船舶喷水推进监控系统设计与实现

柯于春，　王　健

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所，上海 200135)

0　引　言

船舶喷水推进是一种特殊的船舶推进方式，与螺旋桨推进不同，它不是利用推进器直接产生推力,而是通过推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进或后退。船舶喷水推进技术由于具有诸多常规螺旋桨推进技术所不及的优点，在特种船型、高速船舶和一些高性能船舶中被广泛采用。

喷水推进器的可靠运行离不开稳定且高效的监控系统，喷水推进系统上位机监控系统的主要任务包括对输入设备的采样、为用户提供良好的人机交互界面、与下位机进行数据通信及对系统信息的存储与查询等，实现分析数据记录故障和一般性故障诊断等功能。

1　喷水推进原理概述

1.1　基本原理

1.1.1推力产生机理

船舶喷水推进的基本原理和传统的螺旋桨工作原理相似，都是通过向舰船运动的相反方向喷射加速后的水流, 使船体受到水流的反作用力而产生推力。推力的大小等于流经推力器流道的流体在单位时间内的动量变化率[2]为

T=ρQ(Vj-V0)

(1)

式(1)中:T为喷水系统产生的推力；ρ为水的密度；Q为流经流道水流的流量；Vj为喷水的流速；V0为进水口速度。

喷水推进的理想效率为

(2)

式(2)中:k为喷速Vj与进口速度V0之比, 即k=Vj/V0。实际喷水推进器的效率ηT为推进泵效率ηP和系统效率ηC的乘积为

ηT=ηP·ηC

(3)

ηP=ρQHg/Ne

(4)

ηC=gTV0/ρQH

(5)

式(4)和式(5)中：H为推进泵的扬程；Ne为推进泵的输入功率；ρ为水的密度；g为重力加速度。

1.1.2倒航斗工作原理

方向舵和倒航斗由液压组件驱动，所有的液压组件构成液压系统。由操斗油缸控制倒航斗的位置，改变喷水喷出的方向，产生前进或后退的动力。当倒航斗在某喷流的向前推力和向后推力达到平衡时，可达到零推力(驻航)；当向后喷水产生的推力大于向前喷水的推力时达到正车状态；当向后喷水产生的推力小于向前喷水产生的推力时达到倒车状态。整个倒航斗上、下颚的张开是一个连续的过程，所以喷流产生的正、倒车推力的变化也是连续的，可实现船舶的无级调速，原理见图1。

a)正车b)驻航(零速)c)倒车

图1倒航斗工作原理

1.1.3方向舵工作原理

船舶航向改变则通过改变喷水推进器的方向舵位置(改变喷流方向)实现，喷流方向左舵30°至右舵30°原理见图2。

图2　方向舵工作原理

1.2　喷水推进系统特点

相对于螺旋桨推进器，以轴流泵为主动力源的现代喷水推进器克服其效率低下的缺点，显示出传统螺旋桨推进器无法比拟的优越性。泵喷水推进器的主要优点表现在以下几个方面[3-5]:

(1) 抗空泡能力强、推进效率高。喷水推进装置的导管不仅起到了分割流场，产生推力增值的作用，而且使推进泵的叶轮在均匀的流场中工作，抗空泡能力强，特别是中高速时推进效率较高；

(2) 振动小是噪声较低，由于泵喷水推进器的传动结构相对简单，振动大幅降低，抗空泡性能好，可明显降低噪音和振动；

(3) 附体阻力小。喷水推进装置把导管内的水流与船底水流分开,阻力减小，同时 适宜浅水航行，减小浅水效应；

(4) 适应变工况的能力强。在船舶工况发生变化的条件下，能充分吸收主机功率，以调节和适应工况的变化。操纵和动力定位性能较好，可实现无级调速，正车和倒车间过度平滑，在整个航速范围内具有良好的稳定性，且可和操舵装置配合；

(5) 保护性能好，推进泵的叶轮在导管中受到较好的保护。

2　控制对象及目标

喷水推进系统由推进柴油机、喷泵及连接轴系组成，遥控系统通过控制斗位来改变喷水方向，借助水的反作用力推动船舶前进或后退，通过控制主机的转速来调节推进泵的转速以改变喷水量和喷速；通过控制舵角使船向左(或右)改向，来实现舵效。

通过对喷水推进装置操纵方式的选择，操纵相应操纵手柄、手轮及开关按钮，通过向控制模块输入相应的喷水推进装置方向舵和倒航斗以及主机转速的控制指令，根据设定的程序，控制模块输出控制指令至相应的机器(泵阀)旁控制箱，执行对喷水推进装置方向舵、倒航斗、离合器及主机转速的程序控制功能。基于ARM单片机硬件平台的控制模块，通过软件编程，按照喷水推进装置联控曲线，实现喷水推进装置主机转速、方向舵和倒航斗及齿轮箱离合器接脱排状态的最佳匹配，确保喷水推进装置稳定、安全、可靠及高效的运行。

3　喷水推进监控系统设计

3.1　总体设计

喷水推进监控系统的监控系统设计采用“标准化”、“模块化”及“独立化”原则。组态灵活且功能完善，监控系统采用双冗余现场总线网络和双冗余以太网络，主要任务是实施对喷水推进装置及其辅助系统的自动控制、安全保护和监测报警及数据管理一体化，保障推进装置可根据操作人员的操纵及指令安全可靠运行，并可通过双冗余以太网与其它系统实现互联、互通和数据交互。

设计一套喷水推进监控系统，其硬件配置状态取决于推进装置的技术状态。推进装置可由1台柴油机、1套轴系、1个倒航斗，也可由多台柴油机、多套轴系及多个倒航斗组成。现以2台柴油机、双轴系及2个倒航斗组成的推进装置为例，设计一套推进监控系统，系统原理见图3。

图3　推进监控系统设备网络图

3.2　硬件设计

喷水推进监控系统的设备主要布置在驾驶室、集控室、主机舱及推进泵舱。系统主要功能是采集各操作面板操纵手柄、手轮、开关按钮的命令信号及喷水推进系统运行状态的反馈信号，经遥控控制模块、柴油机调速控制模块和安保控制模块等模块进行逻辑运算处理后，输出控制信号到柴油机、离合器、方向舵和倒航斗，实现喷水推进系统柴油机的起动、停车、转速的调节、离合器的接脱、方向舵的方向及倒航斗喷水流速等控制。

整个系统采用标准化模块组成，控制系统和安全系统均由标准的现场控制模块构成。遥控控制模块、柴油机调速控制模块、安全控制模块等。监测报警系统由标准的现场I/O模块构成，包括开关量输入模块、模拟量输入模块、热电偶模块、热电阻模块及脉冲输入模块等。

表1　系统硬件设备组成

3.3　软件设计

3.3.1软件功能设计

喷水推进监控系统可在驾驶室和集控室进行遥控控制，也可在机旁进行手动控制。机旁的手动控制优先级高于驾驶室和集控室的遥控控制，集控室的遥控控制优先级高于驾驶室的遥控控制。机旁和集控室间的控制权转换只能在机旁进行，集控室和驾驶室间的控制权转换只能在集控室进行，操作部位相互联锁，任何时刻都只能由1个部位操纵。在驾驶室和集控室操作时，可遥控控制柴油机起动或停止(集控时实现)、转速调节、离合器接脱及喷泵的水流速等，驾驶室还可控制方向舵的方向来改变船舶的行进方向。

喷水推进监控系统可接受推进柴油机、离合器及轴系、方向舵及喷泵等系统和设备发出的故障信号，进行故障降速和故障停车等安全保护处理。系统的主要功能如下。

(1)控制系统

操作部位和控制方式：驾驶室、集控室和主机舱等3个操作部位可转换，运行过程中只有一个操作部位操作有效。在驾驶室和集控室可执行遥控自动和半自动控制、主机舱可执行机旁手动控制。方向舵和倒航斗有1套应急操纵板通过硬线直接连接到驾驶室，在遥控系统故障时，可通过应急操纵板改变方向舵和倒航斗位置。

柴油机：启动或停止控制，转速调节控制。

起动联锁：推进器运行前，控制系统采集到限制起动信号，即使有遥控起动的指令也无法起动，部分参数可应急越过控制屏蔽后起动。

接排联锁：控制系统采集到限制接排信号，必须解除接排相应限制才可接排，有些限制可应急越过控制屏蔽后接排。

推进装置启停：推进器在满足运行条件时，可以在集控室执行遥控起动和停车以及接脱排控制。机旁台实行手动起停和接脱排操作。

推力调节：在自动控制方式下，车钟发出车令，控制模块根据车令，结合联控曲线控制柴油机转速和倒航斗的位置，控制船舶的前进 或后退。半自动方式下，可分别调节主机转速和倒航斗位置。

方向调节：驾驶室手轮发出方向调节信号给控制模块，控制模块调节方向舵的位置来改变船舶航行的方向，应急操作板可在紧急情况下直接通过硬线控制方向舵。

限制保护：推进装置在运行过程中设定负荷限制、冒烟限制、最大转速限制、最大油门限制、最低温度转速限制、临界转速避让及泵轮叶片防撞等保护功能限制。

(2)安全保护系统

故障降速：推进系统在运行过程中，安保系统收到任一故障降速原因信号，即刻或按要求延时发出故障降速指令并发出声光报警，使主机转速降低至较低的安全值。

故障停车：推进系统在运行过程中，安保系统收到任一严重故障信号时，即刻或按要求延时发出故障停止指令并发出声光报警，柴油机停车，离合器故障脱排，故障解除切系统复位后可重新起动。

紧急停车：在驾驶室、集控室和主机旁都设有独立的“紧急停车”按钮，这些按钮不受操作部位控制权的限制，可直接使柴油机停止运行，离合器故障脱排，复位后才可重新起动。

(3)监测报警系统

数据采集和传输：通过主机舱的数据采集模块，采集喷水推进装置及辅助设备的传感器信号，传感器信号包括：温度、压力、液位、开关量等，并通过双冗余控制局域网络(Controller Area Network, CAN)由网关模块上传至上位管理机和综合显控模块，以太网也可辅助传输数据，并可将数据传输到全船网络管理平台存盘[6]。

参数显示和报警功能：液晶显示器分页显示每个测点的名称及实际测量值，若超过报警上、下限值时，显示器的报警窗口弹出报警信息，发出声、光报警信号，可进行消声应答处理。实测值在显示器上动态刷新，当检测到传感器故障时，显示器报警窗口弹出传感器故障指示。

图形显示功能：在液晶显示器的人机界面上显示喷水推进系统的模拟图、运转动态图和模拟二次仪表显示。

数据记录与查询功能：具有测量参数、相关控制参数和命令的定时自动记录保存、报警消警即时记录等功能，而且随时可将当前测量参数手动存盘；可查询某一时间保存的测点数据、控制参数和命令，也可查询某一测点的报警历史。

故障自检及诊断功能：每个模块具有通信状态指示、电源指示，在显示器上对系统的电源失电、传感器断线、通讯故障进行自检与报警。

趋势分析：可将历史参数调出来，以曲线显示出来，方便分析比较后得出结论。

故障表：具有强大的数据整理及处理能力，根据时间或故障类别可分类列出。一方面除可自动记录一些报警故障及处理方法，同时可手动输入故障现象、类别及处理方法；另一方面相同船型可同步数据库，分享数据和经验，扩大数据库，便于尽快找到排除故障的方法。基于强大的数据库，发生明显的故障时系统会自动搜索数据库给出提示，也可手动搜索出相同故障现象的发生时间和解决方法。

3.3.2软件性能要求

监控系统的各数据采集模块和各控制模块，对输入、输出的电气信号处理时，既需考虑系统的响应速度，又需采取相应滤波处理，防止输入扰动，进而影响系统控制的稳定性和可靠性；在处理CAN网络信号时，应计算每个单独CAN网的数据流量，在保证稳定性的前提下减小系统数据刷新的时间间隔，提高系统运行的实时性。具体需求见表2。

表2　系统性能需求表

3.4　网络设计

推进监控系统采用数字化网络技术实现系统数据和信息的可靠传输。系统采用开放式、分层式及双冗余结构的网络。推进系统监控装置采用3层网络结构，下层为实时数据采集网和控制网，采用CAN现场总线。上层为数据传送网，分为基于以太网全舰主干网和基于CAN现场总线的上层CAN网。

为保证系统的可靠性，三层网络结构均采用双冗余结构。考虑到系统的生命力和可靠性，将下层网络分为6个相互独立的子网：左轴遥控CAN网、左轴安保CAN网、左轴监测CAN网、右轴遥控CAN网、右轴安保CAN网及右轴监测CAN网。6个下层现场子网相互独立且电气隔离，某个子网故障或损坏，将不影响其他子网正常工作。可保证系统的可靠性与实时性，也保证系统的生命力。各子网通过相应的CAN中继模块将下层网络数据传输至上层CAN网。上层CAN网中有2台上位管理机、驾驶室、机舱及轮机长室的综合显控模块等7个节点，可选择选择部分节点接入船舶的主干网，也可全部节点接入，与其他系统进行信息交互。

喷水推进监控系统上层以太网设备通过交换机接入全船的网络管理系统的主干网，通过主干网实现各上层网设备间的数据传输，可通过4G网络与岸基网络连接，接入岸基的网络管理平台实现远程的实时监控。

3.5　系统功能设计

左、右舷各设置一套独立的推进控制系统，分别控制2套喷水推进装置。2套控制系统功能相同，可在不同的操作模式下工作。

3.5.1柴油机系统监控功能

柴油机是整个推进系统的动力源，对柴油机系统的控制效果直接决定了整个推进系统的性能。柴油机监控系统主要包括柴油机启停系统、柴油机转速监控系统、柴油机配气系统、燃油供给系统、润滑系统及冷却系统等。通过对柴油机各系统的监控及柴油机运行的热工参数的采集来判断柴油机的运行状态，进行综合分析控制。

柴油机起停系统：起动时，打开起动空气气源，将主机吹到发火转速以上，同时打开燃油阀，给定起动油门供油量，保证柴油机则顺利起动。停车时，迅速切断燃油阀，保证机器迅速停机。

柴油机转速监控：利用PID调节器，对柴油机转速进行闭环控制，控制柴油机转速随着负荷的变化稳定在给定转速附近。

3.5.2轴系监控系统功能

轴系系统主要将主机的机械能传递给喷泵，其监控系统包括离合器的监控，轴系润滑监控等。

3.5.3喷水泵监控系统功能

喷水泵主要是将主机传递过来的机械能转换成为喷水的动能，然后通过反冲力推动船舶的运动。监控系统主要对倒航斗、方向舵、管道系统和水泵等系统设备进行监控。

方向舵：根据遥控控制模块的控制命令，与操舵反馈传感器的信号进行比较，运算后把电信号送入电液换向阀，从而驱动操舵油缸。

方向舵备用控制：根据驾驶室备用操纵板的手动按钮，将信号发送至操舵油缸的液压控制系统，驱动操舵油缸，实现开环控制。当方向舵失效时，可通过备用控制保证船舶航向的可控性。

斗位控制：根据遥控控制模块的控制命令，与倒车斗反馈传感器的信号进行对比，运算后把电信号送入电液换向阀，驱动倒车斗油缸。

斗位备用控制：根据喷泵机旁的备用操纵板的手动按钮，直接将信号发至驱动倒车斗油缸的液压控制系统，驱动倒车斗油缸，实现开环控制。当斗位控制遥控失效时，可保持动力输出，保证船舶不失去动力。

管道系统监控：主要是对管道系统进行监控，监控对象主要包括进水口、进水格栅、扩散管、推进水泵进流弯管、出流弯管和喷口等。

润滑与密封系统：主要是对轴承润滑和密封进行监控。

4　结　语

以喷水推进监控系统为研究对象，通过对1套喷水推进监控系统的介绍，为喷水推进监控系统的设计和发展提供一定的指导意义。随着控制技术、计算机技术和大数据理论等的不断发展，喷水推进监控系统的发展得到了更多技术支持，也对喷水推进监控系统设计提出了更高的要求。

参考文献：

[1]金平仲．船舶喷水推进[M]．北京：国防工业出版社，1986．

[2]孔庆福，吴家明，曾凡明．船舶喷水推进系统数学建模及仿真研究[J]．船舶工程,2006(2)：12-15．

[3]郭庆祝，任光．基于 CAN 现场总线的船舶机舱分布式监控系统的研究[J]船电技术，2005(4)：18-23．

[4]孔庆福，吴家明，贾野，等．舰船喷水推进技术研究[J]．舰船科学技术，2004(6)：28-30．

[5]ALLISON J,JIANG C B. Modern Tools for Waterjet Pump Design and Recent Advances in the Field[R]. RINA: Proceedings of International Conference on Waterjet Propulsion，1998.

[6]王晓初,徐亮,龚征华,等．喷水推进上位机监控系统ARM设计与实现[J].自动化学报,2016(3):42-46.