4.1. Общие вопросы автоматизации
Как известно, рабочий процесс механизма, агрегата, системы ит.д., связанный с переносом и преобразованием энергии или рабочего вещества, характеризуется некоторым количеством физических величин или параметров, которые в процессе эксплуатации должны поддерживаться постоянными либо изменяться по какому-либо закону, т.е. регулироваться.
Механизм, агрегат, система, в которых одна или несколько из этих физических величин регулируются автоматически, называется объектом регулирования.
Устройство, осуществляющее регулирование указанных величин без вмешательства человека, называется автоматическим регулятором.
Объект регулирования, соединенный связями с автоматическим регулятором, образует систему автоматического регулирования (САР). В ряде случаев объекты регулирования имеют несколько регулируемых величин и соответственно несколько регулирующих воздействий. В этом случае совокупность отдельного регулятора и объекта составляет контур регулирования.
В том случае, если взаимное влияние контуров регулирования является существенным, регулирование носит название связанного, при несущественном влиянии этих контуров друг на друга регулирование называется несвязанным.
В зависимости от динамических характеристик объекта регулирования и требований, предъявляемых к САР, для осуществления процесса автоматического регулирования применяют регуляторы различной сложности. Наиболее простыми в конструктивном исполнении являются одноимпульсные регуляторы прямого действия, однако динамические качества, в том числе точность поддержания заданной величины, при применении таких регуляторов получаются невысокими. Для улучшения динамических характеристик САР в регуляторы вводят различные корректирующие устройства, чаще всего в виде жестких либо гибких обратных связей, а также применяют чувствительные элементы, реагирующие на несколько импульсов (многоимпульсные регуляторы).
Судовая энергетическая установка, паротурбинная, газотурбинная либо дизельная, включает в себя большое количество; взаимосвязанных агрегатов и механизмов, устройств и систем с большим количеством регулируемых величин. Многие современные энергетические установки характеризуются быстрыми изменениями величин, определяющих протекание рабочих процессов, при которых оператор в силу своих ограниченных физиологических возможностей не в состоянии следить за их изменением. В связи с этим для нормальной эксплуатации современных энергетических установок они должны быть оборудованы средствами автоматического регулирования, сигнализации и защиты.
На первых этапах автоматизации судовых энергетических установок предусматривалось оборудование машин и механизмов, устройств и систем самостоятельными, не связанными между собой системами автоматического регулирования, сигнализации и защиты. При таком уровне автоматизации достигается только улучшение режимов работы механизмов и облегчение условий труда обслуживающего персонала при сохранении постоянного присутствия его в машинном отделении.
В настоящее время на подавляющем большинстве вновь строящихся судов от автоматизации отдельных механизмов переходят к комплексно-автоматизированным энергетическим установкам, под которыми понимают такие, нормальная работа которых обеспечивается без постоянного присутствия вахтенных в машинном отделении, а нормальное управление установкой как на установившемся, так и на маневровых режимах осуществляется средствами автоматизированного дистанционного управления, при наличии средств сигнализации и защиты, либо из центрального пульта управления, расположенного в машинном отделении, либо с ходового мостика.
В качестве обязательного элемента комплексной автоматизации предусматривается дистанционное автоматизированное управление (ДАУ) главным двигателем, включающее в себя программные устройства подготовки пуска и вывода механизма на режим, комплекс защитных и блокировочных устройств, а также устройства централизованного контроля работы механизмов. Комплексная автоматизация, не предусматривая исключение человека из сферы управления и обслуживания механизмов, влечет за собой существенное изменение организации труда плавсостава.
Так, на комплексно-автоматизированных судах начинают отказываться от традиционного деления команды на палубную и машинную. Вместо этого судовой состав делится на эксплуатационников, обеспечивающих ходовую вахту, и ремонтников, занимающихся проведением профилактических и ремонтных работ как по механической, так и палубной части.
При проектировании комплексно-автоматизированных энергетических установок необходимо обязательно учитывать свойства человека как звена системы управления.
Внедрение комплексной автоматизации и освобождение судового состава от несения постоянной вахты в машинном отделении выставило ряд новых требований к судовым механизмам с точки зрения комплектации, конструктивного выполнения и их надежности.
В подавляющем большинстве автоматизация оборудования, предназначенного для ручного управления, является неэффективной. Поэтому при создании автоматизированных установок необходимо в первую очередь создавать оборудование, отвечающее условиям автоматизации. К числу основных требований, которым должно отвечать оборудование, предназначенное для автоматизации, относятся повышенная надежность, уменьшение числа регулируемых величин, упрощение и сокращение количества операций по управлению и обслуживанию.
Состав и компоновка оборудования машинного отделения должны быть подчинены условию удобства обслуживания, а также упрощения и сокращения операций по управлению и ремонту.
В последние годы, при разработках проектов комплексно-автоматизированных установок стали уделять определенное внимание вопросам саморегулирования, под которыми понимается создание таких механизмов, в которых стабильность регулируемых величин обеспечивается без применения специальных регуляторов. В качестве примеров, поясняющих высказанную мысль, можно привести следующие.
Соответствующим подбором соотношения между поверхностями конвективного и радиационного пароперегревателей можно добиться почти полной независимости температуры перегретого пара от нагрузки котла, так как с увеличением нагрузки котла температура пара после конвективного пароперегревателя увеличивается, а после радиационного — уменьшается. На паротурбинном танкере «Ялта» постройки ФРГ главные котлы не имеют специального регулятора температуры, а стабильность ее при любых нагрузках обеспечивается за счет соответствующего подбора радиационной и конвективной поверхностей перегревателя.
В качестве второго примера следует указать на разработки американских фирм по саморегулированию парового котла в целом. Предложение сводится к тому, что в главный паропровод котла включена одноступенчатая турбина активного типа, работающая на насыщенном паре. Так как турбина включена в паропровод последовательно, то развиваемая ею мощность пропорциональна паропроизводительности котла. Эта турбина приводит в действие котельный вентилятор и топливный насос, мощности для привода которых определяются производительностями приводимых агрегатов, которые в свою очередь соответствуют паропроизводительности котла.
Применение установок с саморегулированием снижает первоначальные затраты на постройку, повышает надежность работы и сокращает затраты на обслуживание.
В заключение следует отметить, что, хотя в настоящее время установки с саморегулированием являются только экспериментальными, направление это весьма перспективно и заслуживает достаточного внимания.
Переход на безвахтенное обслуживание требует также повышенной надежности не только средств автоматизации, но и основного автоматизированного оборудования. Учитывая, что при прочих равных условиях увеличение количества одновременно работающих механизмов приводит к снижению надежности установки в целом, в целях обеспечения надлежащего уровня надежности при создании новейших силовых установок уделяется большое внимание сокращению числа агрегатов и устройств за счет внедрения принципиально новых решений, упрощения тепловых схем, тщательной отработки оборудования. Так, в одном из современных проектов ПТУ (мощность 20 тыс.л.с.) для морского судна количество вспомогательных механизмов сокращёно по сравнению с обычной установкой более чем на ⅓. Такое снижение числа механизмов было достигнуто в результате установки одного главного котла вместо традиционных двух, применения однокорпусной турбины, самопроточного конденсатора, агрегатирования механизмов, сокращения арматуры и фланцевых соединений на трубах и т.д.