角度已经达到，力矩马达驱动回到0位。

液压泵倾油盘也会复位。当吸排油的动作停止时，舵叶也因此得以保持在要求的角度。

图6 力矩马达控制示意图

另外，在舵机舱就地操舵时掰动就地电磁阀不会产生电信号，它是通过直接作用在液压泵伺服器上来控制流量改变的，是一种应急操舵模式。在达到要求的转舵角度时释放就地控制钮，这时伺服器就会转入自动模式，液压泵的倾油盘会回到0位以确保舵叶保持在要求的角度。

泵控舵机与自动舵系统接口框图如图7所示。舵机启动箱④给自动舵①提供电源和舵机的运行信号，自动舵控制箱②在自动、随动和非随动控制模式下发送电信号，驱动舵机的力矩马达，舵机开始执行左或者(右)舵操作，自动舵控制箱提供卸荷阀一路AC110 V电源，舵机卸荷阀动作。差动变压器提供主泵的偏心位置(即变量泵中斜盘的倾斜方向)给自动舵，当它与操舵指令不符合时，使自动舵实现液压锁定报警。左、右限位开关的作用使舵机实现左、右限位，满足SOLAS对舵机限位的要求。

图7 泵控舵机与自动舵系统的电气接口框图

通过以上2个典型的泵控和阀控液压舵机分析发现，液压的控制原理不同，使得与自动舵电气图接口的差异还是很大的。在实际设计过程中还要根据舵机的控制方式选配与自动舵系统的接口。

5 操舵装置控制系统

无论何种舵机，都受控于操舵装置控制系统，它使舵机能按照驾驶者意图及时、准确地将舵转到所需舵角上。目前，商船都有2套独立操舵系统的线路，当1套操舵系统发生故障后，立即可以转换另1套操舵系统，这2套操舵系统分别为随动操舵(FOLLOW-UP)和非随动操舵(NON-FOLLOW-UP)。

5.1 随动操舵和非随动操舵

随动操舵系统是装有舵角反馈发送器，能进行追随控制的操舵系统，这种操舵方式的舵轮转动角和舵叶的偏转角度是相当的，操舵时比较直观。非随动操舵即手柄控制系统也称直接控制系统，它可以直接控制继电器使舵机转动。它没有舵角反馈装置，手柄或揿钮相当于继电器的开关。操舵时，当舵角指示器显示到达所需的舵角时，要立即将手柄回复到中间位置或松开揿钮。一般作为随动控制系统失灵时的备用控制系统。

5.2 自动舵

自动舵也属于操舵装置控制系统中的1种控制形式。自动舵是1个闭环系统，它包括：航向给定环节、航向检测环节、给定航向与实际航向比较环节、航向偏差与舵角反馈比较环节、控制器、执行机构、舵、调节对象—船、舵角反馈机构等。舵系统的性能主要是由控制器的性能决定的。

当船艏受外力等作用偏离预定航向一定角度时，装置立即动作，使舵叶偏转一定角度；如舵角度不够大，装置产生一个附加舵角；船艏在舵作用下返回预定航向；未到达预定航向时，装置将舵叶转到艏艉线上；船艏接近预定航向时，为减少船艏向另一舷

大幅度摆动的惯性，舵叶向另一舷偏过一个小角度，使船首回到原来航向。

5.3 其他操舵形式

自适应自动操舵仪是把具有自适应操舵程序的模块并入自动操舵仪，能在风﹑浪﹑流等航行环境发生变化而引起船舶操纵性能变化时，使自动舵保持在最佳状态。

航迹操舵(TCS)是1种全自动驾驶仪，满足综合桥楼IBS配置的操舵设备。系统提供等航向和大圆航向功能，使远洋航行的船舶按地球上最短航程航行。系统提供的辅助转弯功能，使船舶自动按照预设的航线平稳过渡到下一航路段上。从图8航向控制和航迹向控制的比对示意看出，可实现船舶航行过程中的航向保持和航迹跟踪。通过接入计程仪、罗经、GPS信号，CPU进行分析与处理，给出1个指标航向到自动舵组件中去执行，使船能够沿着计划航线航行，并能在预定的转向点上转向。TCS系统同时送出信号至电子海图、舵角反馈装置、自动舵、桥楼值班报警、VDR系统，用于控制和报警。

如果需要直观的实时航行轨迹，可以把TCS的信号叠加到电子海图上，随着卫星通讯技术在现代船舶运输中的广泛运用，这些信息也可以随时发送到岸上，通过船舶的能效管理系统，结合航线的水文信息，可以制定出更经济更安全的航线，未来实现船舶无人驾驶也不是没有可能的。