Wyższa Szkoła Morska w Szczecinie

Zakład Automatyki Okrętowej

Praca kontrolana z przedmiotu:

Automatyka okrętowa

Pracę wykonał

Emil Moskal

IV Mz

Szczecin 2001

1. Struktura i własności cyfrowego układu pomiarowego wybranej wielkości nieelektrycznej.

Istnieje wiele typów cyfrowych układów pomiarowych w zależności od zastosowań i możliwości technologicznych. Przyjmijmy, że mierzymy w torze pomiarowym wartość zmiennego ciśnienia (rys. 1), np.: ciśnienie w komorze spalania silnika okrętowego. Układ taki może składać się z:

• czujnika pomiarowego;

• algorytmu przetwarzania danych;

• przetwarzania A/C;

• cyfrowej filtracji zakłóceń;

• analizy wyników;

• wnioskowania diagnostycznego.

Czujnik pomiarowy ma wpłya na jakość i dokładność pomiarów. Zawsze wybór czujnika jest kompromisem pomiędzy łatwością i szybkością pomiaru oraz ceną.

Rys. 1. Algorytm przetwarzania sygnałów w opisanym torze pomiaru ciśnienia

Kolejnym blokiem jest algorytm przetwarzania danych, który ma znaczenie dla szybkości i dokładności przetwarzania informacji. Wstępna transformacja np.: wzmocnienie sygnału pozwala na dalszą obróbkę sygnału, a mianowicie przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy. Dalej następuje filtracja cyfrowa, której zadaniem jest eliminacja zakłóceń. Jest to konieczne zarówno ze względu na dokładność i skuteczność pomiaru. Dalej następuje analiza wyników, a mianowicie analiza poprawności pomiaru, określenie błedów pomiarowych, wyznaczenie wartości statystycznych oraz ostatecznie przetworzenie wyników ich archiwizacja oraz wizualizacja. Ostatecznie z pomocą sprzętu elektronicznego lub tylko poprzez udział człowieka następuje wnioskowanie diagnostyczne.

Rys. 2. Analogowo-cyfrowy układ pomiarowy

Pośród systemów pomiarowych zarówno wielkości analogowych jak i cyfrowych można wykorzystywać układy komputerowe jako szczególny przypadek cyfrowych układów pomiarowych. Pomiary związane z kontrolą i badaniami maszyn oraz procesów są z reguły złożone. Wynika to z faktu, że wielu wielkości fizycznych wystepujących w tych badaniach nie można mierzyć bezpośrednio (zarówno wielkości nieelektrycznych jak i elektrycznych) .Wyznacza się je na podstawie pomiarów innych łatwiej mierzalnych wielkości, dokonując odpowiednich przeliczeń. Często pomiary muszą być wielokrotnie powtarzane np.: w celu stwierdzenia istnienia ustalonego stanu cieplnego bądź konieczności uśrednienia wyników z pewnego okresu pomiarowego. W takich przypadach bardzo przydatne stają się komputerowe układy zbierania danych. Przykład analogowo-cyfrowego układu pomiarowego przedstawiono na powyższym schemacie blokowym (rys. 2). Systemy te oparte są o jednostki komputerowe różnych typów. Z uwagi na powszechność komputerów klasy PC (zainicjowanej przez IBM na bazie rodziny procesorów Intel xxx86) oraz ich otwartą architekturę są one często używane w systemach pomiarowych.

Zbieranie danych w postaci cyfrowej jest przeprowadzane w celu rejestracji, przesyłania oraz przetwarzania. Dane mogą być rejestrowane w postaci prostej tj. w takiej w jakiej pochodzź z czujników pomiarowych, bądź w formie przetworzonej zgodnie z określonymi formułami. Moga one byc przesyłane do pamięci operacyjnej komputera lub też przenoszone na nośniki umożliwiające trwałe ich zapamiętanie w celu późniejszej analizy np.: na nośniki magnetyczne lub magnetyczno-optyczne(FDD, HDD, kasety, szpule, dyski MO itp.) lub inne (CD, karty perferowane, kości pamięci SIMM lub DIMM, karty PCMCIA itp.). Przetwarzanie zbieranych danych cyfrowych może czasem polegać na prostym porównaniu z zadanymi wartościami, lecz często składa się ze skomplikowanych działań, takich jak np.: obróbka statystyczna (określenie średniej, wariancji, błędów pomiarowych itp.) bądź wyodrębnienie sygnałów pomiarowych z sygnałów zakłóconych szumami (filtracja, wzmocnienie itp.) na drodzeodpowiednich operacji matematycznych. Na ogół celem przetwarzania jest uzyskanie informacji uźytecznej do sterowania i wizualizacji procesów.

Do wykonania powyższych funkcji konieczne jest przetworzenie sygnału analogowego na cyfrowy w przetworniku analogowo-cyfrowym A/C (rys. 3). Przetworniki mogą znajdować się bezpośrednio w bloku czujnika, stanowić oddzielny blok bądź stanowić element komputera PC (karty pomiarowe A/C - ang. A/D Analog to Digital Converter).

Rys. 3. Przetwarzanie sygnałów analogowych

W układach pomiarowych z regóły mamy do czynienia z sygnałami zmieniającymi się w czasie. Pobieranie i przetwarzanie próbek napięcia następuje w wybranych chwilach na ogół periodycznie z pewną częstotliwością, zwaną częstotliwością próbkowania. Podczas trwania konwersji w przetworniku A/C wartość sygnału wejściowego może ulec zmianom, co spowoduje powstanie pewnego błędu o wartości zależnej od wzajemnej relacji szybkości zmian sygnału i szybkości przetwarzania. W celu uniknięcia tego błędu, szczególnie przy przetwarzaniu napięć szybkozmiennych, stosuje się układ próbkujący z pamięcią, który umieszczony przed przetwornikiem utrzymuje stałą wartość sygnału podczas przetwarzania.

Ważnym zagadnieniem jest okręlenie minimalnej częstotliwości próbkowania zapewniającej pełne odtworzenie sygnału analogowego po przetworzeniu go na postać cyfrową. Problem ten został teoretycznie rozwiązany przez C. Shannona oraz W. Kotielnikowa i sformułowany w postaci tzw. prawa próbkowania. Mówi ono, że cała informacja zawarta w sygnale ciągłym zmieniającym się w czasie może być wyrażona w postaci kolejnych próbek cyfrowych jego wartości, jeżeli częstotliwość próbkowania jest co najmniej dwukrotniewiększa od maksymalnej częstotliwości występującej w widmie sygnału.

Przed czujnikiem A/C z regóły znajdują się układy dopasowujące sygnał z czujnika do warunków pracy przetwornika. Są to m.in. układy wzmacniające, filtrujące i przesuwające poziom mierzonego napięcia. W celu umożliwienia pomiarów sygnałów pochodzących z wielu czujników konieczne jest stosowanie kilku przetworników A/C lub multiplaksera.

Wraz z rozwojem techniki cyfrowej i komputerowej powstały różnorodne systemy zbierania danych, o różnych rozwiązaniach i możliwościach, głównie dla potrzeb laboratoriów badawczych i sterowania procesami przemysłowymi (akwizycja danych do baz danych, systemy SCADA, VI itp.).

Pierwszym skomputeryzowanym systemem pomiarowym, który został znormalizowany na skalę międzynarodową był ststem CAMAC (an. Computer Aided Measurement And Control). System ten powstał w latach 60-tych z przeznaczeniem dla laboratoriów zajmujących się techniką jądrową. Normy dotyczące CAMAC nie definiują konkretnego systemu pomiarowego, lecz są zbiorem regół, wedłóg których można zbudować system spełniający określone fukkcje.Reguły te opracowane przez ESONE zostały przetłumaczone m.in. na język polski i wydane w postaci zestawu norm. Na tej bazie mogą być rozwijane współczesne systemy pomiarowe oparte o komputery osobiste PC. Postęp w technikach informatycznych i popularność komputerów PC dają siłę napędową do ciągłego doskonalenia sprzętu (coraz szybsze procesory np.: Inter Pentium IV, nowe coraz szybsze magistrale i szyny danych np.: Fire Wire, coraz bardzioej pojemne pamięci masowe np.: HDD 40 GBa itp.) oraz oprogramowania (systemy SCADA np.: ASIX, systemy przemysłowych baz danych.: np: Industrial SQL, różnorodne pakiety wspomagające pomiary, sterowanie i symulacje np: NI LabView, Lab Windows itp.) pod kątem użycia ich w miernictwie.

2. Porównać układy elektrowni okrętowych podstawowych zalecanych przez przepisy o automatyzacji w zastosowaniu do dowolnie wybranego statku. Omówić te układy, wyeksponować zalety i wady oraz wyciągnąć wnioski.

Przepisy PRS dla elektrowni podstawowych

Przepisy zalecają, aby w elektrowniach podstawowych, które by nie dopuszczały do powstania zakłóceń w zasilaniu energią elektryczną, mogących spowodować utratę zdolności manewrowych statku.

Jeżeli statek ma otrzymać klasę nadawaną przez PRS i spełnić wymagania, przepisy PRS dopuszczają do stosowania jednego z niżej podanych rozwiązań dla podstawowych elektrowni okrętowych:

1. automatyczne uruchamianie i włączanie rezerwowego źródła zasilania energią elektryczną ze zwłoką nie przekraczającą 30 sekund.

2. zasilanie energią elektryczną z dwóch źródeł pracujących równolegle, z których każde powinno mieć moc znamionową pokrywającą zapotrzebowanie mocy odbiorów ważnych.

3. obsługę siłowni przez załogę w przypadkach uznanych za konieczne.

Są to wymagania minimalne i jeżeli są spełnione to statek może otrzymać klasę ze znakiem w symbolu klasy mówiącym o stopniu zautomatyzowania. Przepisy PRS przewidują symbol tylko dla statków z siłownią bezwachtową i dopiero wtedy mówi się o statku zautomatyzowanym.

Układ „black out”

Rozwiązanie pierwsze jakie proponują przepisy jest to popularnie zwany układ elektrowni „black out” i najczęściej dziś stosowany jako rozwiązanie zadowalające, uzyskiwane stosunkowo niedużym nakładem inwestycyjnym. . Jest to rozwiązanie tanie , jednak dalekie od ideału , ponieważ dopuszcza przerwę w dostawie energii elektrycznej . Przerwa może trwać do 30 sekund . W czasie przerwy wyłączają się napędy elektryczne , statek traci możliwość sterowania i gaśnie oświetlenie . Włączane zostaje natomiast oświetlenie awaryjne , które zasilane jest z awaryjnego źródła zasilania , najczęściej z baterii akumulatorów . Jako awaryjne źródło zasilania stosuje się również awaryjny zespół prądotwórczy . Jego uruchomienie nie następuje jednak bezpośrednio po zaniku napięcia , wskutek zatrzymania się agregatu podstawowego . Uruchomienie agregatu awaryjnego następuje po około 15 s. od chwili zaniku napięcia . Jest to więc najdłuższa przerwa jaka może powstać w praktyce . Opóźnienie to spowodowane jest wykluczeniem równoczesnego włączenia się do pracy agregatu awaryjnego i rezerwowego agregatu elektrowni podstawowej utrzymywanego w tzw. „ gorącej rezerwie ” .

Elektrownia podstawowa typu „ black out ” wyposażona jest w dwa lub trzy duże zespoły prądotwórcze . Moc każdego z generatorów musi w pełni pokrywać zapotrzebowanie statku na energię elektryczną i to w każdych warunkach w jakich może się znajdować statek , zarówno podczas manewrów jak i jazdy morskiej . W ciągłej pracy znajduje się tylko jeden agregat który pracuje na sieć . W tego typu elektrowni nie przewiduje się pracy równoległej agregatów . Podczas gdy jeden zespół prądotwórczy pracuje , drugi rezerwowy pozostaje w tzw. „ gorącej rezerwie” (standby) . Określenie to oznacza utrzymanie silnika spalinowego zespołu prądotwórczego w stanie pełnej gotowości do ruchu , czyli jest on podgrzewany do temperatury wymaganej przed rozruchem oraz uruchamiana jest cyklicznie pompa wstępnego smarowania , na przykład : pompa pracuje przez trzy minuty co dwadzieścia minut .

W przypadku zatrzymania agregatu podstawowego i zaniku napięcia na szynach głównej tablicy rozdzielczej , uruchomiony zostaje zespół prądotwórczy utrzymywany w „ gorącej rezerwie ” (standby) .

Układ automatyki dopuszcza dwukrotne ponowienie próby uruchomienia agregatu rezerwowego po pierwszym nieudanym rozruchu . Jeżeli po trzech próbach agregat ten nie zacznie poprawnie pracować i produkować energii elektrycznej , a elektrownia jest wyposażona w trzeci zespół prądotwórczy włączony do systemu jako „ next standby ” , podjęta zostaje przez system automatyki próba uruchomienia trzeciego zespołu prądotwórczego . Przy starcie trzeciego agregatu również dopuszcza się trzy próby uruchomienia , jakie może podjąć system automatyki sterujący zespołami prądotwórczymi . W przypadku niepowodzenia , uruchomiony zostaje agregat awaryjny .

Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych wymagają dla elektrowni , dopuszczającej przerwę w dostawie energii elektrycznej , układu selektywnego włączania mechanizmów ważnych , po odbudowie napięcia w sieci okrętowej . Układ ten , ustala z góry zaplanowaną kolejność załączania się mechanizmów okrętowych po ponownym pojawieniu się napięcia .

W pierwszej kolejności załączane są mechanizmy podtrzymujące ruch silnika głównego oraz mechanizmy zapewniające manewrowość statku . Automatycznie , po powrocie napięcia , załączają się urządzenia sterowe oraz oświetlenie . Selektywność , czyli kolejność załączania , jest konieczna ze względu na to , że niektóre odbiory na statku są odbiorami o dużych mocach. Jednoczesne ich załączenie spowodowałoby przeciążenie zespołu prądotwórczego , a w konsekwencji jego wyłączenie lub uszkodzenie .

Kontrolę parametrów pracy zespołów prądotwórczych realizuje układ alarmowy oraz układ bezpieczeństwa . Obydwa systemy zabezpieczają zespoły prądotwórcze przed przeciążeniem i uszkodzeniem . Po przekroczeniu ustalonych parametrów pracy zespołów układ alarmowy powoduje włączenie akustycznej oraz optycznej sygnalizacji alarmowej . Jeżeli zostaną przekroczone dopuszczalne parametry chronione przez układ bezpieczeństwa , powoduje on zatrzymanie agregatów .

Układ alarmowy sygnalizuje przekroczenia następujących wartości granicznych parametrów :

• wysoka temperatura wody chłodzącej

• wysoka temperatura oleju smarnego

• niskie ciśnienie oleju smarnego

• brak przepływu wody chłodzącej

• trzykrotny nieudany rozruch

• przeciążenie zespołu - występuje alarm ( alarm pochodzi od układu Mayera - następuje wyłączanie odbiorów mniej ważnych )

• minimalny poziom w zbiorniku rozchodowym paliwa

• przeciek paliwa w rurociągu wysokiego ciśnienia

• minimalna wartość oporności izolacji

• minimalna wartość napięcia

• maksymalna wartość napięcia

• minimalna oraz maksymalna wartość częstotliwości

• maksymalny prąd obciążenia

• minimalny prąd zwarcia

• maksymalna wartość mocy zwrotnej

Układ bezpieczeństwa zatrzymuje zespół prądotwórczy w wypadku :

• niskie ciśnienie oleju smarnego - powoduje natychmiastowe zatrzymanie

• wysoka temperatura wody chłodzącej - powoduje zatrzymanie zespołu z opóźnieniem 30 sek.

• wysoka temperatura oleju smarnego - powoduje zatrzymanie zespołu z opóźnieniem 15 sek.

• brak przepływu wody chłodzącej - powoduje natychmiastowe zatrzymanie zespołu

Układ dwóch zespołów prądotwórczych

Rozwiązanie drugie jakie proponują przepisy PRS, jest rozwiązaniem zapewniającym dostawę energii elektrycznej przez elektrownię podstawową w sposób pewniejszy w porównaniu z rozwiązaniem powyższym i właściwie nie dopuszczającym do przerw w dostawie energii elektrycznej. W układzie tym dwa zespoły prądotwórcze pracują stale równolegle. Ich obciążenie jest poniżej ekonomicznego. Ponadto musi być trzeci zespół prądotwórczy jako rezerwowy. I to decyduje o tym, że układ taki jest droższy. Same zespoły prądotwórcze są tańsze, gdyż wymaga się by każdy z nich pokrywał zapotrzebowanie tylko na mechanizmy i urządzenia ważne, jednak muszą być trzy i w sumie wymagają większych nakładów inwestycyjnych. Zespoły prądotwórcze w normalnej eksploatacji są niedociążone z uwagi na to, że moc jest dobierana dla pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną przez urządzenia ważne a udział mocy potrzebnej dla mechanizmów ważnych przy doborze generatorów jest przeważający.

Układ taki zapewnia dostawę energii elektrycznej w sposób nie dopuszczający do zaniku napięcia, ponieważ na wypadek awarii jednego z dwóch pracujących zespołów i jego wyłączenia się, pozostaje zespół drugi i zapewnia pracę urządzeń ważnych. Naturalnie przy awarii jednego z zespołów drugi zostaje przeciążony i jego układ Mayera wyłącza odbiory mniej ważne, odciążając go w ten sposób.

W takim wypadku występuje alarm dla załogi maszynowej która stwierdza przyczynę awarii, uruchamia i włącza do pracy równoległej następny zespół prądotwórczy. Po usunięciu awarii siłownia dalej kontynuuje pracę bezwachtową. Przy takim rozwiązaniu elektrowni podstawowej, podobnie jak przy rozwiązaniu „black out” musi być zastosowany układ kontrolny.

Inne rozwiązania

Rozwiązanie trzecie jest właściwie wariantem dodatkowym dla poprzednich rozwiązań. Jeżeli po zrealizowaniu układu elektrowni podstawowej wg jednego z dwóch rozwiązań okaże się, że moc zespołu prądotwórczego lub zespołów przy pracy równoległej przy rozwiązaniu „black out” jest niewystarczająca w pewnych okolicznościach np. : w czasie manewrów i zachodzi potrzeba włączenia do pracy równoległej następnego zespołu prądotwórczego aby umożliwić normalną eksploatację, to właśnie wówczas ma zastosowanie trzecie rozwiązanie. Jest to pewnym ograniczeniem w klasie, gdyż w świadectwie klasy wpisana będzie klauzula „ w czasie manewrów musi być obsługa w siłowni”.

Obsługa jest konieczna w siłowni z uwagi na to, że układy wg. tych rozwiązań nie mają automatycznej synchronizacji, jak również nie mają bloku automatycznego rozkładu mocy i potrzebny jest członek załogi do włączenia następnego zespołu prądotwórczego do pracy równoległej.

Elektrownie kompleksowe

Obecnie są stosowane rozwiązania elektrowni podstawowych o stopniu zautomatyzowania dużo większym i takie w pełni zautomatyzowane elektrownie nazywa się elektrowniami kompleksowymi (kompleksowo zautomatyzowanymi). Elektrownia kompleksowa składa się z kilku zespołów prądotwórczych, uruchamianie automatyczne i włączanie do pracy zespołów odbywa się na sygnał z układów automatyki np. : przekroczenie pewnego pułapu mocy, kiedy zapotrzebowanie na moc rośnie powoduje wysłanie sygnału do uruchomienia następnego zespołu prądotwórczego. W ten sposób, jeżeli zajdzie konieczność, mogą uruchamiać się wszystkie zespoły wg z góry założonej i nastawionej kolejności. Podobnie jest rozwiązane wyłączanie zespołów prądotwórczych przy spadku zapotrzebowania na energię elektryczną. Impuls na odstawienie kolejnego zespołu jest uzależniony od przekroczenia ustalonej dolnej granicy mocy. O tym który z zespołów ma być wyłączony z pracy decyduje zaprogramowana kolejność. Program sterujący będzie uzależniał pracę zespołów od wypracowanych godzin przez poszczególne zespoły tak by wszystkie zużywały się równomiernie. Program ten przed uruchomieniem dużego odbioru może analizować rezerwę mocy. Jeżeli rezerwa jest zbyt mała to odbiór nie zostanie włączony a program poda sygnał na włączenie do pracy równoległej następnego zespołu a dopiero po jego wejściu do pracy pozwoli na włączenie odbioru. Elektrownie podstawowe kompleksowo zautomatyzowane zawsze posiadają bloki synchronizacji dla każdego zespołu prądotwórczego oraz bloki rozkładu mocy czynnej również zautomatyzowane.

Praca bezwachtowa elektrowni okrętowej

Dla zapewnienia pracy bezwachtowej zespoły prądotwórcze muszą być wyposażone w następujące układy automatyki :

1. Silnik spalinowy

• regulator obrotów z możliwością zdalnego zadawania prędkości obrotowej i możliwością zdalnego zatrzymania

• ogranicznik dawki paliwa

• prądnica tachometryczna

• czujnik obrotów zapłonowych

• czujnik obrotów około synchronicznych

• czujnik poziomu oleju w karterze

• czujnik temperatury spalin

2. Obiegi pomocnicze silnika

• czujnik niskiego poziomu paliwa w zbiorniku rozchodowym

• czujnik różnicy ciśnień na filtrach (oleju , paliwa)

• czujnik poziomu w zbiorniku przecieków paliwa

• czujnik ciśnienia oleju smarnego dla sterowania

• czujnik temperatury oleju smarnego dla sterowania

• czujnik ciśnienia oleju smarnego dla układu alarmowego

• czujnik temperatury oleju smarnego dla układu alarmowego

• czujnik ciśnienia wody chłodzącej dla sterowania

• czujnik ciśnienia wody chłodzącej dla układu alarmowego

• czujnik temperatury wody chłodzącej dla sterowania

• czujnik temperatury wody chłodzącej dla układu alarmowego

• czujnik temperatury wody chłodzącej za turbosprężarką

• czujnik przepływu wody chłodzącej

• czujnik ciśnienia w butli sprężonego powietrza

• czujnik ciśnienia powietrza przed zaworem rozruchowym

• elektromagnetyczny zawór powietrza rozruchowego

• pompa z napędem elektrycznym wstępnego smarowania

• zawory sterowane obsługi układu grzanie - chłodzenie

3. Prądnica (generator synchroniczny)

• regulator napięcia

• wyłącznik prądnicy ze zdalnym sterowaniem załączeniem i wyłączeniem

• blok przetworników napięcia , częstotliwości i mocy

• czujnik temperatury uzwojeń

• czujnik temperatury łożyska

• zestaw zabezpieczeń generatora ( od przeciążeń , od zwarć , podnapięciowe , nadnapięciowe , od obniżeń częstotliwości , od wzrostu częstotliwości , od mocy zwrotnej )

• wyłącznik Mayera - urządzenie wyłączające odbiory mniej ważne w przypadku przeciążenia generatora

• programator lub program selektywnego załączania odbiorów po black - oucie

• blok rozdziału mocy czynnej na pracujące równoległe zespoły

• układ kontroli izolacji sieci

Wnioski

Podstawową wadą elektrowni typu „black out” jest możliwość przerwy w dostawie energii. Rozwiązanie takie wymaga od załogi sprawowania nadzoru nad pracą elektrowni oraz szybkiego reagowania w sytuacjach awaryjnych. Rozwiązanie typu „black out” jest bardzo często stosowane ponieważ wymaga stosunkowo niewielkich nakładów finansowych w porównaniu z elektrowniami „równoległymi” i „kompleksowymi”. Elektrownie „równoległe” i „kompleksowo zautomatyzowane” są rozwiązaniami nie dopuszczającymi przerwy w dostawie energii. Układy te są znacznie bardziej zaawansowane technicznie, wyposażone w rozwinięte układy automatyki, sterowania i kontroli co pozwala na pracę bezobsługową (elektrownia kompleksowa), oraz sterowanie np. przy pomocy komputera z CMK. Rozwiązania tego typu znacznie ułatwiają pracę załodze oraz podnoszą bezpieczeństwo żeglugi. Elektrownie te wiążą się ze znacznymi kosztami zakupu z racji swojego wyposażenia, a przy eksploatacji z kosztami specjalistycznego serwisu. Jednak część kosztów po upływie czasu może się zwrócić gdyż przy tych rozwiązaniach może nastąpić redukcja załogi maszynowej. Zmienia się również organizacja pracy i siłownia możne pracować w systemie bezwachtowym.

---