Как указывалось, автоматическое дистанционное управление механизмами оказывается эффективным лишь в том случае, когда функции контроля и регистрации, которые до сих пор выполнялись человеком, будут возложены на автоматику. Автоматизация этих процессов создает важную предпосылку для перехода к периодическому или безвахтенному обслуживанию машинного отделения.
Так как функции контроля за работой механизмов и ведения документации о протекании процессов весьма различны, следует описать каждое из них в отдельности. В пользу этого говорит также и то обстоятельство, что соответствующие устройства из соображений надежности и наглядности часто выполняются в виде независимых друг от друга систем.
Автоматический контроль за работой механизмов. Задачей этого контроля является обнаружение нарушений и неполадок в машинной установке на возможно ранней стадии их возникновения.
Функция контроля за работой механизмов. Если проанализируем процесс контроля независимо от способа его реализации, то окажется, что он состоит из следующих операций:
а) Обнаружение неполадок. Неполадки в машинной установке проявляются при ненормальных режимах ее работы. Для их обнаружения с помощью измерительной техники необходимо контролировать переменные, характеризующие тот или иной режим работы, и определять, находятся ли их отклонения в нормальной или недопустимой области.
б) Классификация неполадок. Установленные неполадки должны быть оценены с точки зрения их значения для дальнейшей работы машины, т. е. необходимо определить степень вызываемой ими опасностй. В соответствии с рекомендациями для безвахтенного или периодического обслуживания машинного отделения принята следующая классификация опасностей:
— Опасность I степени. По возможным последствиям неполадок необходима немедленная остановка главного двигателя, например при отсутствии давления смазочного масла или протечках охлаждающей воды.
— Опасности II степени. Неполадки оказывают ограниченное воздействие; эксплуатация может продолжаться при сниженной скорости судна. Критериями этого рода являются, наряду с другими, повышение температуры выхлопных газов, охлаждающей воды, охлаждающего или смазочного масла.
— Опасности III степени. Неполадки не имеют серьезных последствий, так что для продолжения эксплуатации судна не требуется изменения его ходового режима.
Неполадки «огонь в машинном отделении», «вода в машинном отделении» и «неисправность пожарной сигнализации» образуют особые степени опасности.
в) Введение в действие контрмер. Если в установке предусмотрено резервирование, увеличение продолжительности ее эксплуатации может быть достигнуто с помощью введения в действие соответствующих резервных агрегатов и остановки неисправного объекта. В крупных дизельных установках резервируются лишь некоторые вспомогательные устройства (насосы, вспомогательные приводы и т. д.). В других установках в зависимости от степени опасности принимают такие меры, как снижение мощности машины или остановка главного двигателя.
Автоматизация контроля за работой механизмов. Рассматриваемые в этом разделе процессы могут быть автоматизированы в различном объеме. Простые установки контроля содержат только устройства для сбора информации о неполадках, сравнения ее с предельными значениями и сигнализации человеку. Более сложные устройства группируют установленные неполадки и выдают аварийные сигналы на разные ступени. Наиболее высокая .ступень автоматизации контроля за механизмами состоит в автоматическом включении установок прямого аварийного воздействия. Установки, оборудованные такими устройствами, обладают, следовательно, свойствами, присущими самовосстанавливающимся системам. При дальнейшем рассмотрении процесса контроля за работой механизмов будем ориентироваться на наиболее высокую ступень автоматизации, из которой можно при необходимости получить любые более простые формы.
Автоматический сбор информации о неполадках. Для сбора информации о неполадках в установках применяются различные устройства.
Простейший способ обнаружения предельных отклонений параметров заключается в применении двухпозиционных измерительных приборов, таких, как реле температуры, давления, уровня и частоты вращения. Когда измеряемая величина достигает установленного предельного значения, срабатывает переключающий контакт. Другой способ заключается в оборудовании измерительных устройств, например манометров, соответствующими элементами для съема данных, приводимыми в действие стрелкой прибора.
Поступательные или вращательные движения (например, исполнительных органов) могут контролироваться с помощью конечных выключателей.
Для сбора информации о неполадках в установках частично применяются также и нормальные датчики измеряемых величин.
Рис. 1. Блок-схема устройств контроля предельных значений параметров.
1 — измерительный щуп (зонд) с предельными контактами; 2 — указательное устройство с предельными сравнивающими устройствами; 3 — измерительное и сравнивающее устройства; 4 — цифровой контроль предельных значений; ЦУ — центральное устройство.
При этом тест на предельное отклонение значения происходит либо в подключенном компараторе, либо после соответствующего преобразования сигнала (параллельно-последовательного, а также аналого-цифрового) в устройстве обработки информации с помощью специальной программы предельных величин.
Иногда нормальный рабочий диапазон изменения контролируемых величин жестко не фиксируется, предельные значения его зависят от рабочей точки. В этом случае нормальные величины для сравнения с предельными значениями не должны твердо программироваться, поскольку они сами являются переменными.
Некоторые аварийные значения параметров не могут быть определены непосредственно и их надо получать путем вычислений с использованием поддающихся измерению переменных. Задачей системы контроля температуры выхлопных газов является проверка температуры в различных точках и ее сравнение со средним значением, определяемым по значениям этих температур. В-таких случаях сравнению предельных и средних значений температур предшествуют вычислительные операции.
Для лучшего выполнения функций контроля за работой механизмов часто применяются отдельные сигнализаторы предельных значений.
Автоматическая обработка информации. Узел обработки информации системы контроля за работой механизмов в первую очередь классифицирует поступающие сигналы о неполадках по группам. Затем оценивается последовательность сигналов о неполадках, причем преимущество всегда отдается новым поступающим сигналам по сравнению с уже подтвержденными.
Рис. 2. Блок-схема электронной установки контроля и сигнализации неполадок
Для аппаратурной реализации устройств контроля за работой механизмов частично применяются специальные элементы логики. На рис. 6.22 приведена блок-схема релейной системы сбора сигнализации о неполадках, применяемой на частично автоматизированных судах для перевозки штучных грузов типа XD (судостроительной верфи VEB Warnowwerft Варнемюнде, ГДР). Однако в большинстве случаев применяются централизованные устройства обработки информации. Благодаря очень короткой, по сравнению с установками для регистрации, продолжительности циклов достигается квазинепрерывный контроль за работой механизмов.
Использование информации о неполадках. На выходе системы следует различать информацию сигнализации, регистрации неполадок и автоматического воздействия на аварийный объект. Первые две формы выхода предполагают подачу сигналов человеку.
Для представления информации о неполадках предпочтение следует отдать комбинированной оптико-акустической сигнализации. При этом в большинстве случаев применяются сигнальные сборки, состоящие из световых мнемосхем (табло) для отдельных степеней опасности, зуммеры для акустической сигнализации, а также вызывные ключи, которые смонтированы на различных вахтенных постах (на мостике, в каютах командного состава и т. д.).
Для информации о неполадках принят следующий порядок сигнализации:
При возникновении неполадки подается мигающий сигнал. По прошествии определенного времени дополнительно включается звуковой сигнал. Затем мигающий свет переходит в постоянный свет и акустический сигнал выключается. Если оптический сигнал подается до момента срабатывания акустической сигнализации, то последней не будет. В случае исчезновения неполадки мигающий свет гаснет и акустический сигнал не срабатывает. Постоянный свет горит до тех пор, пока не будет устранена неполадка.
Регистрация неполадок относится к ведению эксплуатационной документации и рассматривается ниже. При автоматическом устранении неполадки в зависимости от степени ее опасности запрашиваются соответствующие части программы комплексного дистанционного управления механизмами и тем самым вводятся в действие программы включения или отключения вспомогательных агрегатов с целью снижения мощности установки, либо для остановки главного двигателя.
Автоматическое ведение документации процессов. Все меры, принимаемые для управления процессами на судне, фиксируются в вахтенных журналах. Главная задача ведения этих журналов заключается прежде всего в точной по времени регистрации цифровой информации о состоянии процессов.
В ходе эксплуатации автоматизированных судов, в особенности после введения временного или постоянного безвахтенного обслуживания машинного отделения, по крайней мере на крупных судах, был осуществлен общий переход к автоматизации ведения эксплуатационной документации. Наиболее важными средствами для этого являются устройства сбора информации и ее обработки в сочетании с печатающими устройствами и телетайпами.
Автоматический сбор информации. К контролируемым величинам относится большое количество рабочих параметров, состояний включения и команд. Среди измеряемых аналоговых величин доминирует температура (охлаждающей воды, охлаждающего масла, смазочного масла, подшипников, выхлопных газов, помещений и т. д.). Необходима также-информация о давлениях (охлаждающей воды, смазочного масла, наддувочного и пускового воздуха), уровнях в емкостях (например, в цистернах), частотах вращения (главных двигателей, турбовоздуходувок), расходах, развиваемых механических моментах или упоре гребного винта (измерение сил на главном упорном подшипнике).
Существенное значение на судне имеет проблема единообразного и точного измерения времени с учетом прохождения судном границ часовых поясов и международной демаркационной линии смены дат.
Необходимые данные измерений и двойные сигналы выдаются соответствующими измерительными устройствами и инициаторами. Устройства сбора информации выполняют циклический опрос поступающих сигналов и производят преобразование и индикацию. Для приспособления к различным скоростям изменения информации в отдельных случаях могут устанавливаться также и несколько разных циклов опроса. Кроме того, с помощью соответствующих командо-сигналов возможен прием информации в любой момент времени.
Рис. 3. Внешний вид типового устройства сбора информации ZME 101 для работы в судовых условиях (Народное предприятие «Steremat», Берлин, ГДР).
Существуют два типа устройств сбора информации — децентрализованные с применением нескольких локальных собирательных узлов, располагаемых вблизи измерительных устройств, и централизованные, в которых все сигналы измерений подводятся в центральный узел сбора информации.
Общее представление о техническом исполнении централизованного устройства дает рис. 6.23. На нем изображена установка сбора и регистрации информации ZME 101 системы ursamat, которая находит применение на грузовых судах ГДР типа XD.
Автоматическая обработка информации. Объем обработки информации может быть различным и зависит в первую очередь от предусмотренных устройством возможностей реализации вычислительных функций.
Для задач ограниченного объема частично применяются выполненные на кабельном монтаже аналоговые функциональные вычислительные блоки (специальные аналоговые вычислительные машины). Больший объем обработки информации выполняется с применением цифровых вычислительных машин. Использование этих машин целесообразно из-за экономически выгодного соотношения между производительностью и стоимостью и возможностью проводить цифровое преобразование сигналов.
К функциям устройств обработки информации при ведении эксплуатационной документации машинной установки относятся пересчет данных измерений (масштабирование, учет нелинейных характеристик датчиков, извлечение корня измеренного эффективного давления и пр.), поправки данных измерений, например поправка на плотность при измерении расхода топлива, вычисление неподдающихся измерению переменных (мощность на валу, мощность сопротивления), а также расчет технологических характеристик (удельного расхода топлива, пропульсивного к. п. д. и т. д.).
На рис. 4 показана функциональная блок-схема устройства обработки информации для непрерывного вычисления мощности на валу, удельного расхода топлива, а также мощности сопротивления и пропульсивного к. п. д. Входными величинами являются измеренные значения вращающего момента, расхода, температуры и плотности топлива, скорости судна и упора. Для реализации в данном случае были применены аналоговые вычислительные устройства.
Типичная задача устройства обработки информации заключается далее в составлении балансов расхода материалов (топлива, смазки, охлаждающей воды), энергии (различных видов вспомогательной энергии), времени работы (например, вспомогательных установок).
Высококачественные устройства обработки информации располагают, кроме того, определенными тестовыми программами для проверки мест измерения на короткое замыкание и обрывы проводов, а также на достоверность данных измерений (например, проверка правильности измерения уровня в емкости на основании балансов расхода).
Автоматическая регистрация и выдача показаний человеку. Для ведения эксплуатационной документации (дневников, журналов) решающее значение имеет- прежде всего наглядность, объективность, четкость и целенаправленность записей.
В рамках автоматизированной эксплуатации судна требуется ведение следующих документов:
а) Машинный журнал. В начале каждого нового цикла печати, включенного управлением по времени или вручную, приводится дата и время по часам в виде четырех разрядов. Затем следует, как правило, трехразрядная печать полученных результатов измерений (первичная информация) в последовательности их отношения к определенным технологическим комплексам. Балансы регистрируются обычно с двойной длиной слова.
Рис. 4. Блок-схема соединений аналогового устройства обработки данных для расчета характеристик.
Численные значения вносятся либо в форму, которая уже содержит все прочие сведения, как, например, номер места измерения, число разрядов и размерность измеряемой величины, или же печа-«таются на обычной бумаге. Если указанные дополнительные сведения каждый раз не печатаются, то при работе с полученными значениями следует пользоваться соответствующим шаблоном.
В отношении выбора подлежащих регистрации существенных параметров отдельные фирмы-изготовители дизелей выдвигают различные требования. По этой причине пока еще отсутствует унификация машинных журналов.
Наблюдается общая тенденция отхода от регистрации простых переменных состояния, как, например, температур, давлений и т. д., к обобщенным параметрам, таким, как расход топлива и смазочного масла, к. п. д., длительности работы, коэффициента использования и пр.
б) Протокол неисправности. Автоматические устройства для контроля за работой механизмов имеют, как правило, также и специальные устройства для регистрации неисправностей. Так как сообщения о неисправности в установке при определенных условиях могут поступать в непрерывной последовательности, то обычно предусматривается буферный накопитель (промежуточное запоминающее устройство), который позволяет запрашивать их в последовательности поступления.
Форма регистрации неисправностей определяется следующими общими правилами.
При возникновении неполадки или неисправности красным цветом печатается соответствующий номер места измерения с указанием времени и соответствующим обозначением отклонения от предельного значения. Второй цикл печати включается при исчезновении отклонения от предельного значения, причем здесь также печатается, но уже черным цветом, номер места измерения и время.
Более совершенные установки печатают и значение фактического отклонения измеряемой величины от установленного предельного значения.
в) Протокол маневренных операций. После внедрения автоматически печатающих устройств удалось удовлетворительно решить проблему точной хронологической записи проводимых в ходе плавания судна маневренных операций. При этом регистрация производилась следующим образом.
При выдаче команды в машинную установку включается устройство печати, которое фиксирует соответствующий маневр или заданную величину, канал, с которого поступила команда (дистанционное управление или управление через машинный телеграф), нормальный или аварийный режим работы,- а также действительные значения частоты вращения вала и шага гребного винта с указанием даты и времени. Второй цикл печати осуществляется при выполнении команды. Команда считается выполненной в том случае, если разность между измеренным значением частоты вращения вала и заданным ее значением соответствует команде на включение той или иной ступени хода судна, или расхождение между заданным и действительным шагом гребного винта не превышает определенного предельного допуска.
Иногда команды на маневрирование регистрируются совместно с данными о неисправности с помощью общего печатающего устройства. Пример такого протокола показан на рис. 5.
г) Показания и аналоговая регистрация. Применение автоматически работающих устройств для контроля за эксплуатацией и регистрацией состояний систем судна позволяет отказаться от большого количества использовавшихся до сих пор индивидуальных указательных приборов и самописцев. Тем не менее измерительные приборы некоторых особенно важных параметров оставлены на посту управления машинного отделения и показания их при необходимости регистрируются аналоговым путем. Для того чтобы в случае необходимости можно было в любое время устанавливать информационный контакт с установкой, предусматриваются многократно используемые аналоговые, а в последнее время в возрастающей мере цифровые указательные и записывающие устройства. При возникновении неполадок (неисправностей) эти устройства автоматически показывают или фиксируют данные измерений в неисправной части установки, а с помощью программированного ручного вызова также и другие представляющие интерес переменные.
Рис. 5. Форма печатной ленты комбинированного журнала маневренных операций и неисправностей.