SISTEME DE COMANDA A MOTORULUI NAVAL

1. Evolutia sistemeleor de comanda

Din momentul in care au inceput sa se utilizeze masinile termice pentru propulsia navelor si a aparut CM, ca o necesitate fireasca, a trebuit sa apara si modalitatea de comunicare si de transmitere a comenzilor intre postul de conducere al navei, plasat la timonerie si postul de comanda al instalatiei, plasat in CM.

Telegrafele de constructie identica, atat cel din timonerie, cat si cel din CM, fiecare din acestea fiind atat emitator, cat si receptor, permiteau transmiterea comenzilor din timonerie catre CM, precum si confirmarea acestora la timonerie. Postul de comanda din CM era plasat pe motor sau in imediata apropriere a acestuia. Legatura dintre telegraful dinm timonerie si telegraful din CM era realizat cu torte sau lant Gall, care complicat montajul si intretinerea sistemului de comanda, mai aless atunci cand distanta dintre telegrafe era prea mare si trebuia sa se traverseze mai multe punti sau compartimente. Comenzile prin telegraf erau insotite de comunicatii prin portavoce, la capetele careia (atat in timonerie, cat si in CM) se aflau dopuri de fluier, care serveau la atentionare, in cele doua compartimente, atunci cand se dorea sa se faca o comunicare. Acestea sisteme de comanda (SC) de la distanta se mai intanesc si astazi pe unele nave fluaviale mai vechi.

Odata cu cresterea deplasamentului si complexitatii navelor comerciale, a puterilor instalate pentru propulsie si pentru centrala electrica a navei, a diversificarii fabricatiei de MN, coroborat cu dezvoltarea puternica a industriei navale, care a pus la dispozitia constructorilor de motoare si de nave componente de telecomanda, supraveghere si protectie intr-o gama din ce in ce mai diversificata si de nivel tehnic sporit, s-au dezvoltat si sistemele de comanda ale MN. De la SC cu trasnmiterea mecanica s-a trecut la SC pneumatice, hidraulice, electrice, de la PCL plasat pe motor, s-a trecut la PCC plasat in CC.

Ulterior, prin cresterea gradului de automatizare navala, s-a trecut la sistemele de comanda automata (SCA) de la distanta (telecomanda), care permit comanda MN direct de catre ofiterul de cart din timonerie (PCT). Comanda MN direct din PC nu exclude PCC si PCL, dimpotriva, aceste posturi de comanda se mentin, cu posibilitatea transferului comenzii intre ele. Sistemele automate de telecomanda prezinta o serie de avantaje, dintre care se mentioneaza:

Reducerea numarului membrilor echipajului de la bordul navei;

Micsorarea duratei de realizare a comenzii MP prin transferarea acesteia ofiterului de cart din timonerie;

Realizarea mai precisa si mai stabila a comenzii ( la comanda manuala, mecanicul de cart uneori nu reuseste sa indeplineasca toate comenzile transmise din PCT, daca acestea urmeaza unele dupa altele, alteori el nu reuseste sa fixeze regimul de lucru necesar pentru MP; la comanda manuala, durata de realizare a comenzilor nu este aceeasi si depinde de particularitatile individuale si practica mecanicului de cart);
schimbarea gradata (in trepte) a regimului de lucru al MP, care nu intotdeuna este comoda in cazul comenzii manuale, mai ales la manevrele in porturi aglomerate sau in canale;

Cu ajutorul sistemelor automate de telecomanda, MP poate sa raspunda in permanenta, prompt, necesitatilor de manevrare a navei, intrucat se elimina o parte din verigile intermediare din lantul de comanda, respectiv se elimina prezenta (contributia) mecanicului de cart, care, in momentul transmiterii comenzii din PCT, s-ar putea sa nu fie la PC al motorului. De asemenea, utilizarea sistemelor automate de telecomanda permite instalarea de posturi de comanda de dublura si concentrarea la unul dintre acestea a dispozitivelor de comanda, supraveghere si control ale mecanismelor si instalatilor din CM.

Sistemele automate de comanda, impreuna cu cele de supraveghere si protectie, fac posibile;

Programarea functionarii MN,

Optimizarea incarcarii acestuia,

Optimizarea regimului termic si consumului de combustibil,

Evitarea functionarii in zona turatiilor critice, a comenzilor gresite, etc.

2. Clasificarea sistemelor de comanda

Sisteme de comanda a motorului principal

Sistemele de comanda ale MP pot fi clasificate, in principal, dupa doua criterii:

Dupa locul se transmite comanda, se deosebesc SC locale si SC de la distanta. Primele sunt specifice PCL, comanda realizandu-se manual, celelalte sunt specifice PCC si PCT, comanda realizandu-se manual (de la distante mici) sau automat. In cazzul existentei celor trei PC (PCL, PCC si PCT), care constituie in prezent cazul cel mai frecvent, se prevede obligatoriu posibilitatea de transfer a comenzii intre aceste posturi, intr-o ordine de prioritate bine stabilita.

Dupa natura agentului purtator al semnalului de comanda, se deosebesc: SC mecanice, pentru care distanta maxima de transmitere a semnalelor de comanda este limitata pana la 15 m, SC hidraulice, care permit transmiterea semnalelor de comanda pana la circa 50m; SC pneumatice, care permit transmiterea semnalului de comanda pana la distanta de 250 m; SC electrice; SC electrohidraulice; SC electropneumatice, care permit transmiterea semnalelor la distante mai mari de 250m.

Sistemele de comanda cele mai vechi au fost cele mecanice, numite si de mica distanta. Acestea s-au folosit in PC amplasate, la inceput, in imediata apropiere a motorului si in PC amplasate pe una dintre platformele CM

Sistemele de comanda hidraulice, pneumatice, etc sunt, in general, automatizate. La acestea, partea logica a sistemului se realizeaza de obicei cu elemente electrice sau pneumatice, iar partea de legatura la distanta, de amplificare, comanda si executie, cu elemente pneumatice, hidraulice, electrice si chiar mecanice.

La inceputurile utilizariii comenzii de la distanta s-au folosit sistemele care lucrau cu un singur agent purtator al semnalului de comanda. Acestea, neautomatizate sau chiar automatizate, aveau posibilitati limitate (fara iesirea programata din regimul dat, fara repetarea automata a incercarii de lansare sau trecerea rapida prin zonele de turatii critice, etc.).

Incercarile ulterioare de extindere a sistemelor care foloseau un singur agent de lucru (denumite "curate" condus la complicarea SC si, ceea ce era si mai important, la inrautatirea caracteristicilor lor dinamice (datorita lipsei mijloacelor tehnice de rezolvare a dezavantajelor introduse de utilizarea unui singur agent de lucru).

Practica utilizarii SCA de la distanta a aratat ca cele mai reusite sisteme, care realizeaza functii complexe si complete, relativ simple si robuste, sunt SCA care utilizeaza toti cei trei agenti de lucru. La aceste sisteme:

partea logica se realizeaza cu elemente electrice, electronice sau pneumatice;

partea de transmitere la distanta, cu legaturi electrice sau pneumatice, iar in cazuri speciale chiar cu legaturi mecanice;

partea de sesizare a turatiei si sensului de rotatie, cu elemente electrice;

partea de executie (inclusiv blocajele specifice din sistemul de alimentare cu combustibil), cu elemente electrice sau pneumatice;

partea de lansare, cu elemente penumatice;

partea de inversare, cu elemente pneumatice;

Avantajul de baza al acestor sisteme (denumite "combinate" fata de cele "curate", consta in posibilitatea utilizarii celor mai uzuale mijloace tehnice pentru ameliorarea caracteristicilor lor dinamice.

La navele flotei comerciale, de obicei, exista la bord cele trei surse de energie solicitate de SC combinate:

energie electrica de diferite tensiune,

aer comprimat la presiuni de 5 -30 bar;

ulei la presiuni de 4 - 6 bar.

De aceea, pentru functionarea SCA nu este necesara producerea speciala a energiei electrice, aerului comprimat sau uleiului sub presiune.

Utilizarea energiei electrice in SCA permite, in primul rand, constructia unor sisteme care pot transmite comenzi la distante mari. In al doilea rand, constructia simpla asigura dublarea posturilor de comanda si deci posibilitatea instalarii oricarui numar de PC, in oricare loc de manevra. In al treilea rand, pentru optimizarea si programarea comenzii se pot utiliza masini electronice de calcul, fara necesitatea conevrtirii semnalelor de alta natura, in semnale electrice.

Utilizarea aerului comprimat in SCA inlescneste posibilitatea montarii unor parti de SC direct pe motor (in special elementele de executie care participa la operatiile de lansare si inversare). De asemenea, se pot utiliza o serie de elemente pneumatice simple si sigure. Avantajul cel mai mare il constituie faptul ca in SC se poate utiliza aerul de lansare existent in buteliile de la bord.

Nici valorile prea mici (1-2 bar) ale presiunii aerului comprimat nu sunt recomandabile, deoarece aerul actioneaza si in elementele SC care solicita conditii speciale (curatire, uscare, mentinere exacta a presiunii curente la intrare, etc). In plus, reducerea puternica a presiunii ( de la 30 bar la 1-2 bar) antreneaza pierderi importante.

In SC care lucreaza cu aer la presiuni de 6-8 bar, dezavantajele aratate mai inainte fie lipsesc, fie exista intr-o mai mica masura.

Utilizarea sub presiune este indicata pentru actionarea elementelor de forta cu efecte rapide (de exemplu, cilindrii hidraulici). In SC se poate utiliza uleiul din sistemul de ungere al MP nu este nevoie de o statie hidraulica speciala.

In general, SCA ale MP pot fi realizate cu elemente mecanice, electrice si electronice, calitatile acestora depinzand de caracteristicile proprii fiecarui elemente si de gradul de automatizare dorit.

Datorita simplitatii sale constructive, dar mai ales faptului ca utilizeaza aerul ca agent de lucru, cel mai agreat este sistemul de comanda electropneumatic. Acest sistem este realizat in diferite variante constructive, in functie de tipul si marimea navei, tipul motorului, firma constructoare, etc.

3. Componenta, amplasarea si functiile sistemelor de comanda

3.1. Componenta, amplasarea si functiile sistemelor de comanda

La navele comerciale, constructia si functionarea SC al MP trenbuie sa tina seama de particularitatile constructive si functionale ale intregului sistem (lant) de propulsie (motor, reductor - inversor, elice, generator de curent antrenat de la linia de aburi, etc).

In acest sens, structura sistemelor de comanda este determinata atat de numarul posturilor de comanda de la bord, cat si de numarul si tipul mecanismelor din lantul de propulsie, tipul elementelor de executie, traductoarelor, etc.

La SCA se poate vorbi de un echipament periferic care cuprinde traductoarele si EE, precum si de un echipament central, care cuprinde blocurile cu circuite electrice si electronice ce primesc informatiile, le prelucreaza si le transmit spre EE.

Confrom acestei structuri, componenta generala a furniturii unui SCA este:

tabloul central de automatizare montat in CC care reuneste toate circuitele destinate prelucrarii semnalelor de intrare si elaborare a marimilor de comanda. Tabloul este alimentat la 220 V, 50 Hz si la 24 V c.c. pentru circuitele de avarie (manevra urgenta). Tabloul cuprinde: blocul cu sursele de alimentare, sertarele cu circuitele formate din placi cu circuite imprimate grupate pe functii, debrosabile, cu borne de control, cu semnalizatoare si potentiometre de reglaj pe partea frontala, etc, pentru realizarea functiilor logice si analogice din sistem, si releele pentru semnalele de iesire. Constructiv, tabloul trebuie sa realizeze gradul de protectie IP 21. Accesul la placi nu trebuie sa fie posibil decat dupa deschiderea usilor tabloului.

panoul de comanda si semnalizare care se monteaza in PCT si care contine indicatoarele pentru pasul elicei si turatia MP si butoanele de comanda pentru: Start/Stop, Stop avarie, Anularea protectie, Manevra de urgenta, Stand-by, Finish, Start ratat, Confirmare start ratat, Transfer comanda, Oprire MP prin protectie (reducerea automata a sarcinii) etc. O parte din aceste butoane au o lampa incorporata.

panoul de comanda si semnalizare care se monteaza in PCC si care contine indicatoarele pentru pasul elicei si turatia MP si butoanele de comanda care corespund cu cele din PCT.

instalatia telegrafelor care cuprinde un telegraf din timonerie si doua telegrafe receptoare (unul in PCC si unul in PCL). Pe axul telegrafului emitator este montat transmitatorul marimii de referinta. In cazul comenzilor manuale din PCC telegraful asigura transmiterea comenzilor traditionale cu indicarea si confirmarea acestora.

traductoarele de pozitia pentru pasul elicei si tija 8cremaliera pompei de injectie) de combustibil si traductorul de turatie

convertoarele pentru convertirea marimilor de iesire din sistemul de telecomanda in marimi acceptate de elementele care urmeaza in sistem (EE).

3.2. Functiile sistemelor de comanda ale motoarelor principale

In ceea ce priveste functiile sistemelor de comanda, o analiza completa este posibila daca se tine seama de toate elementele componente ale sistemului de propulsie. Astfel se disting variantele:

motor semirapid cu reductor si generator pe arbore, cuplat cu elice cu pas reglabil (EPR);

motor semirapid reversibil cu reductor ,cuplat cu elice cu pas fix (EPF);

motor lent reversibil cuplat cu EPF;

In cazul sistemelor de propulsie cu motor semirapid nereversibil cu reductor si generator pe arbore, cuplat cu EPR, motorul se porneste (intr-un singur sens) si se accelereaza, respectand anumite conditii de incalzire pana la turatia nominala, antrenand permanent reductorul, linia de arbori, EPR si generatorul, daca acesta a fost cuplat la reductor in prealabil. La acest sistem de propulsie manevrarea navei inainte si inapou sau oprirea se fac prin orientarea corespunzatoare a elicei.

Generatorul de pe arbore (antrenat permanent la turatia nominala) este prevazut cu posibilitatea decuplarii inainte de pornirea motorului. Excitarea si punerea lui pe barele TPD este in functie de solicitatea sistemului de alimentare cu energie al navei, care este complet separat de sistemul de propulsie.

Pentru asigurarea functionarii sistemului de propulsie motor-reductor-linie de arbori-EPR-generator sunt necesare o serie de agregate si sisteme anexe:

compresoare pentru aerul de lansare;

pompe duble pentru asigurarea racirii, ungerii si alimentarii cu combustibil a MP;

pompe pentru activare a circuitelor hidraulice ce actioneaza palele elicei,etc, care complica functiile SC utilizat.

In principal, SCA trebuie sa asigure efectuarea tuturor operatiilor de comanda (pornire, accelerare, incarcare de sarcina), protectia si supravegherea permanenta a MN, precum si transferul comenzii, astfel incat in orice moment sa se poata trece de la comanda automata la comanda manuala din PCL.

In cazul sistemului de propulsie motor semirapid-reductor-linie de arbori-EPR, fara generator pe arbore, dispar conditiile referitoare la generatorul de pe arbore, iar in cazul sistemului de propulsie motor reversibil-EPF, dispar conditiile referitoare la comanda si reglarea palelor elicei si cele referitoare la generatorul de arbore; aici apar in schimb, in cadrul secventei de pornire a motorului, conditiile de terminare a inversarii, de permitere a inversarii, etc.

In afara acestora, in echipamentul de comanda se introduc conditiile privind protectia MP la suprasarcini, la variatii bruste de sarcina (de exemplu, iesirea elicei din apa), la necesitatea unor manevre de urgenta, etc.

Modul in care sunt realizate functiile SC, in variantele de sisteme de propulsie mentionate, este descris in cele ce urmeaza:

Lansarea (pornirea) motorului

Varianta de sistem de propulsie cu motor nereversibil si EPR. Lansarea se executa din PCC si de la postul de avarie (PCL) si consta in deschiderea ventilului de aer de lansare.

Comanda de lansare din PCC este acceptata de un sistem daca sunt indeplinite conditiile logice de tipul viror de decuplat, elice in pozitie de impingere nula sau reductor decuplat, absenta semnalului, "stop de urgenta". Ventilul este mentinut deschis pana la atingerea turatiei de autoaprindere, dupa care este inchis automat.

Daca intr-un interval de timp stabilit, turatia motorului nu ajunge la turatia de relanti, se emite un semnal de "star ratat" si operatia de lansare se repeta.

Dupa trei incercari succesive nereusite, operati de lansare este blocata.

Lansarea locala se face numai prin deschiderea manuala a ventilului, conditiile logice si secventele fiind controlate de personalul de deservire.

Varianta de sistem de propulsie cu motor reversibil si EPF. Lansarea se poate executa de la toate trei PC. Din PCC sau PCT comanda de lansare este efectuata prin aceeasi maneta cu care se comanda si turatia motorului, prin scoaterea acesteia din pozitia STOP, intr-un sens sau altul, echivalent cu sensul de rotatie dorit (in PCT maneta de comanda este combinata cu telegraful de masini).

Procesul de lansare decurge in mod similar cu cel de la varianta precedenta, numai ca exista alte conditii logice (de exemplu, terminarea inversarii, existenta unei turatii inertiale mai mici decat turatia la care se admite inversarea, viror decuplat, etc).

La pornirea si oprirea automata a MP, prin actionarea manetei telegrafului din PCC sau PCT, functia logica a SCA care actioneaza lansarea motorului este determinata de alimentarea bobinei valvulei care deschide aerul de lansare, pozitia axului cu came, existenta comenzii "Start", lipsa comenzii "Stop" si selectarea regimului de lucru.

Functia logica de supraveghere a pornirii permite trei lansari consecutive, dupa care se semnalizeaza "start ratat"; daca dupa terminarea introducerii aerului de pornire in motor, turatia nu atinge o anumita valoarea, lansarea se repeta.

Oprirea motorului se face la celasi PC, iar functia logica care autorizeaza oprirea este determinata de alimentarea la tensiune a valvulei care inchide combustibilul, existenta comenzii de oprire, start gresit, etc.

In cazul motoarelor reversibile, in circuitele logice Start/Oprire nu mai sunt necesare conditii referitoare la pasul elicei; acestea se inlocuiesc cu cele referitoare la pozitia axului cu came pentru start inainte sau inapoi, precum si existenta comenzilor pentru unul dintre sensuri.

Reglarea vitezei de deplasare a navei (turatia MP).

Reglarea vitezei de deplasare a navei se poate efectua de la toate trei PC.

Prin PCT reglarea vitezei de deplasare prin sistemul de telecomanda automata. Marimea de referinta este introdusa in sistem prin maneta telegrafului, care are atasat un emitator (potentiometru). Dupa ce acest semnal este prelucrat de sistemul de telecomanda, el este convertit intr-o marime acceptata de EE (presiune de aer, deplasare tija, etc). In timpul acestui mod de comanda, telegrafele din PCC si PCL indica comanda data din timonerie, fara a fi insa nevoie de confirmare.

Din PCC reglarea vitezei se realizeaza prin maneta de comanda, care transmite semnalul de comanda direct la EE. Manevra se face in conformitate cu ordinul transmis din PCT, prin intermediul telegrafului de masini, care, de aceasta data, lucreaza ca un telegraf clasic, necesitand confirmarea comenzii primite.

Din PCL reglarea vitezei navei se realizeaza prin actionarea directa asupra EE, in conformitate cu ordinul trasmis din PCT, prin intermediul telegrafului.

In functie de tipul sistemului de propulsie, reglarea vitezei navei se poate face in mai multe moduri:

Varianta de sistem de propulsie cu motor nereversibil si EPR. La aceasta varianta, reglarea poate fi realizata cu ajutorul combinatorului. Cand sunt modificate atat pasul elicei, cat si turatia motorului, in conformitate cu un program dinainte stabilit. In cazul comenzii din PCT, marimea de referinta este transformata de SCA in doua marimi de comanda: una pentru turatie si alta pentru pasul elicei. In cazul comenzii din PCC sau PCL se vor actiona doua manete de comanda, una pentru turatie si alta pentru pasul elicei.

Daca sistemul de propulsie este prevazut cu generator pe arbore, reglarea vitezei navei se realizeaza numai prin moficarea pasului elicei, deoarece turatia liniei de arbori trebuie mentinuta la valoarea corespunzatoare frecventei retelei electrice.

Varianta de sistem de propulsie cu motor reversibil si EPH. La aceasta varianta, reglarea vitezei navei se realizeaza numai prin modificarea turatiei MP.

In cazul comenzii din PCT, SCA trebuie sa suplineasca ofiterul de cart. In acest caz functiile SC sunt mai complexe, iar sistemul trebuie sa realizeze.

Programul de incarcare (programul de timp) pentru evitarea suprasolicitarilor termice si mecanice a MP, pe toata durate intrarii acestuia in regim stabil de functionare. In acest caz este necesar ca, indiferent de viteza de variatie a marimii de referinta (viteza de miscare a manetei telegrafului), semnalul de comanda introdus in EE sa varieze lent, dupa un program dinainte stabilit. De asemenea, pentru situatiile de urgenta, trebuie sa existe posibilitatea accelerarii sau anularii programului de timp, in vederea depasirii unei situatii critice de navigatie.

Evitarea turatiilor critice in cazul propulsiei cu EPR. La functionarea cu combinator este posibil ca, in gama de turatii functionale ale motorului, sa existe una sau mai multe zone cu vibratii periculoase ale liniei de arbori (zone de turatii critice). SCA trebuie sa asigure depasirea acestor zone, printr-un program de accelerare rapid, precum si evitarea functionarii de durata la turatii critice, chiar daca marimea de referinta corespunde acestor zone.

Protectia la suprasarcina a motorului in cazul propulsiei cu EPR. Pentru evitarea suprasarcinilor este necesare sa se introduca in SCA un circuit care sa compare sarcina motorului la un moment dat cu sarcina admisa de motor la turatia respectiva, iar in cazul in care sarcina depaseste pe cea admisa, sa reduca automat pasul elicei (indiferent de comanda data), pana la o valoare la care sarcina se situeaza sub limita admisa.

Limitarea sarcinii motorului prin limitarea turatiei, in cazul propulsiei cu EPF sau a pasului elicei, in cazul propulsiei cu EPR, indiferent de comanda data.

Transferul de comenzi

Transferarea comenzii intre PC se poate face in timpul functionarii motorului, fara a fi necesara oprirea acestuia, daca sunt asigurate toate tipurile de blocaje.

Cu ajutorul SCA se pot asigura urmatoarele posibilitati de transfer:

din PCL (manual) in PCC (manual);

din PCC (manual) in PCT (manual);

din PCT (automat) in PCC (manual);

din PCC (manual) in PCL (manual.

PCL poate prelua in orice moment comanda, avertizand optic si acustic, fara a fi nevoie de confirmarea transferului de comanda. PCC poate prelua comanda din PCL si PCT, cu aprobarea acestora (cu exceptia situatiilor de avarie a telecomenzii din PCT, cand comanda se preia si fara aprobare).

Preluarile, cedarile si aprobarile de transfer de comanda intre posturi se fac numai prin semnalizari acustice si optice.