聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制裝置，特別涉及一種聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，可控被動(dòng)式減搖水艙裝置有水閥控制式和氣閥控制式兩種類型。純水閥可控被動(dòng)式減搖水艙裝置主要由顯示器、控制模塊、水閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，其原理是通過(guò)水閥擋板改變水艙底通道的通流面積改變減搖水艙的固有周期，使艙內(nèi)水晃蕩產(chǎn)生扶正力矩。達(dá)到減搖效果。其優(yōu)點(diǎn)是水閥擋板開(kāi)關(guān)頻率低、維護(hù)保養(yǎng)成本低，其缺點(diǎn)是適用船舶搖擺周期范圍較窄。
[0003]純氣閥可控被動(dòng)式減搖水艙裝置主要由顯示器、PLC、氣動(dòng)控制單元、氣閥等組成，通過(guò)水艙頂部氣閥開(kāi)關(guān)控制艙內(nèi)水的流動(dòng)，改變艙內(nèi)水在每個(gè)搖擺周期的相位，使艙內(nèi)水晃蕩產(chǎn)生扶正力矩。其優(yōu)點(diǎn)適用船舶搖擺周期范圍較寬，其缺點(diǎn)氣閥開(kāi)閉頻率高，消耗功率大，氣閥磨損比較厲害，維護(hù)保養(yǎng)成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對(duì)被動(dòng)式減搖水艙裝置現(xiàn)在存在的問(wèn)題，提出了一種聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置及控制方法，采用水閥和氣閥聯(lián)合控制，既能在短周期內(nèi)精準(zhǔn)控制水艙的固有周期，又能在長(zhǎng)周期內(nèi)消耗少量氣量達(dá)到最佳減搖效果。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置，通訊模塊采集陀螺儀和水位傳感器信號(hào)，發(fā)送至主控模塊，主控模塊輸出控制指令通過(guò)CAN總線發(fā)送至輸入輸出模塊，輸入輸出模塊輸出信號(hào)到水閥、通風(fēng)閥和氣閥的氣動(dòng)控制閥塊，輸入輸出模塊接收水閥、通風(fēng)閥和氣閥的狀態(tài)反饋信號(hào)，將接收到的狀態(tài)反饋信號(hào)傳送到主控模塊進(jìn)行處理，通過(guò)控制箱和駕駛室的人機(jī)交互界面進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示和報(bào)警顯示。
[0006]所述通訊模塊分別通過(guò)RS232與陀螺儀通信，通過(guò)Al接收水位傳感器信號(hào)，通過(guò)LAN與PC網(wǎng)口通信。
[0007]所述聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置的控制方法，主控模塊采集陀螺儀和水位傳感器信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前船舶橫搖周期和艙內(nèi)水位振蕩，若當(dāng)前船舶橫搖處于諧振區(qū)域且船舶橫搖規(guī)則時(shí)，通過(guò)水閥調(diào)節(jié)，使水艙的固有振蕩周期接近當(dāng)前船舶的橫搖周期；在船舶橫搖周期長(zhǎng)或周期不規(guī)則時(shí)，氣閥參與控制，調(diào)節(jié)氣閥的開(kāi)關(guān)，改變艙內(nèi)水震蕩與船舶橫搖之間的相位差，使整艙內(nèi)水振蕩周期的相位滯后于船的橫搖相位大約90°。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置及控制方法，采集陀螺儀信號(hào)，傳送至嵌入式控制模塊進(jìn)行運(yùn)算處理，通過(guò)DO驅(qū)動(dòng)氣閥、水閥等開(kāi)閉，接收行程開(kāi)關(guān)信號(hào)作為反饋。本裝置符合電器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高，高效節(jié)能，減搖效果明顯，可控范圍廣、友好的人機(jī)交互、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，切合當(dāng)前節(jié)能減排造船的大環(huán)境。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置原理框圖；
圖2為本發(fā)明聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]水艙是依靠艙內(nèi)水左右振蕩產(chǎn)生的周期性力矩實(shí)現(xiàn)減搖的。船在波浪力矩的作用下發(fā)生橫搖，當(dāng)波浪力矩頻率與船舶固有頻率接近時(shí)，船舶橫搖角最大且滯后波浪力矩大約90°。同理，船舶橫搖帶動(dòng)艙內(nèi)水振蕩產(chǎn)生減搖力矩，當(dāng)船舶橫搖頻率與水艙固有頻率接近時(shí)，水艙產(chǎn)生的減搖力矩最大且滯后船舶橫搖大約90°。上述物理現(xiàn)象稱之為雙共振，波浪力矩、船舶橫搖角、減搖力矩三者之間大小相等方向相反(諧振點(diǎn))，此時(shí)水艙減搖力矩最大且與波浪力矩反向，減搖效果最佳。
[0011]如圖1所示聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置原理框圖，船在波浪力矩的作用下發(fā)生橫搖，通過(guò)陀螺儀采集到船舶姿態(tài)輸送到控制器，經(jīng)中心控制單元處理后輸出水閥和氣閥動(dòng)作指令，繼而氣閥和水閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作?？刂破鞲鶕?jù)水位傳感器采集到的水位差和陀螺儀采集到的船舶姿態(tài)，控制水閥和氣閥的動(dòng)作。在船舶橫搖周期與水艙固有周期接近時(shí)，水艙產(chǎn)生的減搖力矩最大且滯后船舶橫搖大約90°，此時(shí)水艙減搖力矩最大且與波浪力矩反向，實(shí)現(xiàn)減搖功能。
[0012]如圖2所示聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置結(jié)構(gòu)框圖，嵌入式控制器采用工業(yè)控制模塊，各模塊如下:
主控CHU模塊I通過(guò)CAN總線分別與通訊TEU模塊3、駕駛室人機(jī)交互界面HMI9、控制箱人機(jī)交互界面HMIlO和與輸入輸出模塊FTU2通信；
TEU模塊3分別通過(guò)RS232 (COM4)與陀螺儀11通信，通過(guò)Al接收水位傳感器12信號(hào)，通過(guò)LAN與PC網(wǎng)口通信；
輸入輸出模塊FTU模塊2中I路DO輸出綜合報(bào)警信號(hào)，8路DO通過(guò)氣動(dòng)控制閥塊4控制氣閥5開(kāi)關(guān)，2路DO參與通風(fēng)閥7的輸出，4路DO控制水閥6的狀態(tài)改變，12路DI通過(guò)行程開(kāi)關(guān)采集氣閥5關(guān)到位信號(hào)，4路DI接收通風(fēng)閥7開(kāi)關(guān)狀態(tài)到位信號(hào)，2路DI接收高水位報(bào)警信號(hào)，I路DI接收氣壓低報(bào)警信號(hào)，4路DI采集水閥6開(kāi)關(guān)到位信號(hào)。
[0013]氣動(dòng)控制閥塊4根據(jù)控制系統(tǒng)中輸入輸出模塊FTU模塊2輸出的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)氣閥動(dòng)作，是氣動(dòng)系統(tǒng)核心控制閥件。實(shí)時(shí)參與控制時(shí)，氣閥5開(kāi)啟/關(guān)閉動(dòng)作完畢后立即氣閥氣缸兩腔排氣，以保證下一次動(dòng)作的快速性，同時(shí)亦使氣閥動(dòng)作過(guò)程中氣缸內(nèi)最高壓力大大低于系統(tǒng)工作壓力，以實(shí)現(xiàn)節(jié)氣降噪目的。
[0014]通過(guò)TEU模塊3采集陀螺儀11信號(hào)和水位傳感器12信號(hào)，發(fā)送至主控CHU模塊1，利用控制軟件獲得平均周期、水位差等，并將控制指令通過(guò)CAN總線發(fā)送至FTU模塊2，驅(qū)動(dòng)氣閥、水閥、通風(fēng)閥改變其狀態(tài)，F(xiàn)TU模塊2接收狀態(tài)反饋信號(hào)，接收到的信號(hào)傳送到CHU模塊I進(jìn)行處理，通過(guò)HMI進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示和報(bào)警顯示。此外，HMI可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和減搖效果分析。
[0015]可控式被動(dòng)水艙通過(guò)調(diào)節(jié)水閥的開(kāi)關(guān)適應(yīng)船隨海況、裝載狀態(tài)和航行海域等因素的變化，改變水艙的固有振蕩周期，使其接近船舶橫搖狀態(tài)。通過(guò)氣閥的開(kāi)關(guān)適應(yīng)船舶橫搖周期的實(shí)時(shí)變化，調(diào)節(jié)艙內(nèi)水在每個(gè)振蕩周期的相位，使得總是滯后于船的橫搖相位大約90°，最大程度發(fā)揮減搖能力。
[0016]聯(lián)合控制式減搖水艙同時(shí)配備水閥及氣閥，將兩種控制方式優(yōu)缺互補(bǔ)，在中等海況，船舶橫搖接近固有頻率時(shí)采用水閥進(jìn)行控制，以最小的消耗獲得較好的減搖效果。在大風(fēng)浪的復(fù)雜海況下或者船舶大角度長(zhǎng)周期橫搖時(shí)(由于航速、浪向等影響)驅(qū)動(dòng)氣閥參與控制，以獲得好的減搖效果，避免水閥控制方式效果下降甚至增搖的缺陷。即解決了純水閥控制在復(fù)雜海況下減搖效果受限，且有效控制周期范圍相對(duì)有限的問(wèn)題，有解決了純氣閥控制能耗大、噪音大的現(xiàn)象。
[0017]通過(guò)調(diào)節(jié)水閥改變水艙的固有振蕩周期，使其接近船舶橫搖狀態(tài)；通過(guò)氣閥的開(kāi)關(guān)調(diào)整艙內(nèi)水震蕩與船舶橫搖之間的相位差。在船舶諧振區(qū)域以水閥控制為主，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減搖，獲得良好的減搖效果；在船舶橫搖不規(guī)則性較強(qiáng)或者船舶周期較長(zhǎng)等情況已氣閥控制為主，最大程度發(fā)揮減搖能力。本裝置采用水閥氣閥協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)了全航速綠色節(jié)能減搖，增加了船舶安全系數(shù)，促進(jìn)了減搖系統(tǒng)的數(shù)字化控制，優(yōu)化了減搖設(shè)備信息接口。不僅促進(jìn)減搖技術(shù)的提升，也是一次減搖技術(shù)的集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了智能動(dòng)態(tài)減搖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置，其特征在于，通訊模塊采集陀螺儀和水位傳感器信號(hào)，發(fā)送至主控模塊，主控模塊輸出控制指令通過(guò)CAN總線發(fā)送至輸入輸出模塊，輸入輸出模塊輸出信號(hào)到水閥、通風(fēng)閥和氣閥的氣動(dòng)控制閥塊，輸入輸出模塊接收水閥、通風(fēng)閥和氣閥的狀態(tài)反饋信號(hào)，將接收到的狀態(tài)反饋信號(hào)傳送到主控模塊進(jìn)行處理，通過(guò)控制箱和駕駛室的人機(jī)交互界面進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示和報(bào)警顯示。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置，其特征在于，所述通訊模塊分別通過(guò)RS232與陀螺儀通信，通過(guò)Al接收水位傳感器信號(hào)，通過(guò)LAN與PC網(wǎng)口通信。3.權(quán)利要求1或2所述聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置的控制方法，其特征在于，主控模塊采集陀螺儀和水位傳感器信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前船舶橫搖周期和艙內(nèi)水位振蕩，若當(dāng)前船舶橫搖處于諧振區(qū)域且船舶橫搖規(guī)則時(shí)，通過(guò)水閥調(diào)節(jié)，使水艙的固有振蕩周期接近當(dāng)前船舶的橫搖周期；在船舶橫搖周期長(zhǎng)或周期不規(guī)則時(shí)，氣閥參與控制，調(diào)節(jié)氣閥的開(kāi)關(guān)，改變艙內(nèi)水震蕩與船舶橫搖之間的相位差，使整艙內(nèi)水振蕩周期的相位滯后于船的橫搖相位大約90°。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種聯(lián)合控制式可控被動(dòng)式減搖水艙裝置及控制方法，通訊模塊采集陀螺儀和水位傳感器信號(hào)，發(fā)送至主控模塊，主控模塊輸出控制指令通過(guò)CAN總線發(fā)送至輸入輸出模塊，輸入輸出模塊輸出信號(hào)到水閥、通風(fēng)閥和氣閥的氣動(dòng)控制閥塊，輸入輸出模塊接收水閥、通風(fēng)閥和氣閥的狀態(tài)反饋信號(hào)，將接收到的狀態(tài)反饋信號(hào)傳送到主控模塊進(jìn)行處理，通過(guò)控制箱和駕駛室的人機(jī)交互界面進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示和報(bào)警顯示。采用水閥和氣閥聯(lián)合控制，既能在短周期內(nèi)精準(zhǔn)控制水艙的固有周期，又能在長(zhǎng)周期內(nèi)消耗少量氣量達(dá)到最佳減搖效果。本發(fā)明可靠性高，高效節(jié)能，減搖效果明顯，可控范圍廣、友好的人機(jī)交互、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，切合當(dāng)前節(jié)能減排造船的大環(huán)境。
【IPC分類】B63B39/03
【公開(kāi)號(hào)】CN104925234
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510384697
【發(fā)明人】韋彬, 楊春云, 楊萬(wàn)富, 曾啟盛, 鄒寧, 程媛
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0四研究所
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日