KL调距桨的控制模式及工作过程解析

KL调距桨的控制模式及工作过程解析

呼继超

上海东湖机械厂， 200439

摘要：本文主要针对KL调距桨使用过程中，在不同的工作模式下从机械调距、液压驱动、PLC电控、系统监控等方面全面阐述调距桨动作控制过程，为该型调距桨的维护保养及故障检修提供参考借鉴。

关键词：调距桨、PLC电控、控制模式

引言

调距桨是一种船舶推进装置，可以在不改变推进轴系的转向和转速的情况下，利用调整桨叶螺距实现船舶的前进、后退、变速、停止等动作，在任何航行条件下均可充分利用主机的全部功率，能够有效提高船舶机动性能及续航能力。

KL调距桨装置主要由机械调距系统、液压驱动系统、PLC电控系统和监控系统等部分组成，根据船舶使用需求将调距桨设置为四种控制模式，即自控模式、备用模式、本地模式和应急模式。各控制模式均在PLC程序控制的下，有条不紊的执行相应的动作，控制调距桨可靠的运行。

一、PLC程序工作过程解析

PLC上电后主程序开始执行，利用SM0.1特殊辅助继电器在首个扫描周期接通的特性将系统初始化，对运算过程中用到的寄存器进行清零，并调用子程序SBR0，将PID运算的增益值设为60.0，采样时间为1s，积分时间为0.8s，微分时间为0s，采用定时器中断，将定时器中断0的时间周期设为10ms，连接中断事件INT2后开启中断，利用SBR3子程序，将程序运行时所需的VD200到VD228寄存器，写入初始值。

从第二个扫描周期开始，系统开始在主程序中运行，不断循环检测反馈电流与指示电流之间的差值，若差值过大，则辅助继电器M4.0接通，执行PID输出；若差值在允许范围内，则中间辅助继电器M4.1接通，断开PID输出。当指令电流与反馈电流相等时，即调距桨在稳态状况下，PLC主程序处于循环检测过程中，PID虽然运算更新内部寄存器，但不对外输出控制信号；当调距桨开始调距时，指令电流发生了跃变，PLC通过SMB34设置的10ms中断周期，每隔10ms产生一次中断事件，同时执行INT2中断程序，中断程序利用SBR2子程序，每隔10ms采集一次指令电流和反馈电流的值，分别存入VB38和VB60为首地址的十个连续寄存器中，并通过计算取10个采集数据的平均值存入VW26和VW28寄存器中。VW26为指令电流的平均值，VW28为反馈电流的平均值，通过数据转换及加减乘除运算，将采集的反馈电流平均值转化为PID的标准化数值存入寄存器VD100中；将采集的指令电流平均值转化成批的标准化数值存入寄存器VD104中；同时限定指令的范围为0～1之间。根据指令电流大于反馈电流，还是反馈电流大于指令电流两种情况来设定PID的增益和积分时间后执行PID运算。通过寄存器VD108输出标准化数值，经过数据转换及加减乘除运算后，换算成-32000～32000之间的数字量，通过模拟量转化成-10V～10V的电压,经模拟量输出端口AQW0输出，控制比例电磁阀的开启方向及开口大小，使液压油进入到正车腔或倒车腔的油缸中，带动桨叶转动。在运动过程中不断检测比较指令电流与反馈电流的差值，并存入VD8寄存器中，当指示电流与反馈电流的差值大于0.1毫安时，则中间辅助继电器M4.0接通，执行PID输出,输出端VD108的值为PID运算值,当反馈电流与指示电流的差值小于0.1毫安时，则中间辅助继电器M4.1接通，将PID的输出寄存器VD108写入固定值0.5，即输出电压为0伏，比例电磁阀处于中位不动作。

在主程序中，当寄存器VD8的差值大于2mA时，会启动定时器计时，如果差值在30秒内无法消除，则会通过Q0.1端口输出报警信号CPP故闭环故障。

PLC运行主程序

二、自控模式工作过程解析

自控模式为该系统的主要控制模式，调距桨电控系统通过接收遥控系统给出的指令控制信号，并根据自身得到的反馈信号自动进行闭环控制，由PLC进行PID运算后输出标准的控制电压通过比例阀放大板控制比例电磁阀的开启幅度，实现螺距的闭环控制。

在准备工作完成后，转入正常航行模式，此时将车钟由“空车”位扳到“前进一”车令位，遥控系统将自动按照目前的航行状态和车钟手柄的位置，根据机桨匹配曲线发出主机转速给定信号和桨角给定信号。此时，PLC检测到指令电流为车钟给定的值，约为16.6毫安。反馈值为PLC检测到的12毫安。PLC内部将检测的设定值与反馈值进行PID运算，完成后输入输出完成后，通过模拟量输出口，输出一个正值，经比例电磁阀驱动板放大后驱动比例电磁阀阀芯儿正向开启。同时PLC输出口Q0.4接通，经中间继电器功率放大后驱动卸荷电磁阀接通，关闭卸荷阀，液压系统开始以7兆帕的溢流压力开始运行，液压油通过高压油管进入配油器B口，经高压密封组件进入轴内双油管的内层油管经过节流液控单向阀后分成两路，一路为液控单向阀的控制油，将另一侧的液控单向阀开启。另一路进入调距油缸的正车腔，推动活塞向前运动，同时经曲柄滑块机构转动桨叶，使其产生正螺距，推动船体向前运动，调距油缸活塞向前移动时挤压倒车腔液压油，使其经过双层油管的外腔进入液控单向阀，从配油器上A口途经比例换向阀回油路流回油箱。活塞向前移动的同时，带动双层油管向前移动，将活塞的位移量通过反馈装置的反馈环、摩擦块转换成机械指针的摆动，通过刻度盘显示当前的螺距比，机械指针转动的同时，通过双连杆机构带动两个单联电位计转动。一路电位器用于螺距指示，经过螺距发讯板转化为螺距表指示电压，另一路电位计用于螺距反馈，经螺距发讯板转换为反馈电流经多路隔离分配模块分成两路，一路送入监控系统进行螺距显示，一路输入到中心PLC的反馈电流模拟量输入端，经PLC采集实时检测反馈电流与指示电流的差值。随着活塞的向前移动，反馈装置接收的反馈电流慢慢从12mA向16.6mA增加。PLC内部PID运算的输出电压越来越小，比例阀的开口幅度也越来越小，活塞带动的反馈装置移动量越来越慢，此过程称为调距桨的调距过程。当反馈电流达到16.6mA时。PLC检测到的反馈电流与指示电流相等，此时PID输出固定值，转化为模拟量，输出为0V。比例电磁阀关闭，同时Q0.3断开，液压系统内部液压油全部经缷荷阀回油箱。

三、备用模式工作过程解析

备用模式为自控模式的补充，可以逐度调节螺距角度。当遥控系统给出备用控制允许信号时，可由备用控制按钮“螺距↑”和“螺距↓”来调整螺距。此时可由PLC或硬件继电器组来完成，通过输出开关量信号来控制液压换向阀，实现螺距的开环控制。PLC和系统硬件继电器组成冗余控制，互为备用。

在遥控操作模式下，通过工况选择开关，将控制工况选择为半自动，当备用允许指示灯亮起时，可进入备用控制模式，此模式为开环控制。此时PLC输入触点I0.0触点接通，PLC在执行中断程序时，利用I0.0长通触点断开PID的运算，并将PID运算的输出寄存器VD108写入固定值0.5，模拟量输出为0V，即比例电磁阀处于中断状态，比例电磁阀不参与系统桨角调节。此时按下备用控制按钮“桨角↑”时，PLC输入触点I0.1接通经PLC程序运行处理后，输出触点Q0.2和Q0.4接通，经中间继电器进行功率放大后接通正车电磁阀和卸荷电磁阀。液压系统开始以7MPa溢流压力开始运行，此时液压油经油泵加压后通过电磁换向调距油缸供油间接带动桨叶向正螺距方向转动，桨角的变化通过反馈装置送入监控系统进行显示。

四、本地模式工作过程解析

本地模式为遥控系统的补充，当调距桨与遥控系统断开时，可以完全由调距桨机旁控制箱上的工况选择按钮进行就地工况运行。通过机旁控制箱上的“螺距↑”和“螺距↓”按钮进行控制螺距的加减。此时，系统的运行计算可由PLC或系统硬件继电器组控制液压系统的电磁换向阀，实现螺距的开环控制。

通过机旁工况选择开关将控制工况选择为“就地”，即可进入本地控制模式，此模式为开环控制。此时PLC输入触点I0.3触点接通，比例电磁阀不参与系统桨角调节，此时按下备用控制按钮“螺距↓”时，PLC输入触点I0.5接通经PLC程序运行处理后，输出触点Q0.3和Q0.4接通，经中间继电器进行功率放大后接通倒车电磁阀和卸荷电磁阀。液压系统开始以7MPa溢流压力开始运行，此时液压油经油泵加压后通过电磁换向阀从配油器A口流经液控单向阀、轴内双油管内腔进入调距油缸倒车腔，推动油缸活塞向后移动，间接带动桨叶向负螺距方向转动。正车腔油液被活塞挤压后，经双油管外腔从配油器B口流出，途经电磁换向阀回油路回流回油箱，同时轴内双油管随着调距活塞的向后移动带动反馈装置指针转动，将桨角的实际位置反馈到机械刻度盘上。

五、应急模式工作过程解析

调距桨的应急模式只能在全船失电的紧急情况下使用，在确保轴系不会自转的情况下，取出应急高压软管，将其一端连接到手摇泵接头上，另一端接在配油轴节流液控单向阀上，同时松开另一侧的液控单向阀的锁紧螺母，并顺时针方向旋入应急螺杆，直至顶开液控单向阀的阀芯，再打开手动换向阀阀芯正车方向，同时用手摇泵向节流液控单向阀内注入液压油。推动桨叶向正车方向调距，当机械指针螺距比达到1.2时，取出应急止挡块，将其放入反馈槽中并加以固定。然后拆除应急软管，并将液控单向阀的螺杆复位，准备完毕后启动主机，在应急状态下进行定桨距航行。

结束语

通过对该型调距桨各工作模式下工作过程的全面剖析，系统的阐述了调距桨在各工况下的工作过程，PLC程序的运行机理，电气信号的联络关系，液压能流的途经与走向，机械部件的运动联系，液压阀件的时空动作顺序以及机电液之间的联动关系，对以后调距桨检修及故障快速研判有一定的借鉴作用。

参考文献:

[1]盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海:上海交通大学出版社,2003.

[2]廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社,2008.