一种船舶柴、电推进模式动态切换控制系统及方法与流程

本发明涉及船舶自动化，特别涉及一种基于hj标准化硬件的船舶柴、电推进模式动态切换控制系统及方法。

背景技术：

1、伴随着现代船舶专精领域越来越细分，功能越来越专业化的发展方向，一些复杂的推进系统得以在实船上投入应用，以实现某些专业性较强的船舶对推进系统的特殊要求，混合动力推进系统便是其中的一个发展方向。柴电混合动力系统可以利用柴油机、电动机各自的特点，满足不同工况下对推进系统的操纵性、安全性和机动性的不同要求，在一些专业船舶上得到了应用。

2、同时，采用柴电混合动力系统也导致控制对象复杂、控制难度大、涉及的环节多，尤其是柴油机和电动机还需要推进系统根据工况对船舶柴电推进模式进行动态切换，这对具体实施控制策略的推进系统控制单元提出了较高的要求，而柴油机和电动机的额定转速和额定功率相差较大，调速特性和机械特性也不尽相同，一般具有相同特性的同型号柴油机之间并联运行或同型号电动机之间并联运行的控制方法、策略无法满足要求，而且并联过程控制一旦有所失当，轻则导致并联过程无法平稳快速地过渡，进而致使推进模式转换失败，重则引发严重故障导致柴油机或电动机故障停机，这就对主导这一过程的控制单元的性能提出了挑战。

3、目前，国内有柴、电推进模式动态切换需求的船舶尚属少数，而这些船舶的柴、电推进模式动态切换的控制单元不能兼顾普适性以及稳定性，所以一种新型的船舶柴、电推进模式动态切换的控制单元亟待提出。

技术实现思路

1、为解决目前主导船舶柴电推进模式进行动态切换这一过程的控制单元不能兼顾普适性以及稳定性等问题，本发明提出了一种新型的船舶柴、电推进模式动态切换控制系统，是以采用hj标准化硬件为前提的，配合船载的推进器遥控装置、电动机变频器、柴油机电控系统，可以动态控制船舶柴、电推进模式切换的，承载于通用监控单元机架上的控制系统，标准化程度高，运行安全稳定。本发明还涉及一种船舶柴、电推进模式动态切换控制方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种船舶柴、电推进模式动态切换控制系统，其特征在于，包括均基于hj标准化硬件的机架、现场控制模块、输入模块、输出模块和通讯模块，所述现场控制模块、输入模块、输出模块和通讯模块均安装于机架上并通过机架上的总线相互连接，所述机架为通用监控单元且机架还设置用于对外连接接线箱端子的引出接口，所述接线箱再连接船舶配套设备，所述船舶配套设备包括推进器遥控装置、电动机变频器、柴油机电控系统和齿轮箱电控箱；

4、所述现场控制模块，控制柴油机转电动机推进模式动态切换以及控制电动机转柴油机推进模式动态切换；具体地，控制柴油机转电动机推进模式动态切换包括先控制柴油机电控系统将柴油机转速降低至电动机允许的范围内并通知推进器遥控装置当前处于推进模式切换中，检测柴油机燃油齿条位置以确认柴油机实际输出功率在设定功率阈值内，请求电动机备车并在备车就绪的信号后将电动机变频器的控制模式设置为转速调节模式，并得到电动机变频器对控制模式设置成功的确认，再向电动机变频器发出电动机遥控启动指令，并将电动机的转速指令设置为低于此时接排的柴油机的实际转速，在电动机转速调节到位后将电动机变频器的设置为功率调节模式，并得到电动机变频器对控制模式设置成功的确认，通过变频器调节电动机的功率，开始功率转移过程，不断增加电动机的设定功率将推进轴系上的输出功率从柴油机转移到电动机上，通过检测柴油机燃油齿条位置确认柴油机的负载，当柴油机燃油齿条位置低于设定位置阈值时，发出摩擦片离合器脱排的指令，通过反馈信号确认柴油机脱排后，将变频器控制模式设置为转速控制模式，并向电动机变频器确认控制模式转换成功，柴油机成功脱排并且变频器控制模式转为转速控制模式后，柴油机停机，推进模式自动转换成功；

5、控制电动机转柴油机推进模式动态切换包括先调节电动机转速高于柴油机最低稳定转速一个设定转速阈值并通知推进器遥控装置当前处于推进模式切换中，检测电动机的功率反馈以确认电动机负载在一个预定负载阈值内，遥控启动柴油机并通过遥控指令调节柴油机转速为高于电动机的转速，向齿轮箱电控箱发出摩擦片式离合器的接排指令使其接合，柴油机承担起推进轴系的功率输出，且柴油机转逐渐稳定为接排前的转速，并高于此时电动机的转速，在收到sss自动同步式离合器脱排反馈后，电动机降速直至停机，推进模式自动转换成功；

6、所述输入模块包括电压电流输入模块，所述电压电流输入模块具有采集多路模拟电压、电流信号并转换成数字量通过can总线接口进行发布的功能，并对柴油机反馈转速接口、柴油机/电动机功率反馈信号接口、推进器遥控装置转速指令接口进行信号传递和接口处理；

7、所述输出模块包括电压电流输出模块，所述电压电流输出模块具有通过can总线接口接收数据来实现多路电压电流模拟量输出的功能，并通过对柴油机的遥控调速指令接口和对推进器遥控装置的柴油机/电动机的转速、功率状态反馈信号接口进行信号传递和接口处理；

8、所述通讯模块具有在不同can网络间进行互联以及中继通讯的功能，接收来自柴油机can网络的状态信息，并提供can总线通讯接口，以及将机架总线上的信息通过can总线发送到其他系统。

9、优选地，所述现场控制模块与柴油机电控系统的起停指令通过无源触点传递，转速指令通过4～20ma电流输出传递，柴油机的状态反馈通过can通讯总线连接传递；现场控制模块与电动机变频器的指令与反馈信息通过rs485总线连接传递；现场控制模块与推进器遥控装置的转速指令与反馈信息通过4～20ma电流输入与输出传递，其他状态信息通过无源触点传递；现场控制模块与齿轮箱电控箱通过无源触点传递指令与反馈信息。

10、优选地，所述现场控制模块与推进器遥控装置传递的其他状态信息包括柴油机与电动机的运行状态、接脱排状态、控制位置、推进器联锁信息、安保状态、超负荷信息以及双机切换过程中信号。

11、优选地，所述输入模块还包括电开关量输入模块，所述开关量输入模块具有对开关量进行采集和处理并通过can总线接口上传数据的功能，并通过连接外部按键指令接口进行信号传递和接口处理；所述输出模块还包括开关量输出模块，所述开关量输出模块具有通过can总线接口接收数据来实现多路开关量输出的功能，并对推进器遥控装置的柴油机/电动机部分状态反馈信号接口和指示灯信号接口进行信号传递和接口处理。

12、优选地，所述现场控制模块分别通过控制柴油机电控系统和电动机变频器来遥控柴油机和电动机，通过控制柴油机电控系统提供柴油机转速的闭环控制，通过控制电动机变频器执行转速控制和功率控制两种控制模式，执行转速控制模式时包括对电动机变频器的转速调节指令以及执行功率控制模式时包括对电动机变频器的功率调节指令。

13、优选地，所述现场控制模块传递接排、脱排指令给齿轮箱电控箱进而控制减速齿轮箱中柴油机侧的摩擦式离合器接合和脱开；而电动机侧的sss自动同步式离合器是通过输入轴和输出轴的转速差接合和脱开，不受现场控制模块的直接控制，而是向现场控制模块发送sss自动同步式离合器脱排反馈信号。

14、一种船舶柴、电推进模式动态切换控制方法，其特征在于，所述方法采用hj标准化硬件为前提，配合船载的推进器遥控装置、电动机变频器、柴油机电控系统以及齿轮箱电控箱，并包括控制柴油机转电动机推进模式动态切换以及控制电动机转柴油机推进模式动态切换的两种控制流程策略，通过分别控制柴油机电控系统和电动机变频器来遥控柴油机和电动机，通过控制柴油机电控系统提供柴油机转速的闭环控制，通过控制电动机变频器执行转速控制和功率控制两种控制模式；且在执行推进模式转换的控制流程策略时以对电动机及其变频器的控制指令调节为主，当电动机变频器处于功率控制模式时，电动机与柴油机通过齿轮箱并联，然后视推进功率需要转移的方向，调节对电动机变频器的功率指令，使电动机负荷增加或减少，一旦功率转移完成特定进度便启动脱开转换前推进模式对应的离合器进而实现由一种推进模式到另一种推进模式的切换过程。

15、优选地，控制柴油机转电动机推进模式动态切换包括先控制柴油机电控系统将柴油机转速降低至电动机允许的范围内并通知推进器遥控装置当前处于推进模式切换中，检测柴油机燃油齿条位置以确认柴油机实际输出功率在设定功率阈值内，请求电动机备车并在备车就绪的信号后将电动机变频器的控制模式设置为转速调节模式，并得到电动机变频器对控制模式设置成功的确认，再向电动机变频器发出电动机遥控启动指令，并将电动机的转速指令设置为低于此时接排的柴油机的实际转速，在电动机转速调节到位后将电动机变频器的设置为功率调节模式，并得到电动机变频器对控制模式设置成功的确认，通过变频器调节电动机的功率，开始功率转移过程，不断增加电动机的设定功率将推进轴系上的输出功率从柴油机转移到电动机上，通过检测柴油机燃油齿条位置确认柴油机的负载，当柴油机燃油齿条位置低于设定位置阈值时，发出摩擦片离合器脱排的指令，通过反馈信号确认柴油机脱排后，将变频器控制模式设置为转速控制模式，并向电动机变频器确认控制模式转换成功，柴油机成功脱排并且变频器控制模式转为转速控制模式后，柴油机停机，推进模式自动转换成功；

16、控制电动机转柴油机推进模式动态切换包括先调节电动机转速高于柴油机最低稳定转速一个设定转速阈值并通知推进器遥控装置当前处于推进模式切换中，检测电动机的功率反馈以确认电动机负载在一个预定负载阈值内，遥控启动柴油机并通过遥控指令调节柴油机转速为高于电动机的转速，向齿轮箱电控箱发出摩擦片式离合器的接排指令使其接合，柴油机承担起推进轴系的功率输出，且柴油机转逐渐稳定为接排前的转速，并高于此时电动机的转速，在收到sss自动同步式离合器脱排反馈后，电动机降速直至停机，推进模式自动转换成功。

17、优选地，控制柴油机电控系统的起停指令通过无源触点传递，转速指令通过4～20ma电流输出传递，柴油机的状态反馈通过can通讯总线连接传递；控制电动机变频器的指令与反馈信息通过rs485总线连接传递；控制推进器遥控装置的转速指令与反馈信息通过4～20ma电流输入与输出传递，其他状态信息通过无源触点传递；控制齿轮箱电控箱通过无源触点传递指令与反馈信息。

18、优选地，通过传递接排、脱排指令给齿轮箱电控箱进而控制减速齿轮箱中柴油机侧的摩擦式离合器接合和脱开；而电动机侧的sss自动同步式离合器是通过输入轴和输出轴的转速差接合和脱开，不受外部控制指令的直接控制，而是在接合和脱开后反馈接排和脱排信号。

19、本发明的有益效果为：

20、本发明提出一种新型的船舶柴、电推进模式动态切换控制系统，是以采用hj标准化硬件为前提的，配合船载的推进器遥控装置、电动机变频器、柴油机电控系统以及齿轮箱电控箱，可以动态控制船舶柴、电推进模式切换的，承载于通用监控单元机架上的控制系统，包括机架以及均安装于机架上并通过机架上的总线相互连接的现场控制模块、输入模块、输出模块和通讯模块，机架为通用监控单元且机架还设置用于对外连接接线箱端子的引出接口，接线箱再连接船舶配套设备，船舶配套设备包括推进器遥控装置、电动机变频器、柴油机电控系统和齿轮箱电控箱。现场控制模块，控制柴油机转电动机推进模式动态切换以及控制电动机转柴油机推进模式动态切换，形成特定逻辑的控制流程策略，具有信号处理、控制输出、控制网络通讯、故障报警等功能，在本发明中作为控制系统的核心处理模块，它负责了部分信号的接收与指令的输出处理，以及全部输入信号、输出指令、内部标志与参数的分析和判断，并承担了与变频器的rs485通讯功能。输入模块与输出模块采用hj标准化硬件的现场io模块，负责与各外接配套设备之间的信号转化与信号传递；通讯模块可采用hj标准化硬件的can中继模块，负责在不同can网络间进行互联以及中继通讯。各模块相互配合从而实现对船舶柴、电推进模式之间的动态切换，运行安全稳定，解决了目前主导船舶柴电推进模式进行动态切换这一过程的控制单元不能兼顾普适性以及稳定性的问题；并且本发明所有模块均选用hj标准化硬件，使得该控制系统可以应用于更多现有的拥有柴电推进转换需求的船舶，适用性强，填补了目前行业中由于各个硬件适配性不好导致的空白，该现场控制模块在满足采用hj标准化硬件(或称为海军标准化硬件)的同时，还满足国标与国军标，可以应用于海军舰艇；此外，本发明采用了低磁化设计，经国家认可的磁性检测厂所检测满足本项目设备磁性检测技术条件的要求，并且在设计制造过程中充分考虑到了冲击防护，设备经试验检测满足本项目研制要求中对双波冲击试验考核要求，满足实际应用场景的需要。

21、本发明还涉及船舶柴、电推进模式动态切换控制方法，该方法与上述的船舶柴、电推进模式动态切换控制系统相对应，可理解为是上述船舶柴、电推进模式动态切换控制系统的实现方法，采用hj标准化硬件为前提，配合船载的推进器遥控装置、电动机变频器、柴油机电控系统以及齿轮箱电控箱，并包括控制柴油机转电动机推进模式动态切换以及控制电动机转柴油机推进模式动态切换的两种控制流程策略，通过分别控制柴油机电控系统和电动机变频器来遥控柴油机和电动机，通过控制柴油机电控系统提供柴油机转速的闭环控制，通过控制电动机变频器执行转速控制和功率控制两种控制模式；且在执行推进模式转换的控制流程策略时以对电动机及其变频器的控制指令调节为主，当电动机变频器处于功率控制模式时，电动机与柴油机通过齿轮箱并联，然后视推进功率需要转移的方向，调节对电动机变频器的功率指令，使电动机负荷增加或减少，一旦功率转移完成特定进度便启动脱开转换前推进模式对应的离合器进而实现由一种推进模式到另一种推进模式的切换过程，解决了目前主导船舶柴电推进模式进行动态切换这一过程的控制单元不能兼顾普适性以及稳定性的问题，标准化程度高，运行安全稳定，能够平稳快速地实现柴油机、电动机的动态切换，填补了行业空白。