background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 

 

 

 

 

 
 

MINISTERSTWO EDUKACJI 

NARODOWEJ 

 

 
 
 
 
 
Grzegorz Śmigielski 

 
 

 
 
 
 
 

Użytkowanie układów automatyki okrętowej 
314[03].O2.02 

 
 
 
 
 
 
Poradnik dla ucznia 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Wydawca 

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy 
Radom 2007 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  1 

Recenzenci: 
mgr inż. Piotr Dubis 
mgr inż. Marcin Januszewski 
 
 
Opracowanie redakcyjne: 
mgr inż. Grzegorz Śmigielski 
 
 
 
Konsultacja: 
dr inż. Marcin Chrzan 
 
 
 
 

 
 
 

 
Poradnik  stanowi  obudowę  dydaktyczną  programu  jednostki  modułowej  314[03].O2.02 
„Użytkowanie  układów  automatyki  okrętowej”,  zawartego  w  modułowym  programie 
nauczania dla zawodu technik mechanik okrętowy. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Wydawca 

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  2 

SPIS TREŚCI

 

 

1.  Wprowadzenie 

2.  Wymagania wstępne 

3.  Cele kształcenia 

4.  Materiał nauczania 

4.1. Podstawy teorii sterowania i regulacji 

4.1.1. Materiał nauczania 

4.1.2. Pytania sprawdzające 

21 

4.1.3. Ćwiczenia 

21 

4.1.4. Sprawdzian postępów 

22 

4.2. Automatyka okrętowa 

23 

4.2.1. Materiał nauczania 

23 

4.2.2. Pytania sprawdzające 

29 

4.2.3. Ćwiczenia 

30 

4.2.4. Sprawdzian postępów 

31 

4.3. Układy sterowania silnikami spalinowymi 

32 

4.3.1. Materiał nauczania 

32 

4.3.2. Pytania sprawdzające 

38 

4.3.3. Ćwiczenia 

39 

4.3.4. Sprawdzian postępów 

39 

4.4. Układy automatyki elektrowni okrętowej 

40 

4.4.1. Materiał nauczania 

40 

4.4.2. Pytania sprawdzające 

52 

4.4.3. Ćwiczenia 

52 

4.4.4. Sprawdzian postępów 

53 

5.  Sprawdzian osiągnięć 

54 

6.  Literatura 

58 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  3 

1.  WPROWADZENIE

 

 

Poradnik  ten  będzie  Ci  pomocny  w nabywaniu  umiejętności  eksploatacji  i  drobnych 

napraw  układów  sterowania  i  regulacji  jakie  są  zainstalowane  na  pokładach  jednostek 
pływających. 

W poradniku znajdziesz: 

 

wymagania  wstępne,  czyli  wykaz  umiejętności,  jakie  powinieneś  mieć już ukształtowane, 
aby  bez  problemów  opanować  treści  nauczania  w  ramach  jednostki  modułowej 
Użytkowanie układów automatyki okrętowej O2.02 zawartego w modułowym programie 
nauczania dla zawodu Technik mechanik okrętowy 314[03]. 

 

cele  kształcenia,  czyli  wykaz  umiejętności,  jakie  powinieneś  nabyć  podczas  zajęć 
w ramach tej jednostki modułowej, 

 

materiał  nauczania,  czyli  niezbędne  minimum  wiadomości  teoretycznych,  wymaganych 
do opanowania treści jednostki modułowej, 

 

zestaw pytań przydatny do sprawdzenia, czy już opanowałeś wymagane treści nauczania, 

 

ćwiczenia,  podczas  których  będziesz  doskonalił  umiejętności  praktyczne  w  oparciu 
o wiedzę teoretyczną, zaczerpniętą z poradnika i innych źródeł, 

 

sprawdzian  osiągnięć,  czyli  przykładowy  zestaw  zadań  i pytań.  Pozytywny  wynik 
sprawdzianu  potwierdzi,  że  dobrze  wykorzystałeś  zajęcia  i  uzyskałeś  niezbędną  wiedzę 
i umiejętności z zakresu tej jednostki modułowej, 

 

wykaz literatury uzupełniającej. 

 
Poradnik zawiera materiał nauczania składający się z 4 rozdziałów: 

 

rozdział „Podstawy teorii sterowania i regulacji”, pomoże Ci się zapoznać podstawowymi 
definicjami  i  zależnościami  w  układach  sterowania  i  regulacji  wielkości  parametrów 
technicznych, 

 

rozdział  „Automatyka  okrętowa”  prezentuje  budowę  i  zasadę  działania  podstawowych 
układów regulacji na pokładach jednostek pływających, 

 

rozdział  „Układy  sterowania  silnikami  spalinowymi”  prezentuje  najczęściej  stosowane 
układy maszynowni, 

 

rozdział  „Układy  automatyki  elektrowni  okrętowej”,  ma  Ci  pomóc  zapoznać  się 
z niektórymi  układami  automatyki  pracującymi  w  pokładowych  zespołach  generatorów 
elektroenergetycznych. 

 
Jeżeli  masz  trudności  ze  zrozumieniem  tematu  lub  ćwiczenia,  to  poproś  nauczyciela  lub 

instruktora  o  wyjaśnienie  i ewentualne  sprawdzenie,  czy  dobrze  wykonujesz  daną  czynność. 
Po przerobieniu materiału spróbuj zaliczyć sprawdzian z zakresu jednostki modułowej. 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  4 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Schemat układu jednostek modułowych w module 

 

314[03].O2 

Układy sterowania i regulacji  

314[03].O2.01 

Użytkowanie układów elektrycznych 

i elektronicznych 

314[03].O2.02 

Użytkowanie układów automatyki 

okrętowej 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  5 

2.  WYMAGANIA WSTĘPNE 

 

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: 

 

korzystać z różnych źródeł informacji,  

 

stosować przepisy prawne dotyczące pracownika i pracodawcy w zakresie bezpieczeństwa 
i higieny pracy, 

 

stosować podstawowe zasady higieny i fizjologii pracy,  

 

organizować bezpieczne i ergonomiczne stanowisko pracy,  

 

dokonywać oceny ryzyka zawodowego na stanowisku pracy, 

 

dobierać  i stosować  odzież  ochronną  oraz  środki ochrony  indywidualnej  w zależności  od 
wykonywanych prac, 

 

stosować procedury udzielania pierwszej pomocy w stanach zagrożenia zdrowia i życia, 

 

stosować zasady bezpiecznej obsługi maszyn i urządzeń okrętowych, 

 

stosować zasady ochrony środowiska, 

 

korzystać  z  Polskich  Norm,  Kodeksu  pracy  oraz  rozporządzeń  dotyczących 
bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony środowiska. 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  6 

3.  CELE KSZTAŁCENIA

 

 

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: 

 

wyjaśnić różnicę między sterowaniem a regulacją, 

 

rozróżnić elementy układu automatycznej regulacji oraz określić ich funkcje w układzie, 

 

sklasyfikować układy automatycznej regulacji, 

 

określić zastosowanie regulatorów liniowych i nieliniowych, 

 

sprawdzić poprawność działania regulatorów w siłowni okrętowej, 

 

rozpoznać przetworniki sygnałów oraz układy formowania i przesyłania sygnałów, 

 

dobrać przetworniki do pomiaru wielkości nieelektrycznych, 

 

zmierzyć wielkości nieelektryczne, 

 

rozpoznać  cyfrowe,  analogowe,  elektroniczne,  pneumatyczne,  hydrauliczne  regulatory 
i sterowniki okrętowe, 

 

sterować pracą okrętowych silników spalinowych, 

 

sterować ręcznie układami regulacji, 

 

obsłużyć zdalne i automatyczne układy regulacji, 

 

przestrzegać zasad prawidłowej eksploatacji układów automatyki okrętowej,  

 

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony środowiska. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  7 

4.  MATERIAŁ NAUCZANIA 

 
4.1.  Podstawy teorii sterowania i regulacji 
 

4.1.1.  Materiał nauczania 
 

Układy automatyki 

Automatyka jest to dyscyplina naukowa zajmująca się teorią i praktycznym zastosowaniem 

urządzeń  sterujących  procesami  bez  udziału  człowieka  lub  z  jego  ograniczonym  udziałem. 
Automatyzacja  jest  to  zjawisko  wprowadzania  do  produkcji  przemysłowej,  komunikacji, 
transportu  środków  technicznych  i  urządzeń  automatycznych  działających  na  zasadzie 
samoregulacji i pracujących bez bezpośredniego udziału człowieka.  

Do podstawowych układów regulacji należy układ z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego 

(rys. 1). W przypadku gdy sygnał błędu 

ε

 =0 (

ε

 = z – u), to na obiekt nie oddziałuje żadne inne 

sygnały poza sygnałami zakłócającymi. Jeżeli pojawi się niezerowy sygnał błędu 

ε

, wówczas w 

obiekcie  zachodzą  zmiany,  które  doprowadzają  w  czasie  obiekt  ponownie  do  stanu 
równowagi. 

 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 

Rys. 1.   Zamknięty układ regulacji: O – obiekt, R – regulator, P – układ porównujący, S – element sumujący 

 
Element porównujący P oblicza różnicę między wartością sygnału zadanego z a wartością 

sygnału wyjściowego y otrzymaną z układu pomiarowego poprzez ujemne sprzężenie zwrotne. 
Na  wyjściu  elementu  porównującego  otrzymujemy  sygnał  uchybu 

ε.  W  dobrze 

zaprojektowanym  układzie  regulacji  wartość  uchybu  w  stanie  nieustalonym  powinna  być  jak 
najmniejsza  (przeregulowanie),  natomiast  w  stanie  ustalonym  powinna  być  równa  0  (uchyb 
ustalony).  Sygnał  z  elementu  porównującego  jest  następnie  przekazywany  do  elementu 
wykonawczego, który w odpowiedni sposób oddziałuje na obiekt. Dodatkowo na regulowany 
obiekt działać mogą zakłócenia. 

Układy  regulacji  z  zamkniętą  pętlą sprzężenia zwrotnego  ze  względu  na  sposób  działania 

dzielimy na: 

 

układy stabilizacji – w procesie regulacji mają za zadanie utrzymać stałą w czasie wartość 
wielkości  wyjściowej  mimo  zmian  wielkości  wejściowej  i  działających  na  układ zakłóceń 
(np. układ regulujący zanurzenie jednostki pływającej), 

 

układy  śledzące  (nadążne)  –  działają  w  taki  sposób,  aby  sygnał  wielkości  wyjściowej 
nadążał  za  zmianami  wielkości  wejściowej.  Zmiany  sygnałów  wejściowych  nie  są  znane 
ani  przewidywalne:  są  losową  funkcją  czasu.  Układy  te  są  również  nazywanie 

 

 

sygnał 

zadany 

 

w 

sygnał 

błędu 

 

ε 

sygnał 

wyjściowy 

 

sygnał 

sterujący 

 

sygnał 

zakłócający 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  8 

serwomechanizmami  (np.  układ  utrzymania  kursu  jednostki  mimo  zmiennych  kierunków 
wiatrów i prądów morskich), 

 

układy  programowalne  –  są  odmianą  układów  śledzących  z  tą  różnicą,  że  sygnał 
wejściowy jest z góry określoną funkcją czasu, 

 

układy  optymalne  –  struktura  i  parametry  regulatora  określone  są  na  podstawie 
obliczonego  ekstremum  przyjętego  wskaźnika  jakości.  Przykładem  takiego  układu  może 
być  układ  sterowania  silników  tak,  aby  jednostka  pływająca  osiągnęła  jak  najwyższą 
prędkość, 

 

układy  przełączające  –  regulacja  odbywa  się  na  zasadzie  załączania  lub  wyłączania 
odpowiednich urządzeń procesu w odpowiedniej kolejności (sekwencji), a rolę regulatora 
pełni najczęściej układ logiczny (np. układ załączania oświetlenia).  

 
W układach automatyki można wyróżnić następujące elementy: 

 

regulatory  –  układy  które  na  podstawie  wartość  sygnału  błędu  oraz  analizy  historii  jego 
zmian ustalają sygnał sterujący, 

 

czujniki  pomiarowe  –  których  zadaniem  jest  przetworzyć  wartość  regulowaną  na 
standaryzowany  sygnał  elektryczny  lub  pneumatyczny,  który  będzie  porównywany 
z wartością zadaną, 

 

elementy  wykonawcze  –  które  na  podstawie  sygnałów  sterujących    dokonują  zmiany 
wartości  wyjściowej  (np.  w  przypadku  regulacji  temperatury  grzałka  zasilana  napięciem 
sterującym ogrzewa  obiekt), 

 

układy standaryzujące – które skalują przesyłane sygnały do wartości znormalizowanych. 

Rodzaj  regulacji  zależy  od  typu  regulatora.  Regulatory  możemy  podzielić  według  kilku 

niezależnych kryteriów: 

 

rodzaju sygnału wyjściowego – regulatory ciągłe, krokowe, impulsowe, 

 

rodzaju funkcji przejścia – regulatory P, PI, PD, PID,  

 

technologii wykonania – regulatory analogowe i cyfrowe. 

 
Regulatory P, PI, PD i PID 

Procesy  technologiczne  stosowane  w  rozmaitych  dziedzinach  techniki  były  stopniowo 

obejmowane  automatyzacją.  Zebrane  doświadczenia  doprowadziły  do  opracowania  kilku 
odmian  regulatorów  przystosowanych  do  bardzo  szerokiego  zakresu  zastosowań.  Nie 
będziemy  omawiać  szczegółowo  budowy  regulatorów,  ograniczymy  się  do  prezentacji 
schematów blokowych najczęściej stosowanych regulatorów. Regulator na ogół składa się z 3 
bloków funkcjonalnych: 

 

członu proporcjonalnego, 

 

członu całkującego, 

 

członu różniczkującego. 

Człon proporcjonalny działa jak wzmacniacz. Człon całkujący generuje sygnał narastający, 

gdy  sygnał  wejściowy  ε  jest  dodatni,  a  maleje,  gdy  sygnał  wejściowy  jest  ujemny.  Zaś  człon 
różniczkujący  generuje  sygnał  dodatni,  gdy  sygnał  wejściowy  narasta,  a  ujemny,  gdy  sygnał 
wejściowy maleje. Spotyka się cztery typowe odmiany regulatorów:  

 

regulator typu P o działaniu proporcjonalnym, 

 

regulator typu PI o działaniu proporcjonalno – całkującym, 

 

regulator typu PD o działaniu proporcjonalno – różniczkującym, 

 

regulator typu PID o działaniu proporcjonalno – całkująco – różniczkującym. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

  9 

 
 
 
 
 

 
 
 
 

 

Rys. 2.   Schemat  układu  regulacji  procesu  przemysłowego  z  wyodrębnieniem 

typowych składników układu 

 
Efekt  wprowadzenia  członów  dynamicznych  „I”  oraz  „D”  formujących  sygnał  regulatora 

zilustrowano  na  rys.  3.  W  układzie  zamkniętym  sterowaniu  (rys.  3a)  poddany  jest  proces, 
którego  właściwości  dynamiczne  wyrażone  są  za  pomocą  odpowiedzi  skokowej.  Na  proces 
oddziałują zakłócenia „z”.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 3.   Wpływ  członów  dynamicznych  regulatora  na 

tłumienie  zakłóceń  i  właściwości  dynamiczne 
układu  regulacji:  a)  schemat  układu  regulacji; 
b) odpowiedź  skokowa  obiektu;  c)  z  regulatorem 
typu  P,  d)  z  regulatorem,  typu  PD,  e)  z 
regulatorem typu PI, f) z regulatorem typu PID [9] 

 

Układ 

formujący 

Urządzenie 

wykonawcze 

OBIEKT 

– proces technologiczny 

Urządzenie 

pomiarowe 

Sygnał  
zadany 

Sygnał  
wyjściowy 

b) 

c) 

y

o

 

Regulator P 

d) 

y

o

 

Regulator PD 

e) 

Regulator PI 

f) 

Regulator PID 

 

Reguator 

 

Obiekt 

sygnał 

zadany 

 

 y

o

 

wartość 

wyjściowa 

 

 y 

sygnał  

sterowania 

 

sygnał 

zakłócający 

 

a) 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 10 

Na  rys.  3  c,  e,  g,  i  można  dostrzec  efekt  tłumienia  zakłóceń  przez  układ  regulacji  (linią 

kreskową  zaznaczono  przebieg  odpowiedzi  procesu  w  układzie  otwartym.  Porównanie 
odpowiedzi  układu  regulacji  na  skok  zakłóceń  i  na  skok  wartości  zadanej  przy  różnych 
wariantach układów formujących prowadzi do następujących wniosków: 

 
Działanie 

całkujące 

regulatora 

odpowiada 

za 

duże 

wzmocnienie 

sygnałów 

wolnozmiennych. Wartość sterująca w regulatorach PI oraz PID znacząco wzrasta przy długim 
czasie trwania błędu wolnozmiennego. Efekt ten jest nieosiągalny dla regulatora typu P i PD. 

Działanie  różniczkujące  sprawia,  że  regulator  reaguje  na  szybkie  zmiany  błędu, 

a dokładniej mówiąc na szybkość i kierunek jej zmian. Regulatory typu PD i PID zatem badają 
nie  tylko  aktualną  wartość,  ale  i  przewidywany  w  najbliższym  czasie  przebieg  błędu,  może 
więc  dzięki  temu  wcześniej  niż  regulator  typu  P  lub  PI  zmieniać  we  właściwy  sposób  sygnał 
sterujący.  Dzięki  temu  odchyłka  regulacji  szybciej  się  zmniejsza  i  w  ogóle  zakłócenia 
szybkozmienne są lepiej tłumione. 

Działanie  układów  regulacji  z  omawianymi  regulatorami  zależy  od  doboru  parametrów 

tych regulatorów. Właściwości regulatorów określają trzy parametry:  

 

wzmocnienie 

Kp

,  

 

stała czasowa całkowania T

i

 

stała czasowa różniczkowania T

d

,  

Parametry  T

i

  oraz  T

d

  mają  miano  czasu.  Zamiast  wzmocnienia  K

p

  operuje  się  zazwyczaj 

jego odwrotnością zwaną zakresem proporcjonalności i wyrażaną w procentach: 

p

K

1

=

χ

Nazwa  „zakres  proporcjonalności”  odnosi  się  do  dopuszczalnego  zakresu  zmian  sygnału 

wejściowego,  któremu  odpowiada  zmiana  sygnału  wzmocnionego  w  pełnym  zakresie. 
Przekroczenie  zakresu  proporcjonalności  powoduje  nieprawidłową  pracę  wzmacniacza 
(wejście w nasycenie).  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.  

Ilustracja pojęć czasu regulacji t

r

 (b) i przeregulowania ε 

 
Parametr  T

i

  określający  „intensywność”  działania  całkującego  nazywany  jest  czasem 

zdwojenia.  Czas  zdwojenia  jest  równy  czasowi,  po  jakim  odpowiedź  członu  całkującego  na 
skokową  zmianę  sygnału  e  od  wartości  zerowej  staje  się  równa  sygnałowi  e,  a  tym  samym 

t

r – 

czas regulacji 

Dopuszczalna odchyłka 

regulacji ε 

A

A

 
 
Przeregulowanie  

%

100

1

2

×

=

A

A

χ

 

y

o

 

t

o

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 11 

sygnał  wyjściowy  regulatora  PI  podwaja  się  w  stosunku  do  swojej  wartości  początkowej. 
Parametr  T

d

  określający  proporcję,  z  jaką  uwzględnia  się  działanie  różniczkujące 

w regulatorze, zwany jest czasem wyprzedzenia. Czas wyprzedzenia T

d

 jest równy czasowi, po 

jakim  liniowo  narastający  sygnał  wejściowy  zrówna  się  z  sygnałem  wyjściowym  członu 
różniczkującego. 

Przed  projektantem  układu  regulacji  staje  problem  wyboru  typu  regulatora  oraz  doboru 

jego nastaw. Pierwszym nadrzędnym kryterium doboru nastaw jest warunek stabilności układu, 
niezależnie od wielkości błędów zakłócających.  

Cel  ten  można  jednak  zazwyczaj  osiągnąć  przy  każdym  z  wymienionych  typów 

regulatorów. Typ regulatora dobiera się więc ze względu na inne właściwości układu regulacji. 
Właściwościami  takimi  są  np.  wartość  odchyłki  statycznej  w  zależności  od  wartości  zadanej 
oraz  w  zależności  od  zakłóceń,  tłumienie  zakłóceń  w  zależności  od  szybkości  ich  zmian 
(częstotliwości), szybkość regulacji i dokładność nadążania za zmianami wartości zadanej. 

 
Czas  regulacji  t

r

  jest  to  czas,  jaki  upływa  od  chwili  podania  na  wejście  układu  sygnału 

skokowego  (t

0

)

 

do  chwili,  w  której  wartość  regulowana mieści  się  w  dopuszczalnej  odchyłce 

regulacji ε. Czas regulacji powinien być jak najkrótszy. 

Sposób  dochodzenia  do  wartości  ustalonej  w  odpowiedzi  na  skokową  zmianę  sygnału 

charakteryzowany jest za pomocą przeregulowania:  

1

2

A

A

=

χ

100% 

gdzie: A

1

 i A

2

 – są to dwie kolejne amplitudy wahnięć sygnału wyjściowego. 

W  procesie  regulacji  należy  tak  dobrać  parametry  regulacji  by  przeregulowanie  było  jak 

najmniejsze. 

Zastosowanie  takich  skomplikowanych  struktur  regulatorów  PID  zapewnia  dobre 

parametry  regulacji  (przeregulowanie,  czas  regulacji,  itp.).  Zastosowanie  członów  D  i  I 
powodują kilkakrotne skrócenie czasu regulacji. Jednak człon I wprowadza pewne oscylacje.  

Ocena  przydatności  danego  typu  regulatora,  jeśli  miałaby  opierać  się  na  odpowiedziach 

skokowych  układu  regulacji,  wymagałaby porównania  odpowiedzi  otrzymanych  przy  różnych 
wartościach nastaw. 
 
Dobór nastaw regulatorów metodą Zieglera–Nicholsa 

Zapewnienie dobrych parametrów w przemysłowych układach regulacji jest często trudne. 

Opracowano kilka metod doboru nastaw regulatorów. Do najczęściej stosowanych zalicza się 
metoda Zieglera–Nicholsa.  

Procedura  doboru  nastaw  rozpoczyna  się  od  zbudowania  układu  z  otwartą  pętlą 

sprzężenia  zwrotnego,  uruchomienia  układu  (przy wyłączonych  członach  I  i  D)  i  podania  na 
wejście  regulatora  sygnału  skoku  jednostkowego  (rys.  5a).  W  trakcie  pracy  układu rejestruje 
się zmiany  wartości  wyjściowej  y.  Faza ta trwa do czasu ustabilizowania się sygnału wartości 
wyjściowej.  Na  podstawie  wykonanych  pomiarów  wykreśla  się  charakterystyką  y  =  f(t)  
(rys. 5b). Z otrzymanego przebiegu należy odczytać trzy parametry: T

z

, T

m

, K. 

Czas  ustalania  się  T

m

  jest  to  czas,  jaki  upływa  od  chwili  t

0

  podania  na  wejście  układu 

sygnału  skokowego  do  chwili,  od  której  począwszy  różnica  między  wielkością  wyjściową 
(regulowaną) y, a jej wartością ustaloną y

ust

 nie przekracza określonej części różnicy ε między 

nową  wartością  ustaloną  y

ust

  a  wartością  ustaloną  przed  podaniem  sygnału  skokowego  y(t

0

). 

Przeregulowanie K określa się dla odpowiedzi na skokową zmianę zakłóceń K = Δy/Δu

dla regulatora typu P: 

m

z

p

KT

T

K

7

,

0

=

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 12 

dla regulatora typu PI: 

m

z

p

KT

T

K

7

,

0

=

z

m

i

T

T

T

37

,

0

+

=

 

dla regulatora typu PID: 

m

z

p

KT

T

K

2

,

1

=

m

i

T

T

×

=

2

m

d

T

T

×

=

4

,

0

 

Takie parametry zapewniają osiągnięcie najkrótszego czasu regulacji przy przeregulowaniu 

wynoszącym ok. 20%. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 5.   Wyznaczanie  K,  Tz  i  Tm  do  wyznaczania  doboru  nastaw  metodą  Nequista:  a)  sygnał  skoku 

jednostkowego  podawanego  na  wejście  układu z otwarta pętlą sprzężenia zwrotnego, b) wykreślona 
charakterystyka  przykładowego  sygnału  wartości  wyjściowej  y  =  f(t)  z  naniesionymi  stycznymi  do 
przebiegu,  c)  przewidywany  sygnał  wyjściowy  układu  z  zamkniętą  pętla  sprzężenia  zwrotnego 
z zastosowanymi nastawami 

 

T

T

t

t

o

+T

t

o

+T

m

+T

Δy

 

Δy

 

Δu

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 13 

Regulacja dwustawna  

Określenie  regulacja  dwustawna  lub  dwupołożeniowa  odnosi  się  do  postaci  sygnału 

sterującego,  który  może  przyjmować  dwie wartości  (w  danym  czasie  jedną  z dwóch).  Sygnał 
sterujący służy zazwyczaj do oddziaływania na przepływ energii elektrycznej. 

Układem  regulacji  dwustawnej  jest  np.  układ  regulacji  temperatury  wody  w  bojlerze 

elektrycznym, w którym przez  element bimetalowy i przez grzałkę przerywa przepływa prąd. 
Grzałka  powoduje  wzrost  temperatury  grzanej  wody.  W  momencie  gdy  woda  osiągnie 
odpowiednią temperaturę termobimetal rozwiera się i przerywa przepływ prądu przez grzałkę. 
Sygnał  sterujący  przyjmuje  tu  dwie  wartości  (załącz  i  wyłącz)  odpowiadające  grzaniu 
i stygnięciu wody. 

Rzeczywiste obiekty cieplne wykazują pewne właściwości nieliniowe. Strukturę typowego 

układu regulacji dwustawnej przedstawiono na rys. 6. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 6.  

Układ dwustawnej regulacji temperatury 

 
Sygnał sterujący u przyjmuje dwie wartości: u = 1 odpowiadającą grzaniu obiektu i u = 0 

odpowiadającą stygnięciu obiektu. Regulator nadaje sygnałowi sterującemu wartość u = 1, gdy 
odchyłka regulacji jest dodatnia, tzn. gdy temperatura obiektu wyrażona zmienną y jest niższa 
od temperatury zadanej (zmienna y

0

), a wartość 0, gdy odchyłka regulacji jest ujemna. 

Obiekt  reaguje  na  zmianę  sterowania  z  opóźnieniem  (rys.  7):  po  wyłączeniu  grzania 

temperatura  obiektu  wzrasta  jeszcze  przez  czas  T

m

  i  dopiero  po  tym  czasie  zaczyna  się 

zmniejszać.  Podobnie  po  ponownym  włączeniu  grzania  (w  chwili  gdy temperatura  –  sygnał  y 
zmniejszy się poniżej wartości y

0

) temperatura zmniejsza się jeszcze przez czas T

m

 i dopiero po 

tym czasie zaczyna się zwiększać. 

Temperatura  obiektu  nie  ustala  się,  lecz  oscyluje  wokół  wartości  zadanej  y

0

.  Amplituda 

oscylacji  i  ich  okres  jest  stały  (pomijając  początek  przebiegu).  Oscylacje  świadczą 
o niestabilności  układu  regulacji,  niemniej  nie  dyskwalifikują  go do zastosowań praktycznych, 
ponieważ  w  praktyce  ograniczone  wahania  temperatury  wokół  wartości  zadanej  zazwyczaj 
można uznać za dopuszczalne, jeżeli tylko ich amplituda jest dostatecznie mała. 

Amplituda oscylacji temperatury zależy od stałych czasowych T

m

 T

z

Im większy jest czas 

opóźnienia  T

m

,  tym  dłużej  temperatura  obiektu  wzrasta  po  wyłączeniu  grzania  i  tym  dłużej 

zmniejsza  się  po  włączeniu,  a  więc  tym  większa  jest  amplituda  oscylacji.  Im  większa  jest 
bezwładność  obiektu  (stała  czasowa  inercji),  tym  wolniej  zmienia  się  temperatura  obiektu,  a 
więc tym mniejsza jest amplituda oscylacji.  

Wartość  (liczbowa)  stosunku  stałych  czasowych  T

m

  i  T

z

  wynosi  typowo  0,01

÷

0,1  dla 

małych pieców, a sięga 0,5 dla pomieszczeń.  

y

ε 

0

 

1

 

u

 

T

y

 

Regulator 

Obiekt 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 14 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 7.  

Przebieg temperatury w regulacji dwustawnej 

 

Układy regulacji trójstawnej 

Regulatory  trójstawne  (trzypołożeniowe)  charakteryzują  się  sygnałem  wyjściowym 

mogącym  przyjmować  trzy  wartości.  Produkowane  są  m.  in.  trójstawne  regulatory 
temperatury,  w  których  sygnały  sterujące  przyjmują  trzy wartości  odpowiadające działaniom: 
grzanie,  grzanie  i  chłodzenie  wyłączone,  chłodzenie.  Regulatory  takie  są  wyposażone 
w korekcyjne  sprzężenie  zwrotne  zmniejszające  amplitudę  drgań  i  nadające  im  cechy 
regulatorów typu PD lub PID. 

Regulatory  trójstawne  stosuje  się  często  w  połączeniu  z  silnikami  elektrycznymi  jako 

urządzeniami  wykonawczymi,  służącymi  np.  do  przestawiania  zaworów.  Sygnały  sterujące 
regulatora  odpowiadają  wtedy  włączeniu  silnika  1,  wyłączeniu  0  oraz  włączeniu  silnika 
w przeciwnym  kierunku  wirowania  –1  .  W przeciwieństwie  do  regulacji  dwustawnej możliwe 
jest  pozostawanie  silnika  w  bezruchu.  Silnik  sterowany  jest  impulsami  +1  i  –1  ,  o  czasie 
trwania  zależnym  od  wartości  odchyłki,  poprzedzielanymi  okresami  wyłączenia  0.  Silnik 
wykonuje  jak  gdyby  kroki;  stąd  pochodzi  stosowana  nazwa  tych  regulatorów  –  regulatory 
krokowe. 

Przy dużych stałych czasowych obiektów regulatory krokowe zapewniają jakość regulacji 

podobną do osiąganej przez analogiczne regulatory typu ciągłego. 
 

Złożone układy regulacji 

Omawiane  dotychczas  układy  miały  zazwyczaj  prostą  strukturę  jednopętlową.  Często 

układy stosowane w praktyce są niekiedy znacznie bardziej rozbudowane. 

Proste układy regulacji mogą wchodzić w skład innych układów sterowania lub regulacji. 

W  szczególności  serwomechanizmy  pełnią  często  pomocniczą  rolę  „wewnątrz”  innych 
układów,  służąc  np.  do  ustawiania  w  odpowiednim  położeniu  zaworów  dławiących  strumień 
czynnika  stanowiącego  wielkość  sterującą  obiektu;  sygnałem  zadanym  dla  tych 
serwomechanizmów może być sygnał wyjściowy regulatora „głównego”. 

T

z

 

T

m

 

T

m

 

T

m

 

y

o

 

y

m

 

T

m

 

ε 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 15 

Sytuacja, w której sygnał wyjściowy jednego regulatora stanowi sygnał zadany dla innego 

regulatora (układu regulacji), występuje także w tzw. kaskadowych układach regulacji (rys. 9). 
Układy  takie  stosuje  się,  gdy  w  obiekcie  regulacji  udaje  się  wyodrębnić  i  zmierzyć  wielkość 
pomocniczą  y

1

  uzależnioną  od  części  zakłóceń  Z

1

  oddziałujących  na  obiekt  i  dających 

informację  o  tych  zakłóceniach  wcześniej  niż  wielkość  regulowana  y  (np.  gdy  właściwości 
opóźniające  wykazuje  głównie  druga  część  obiektu).  Pomocniczy  układ  regulacji  obejmujący 
część  I  obiektu  może  wytłumić  zakłócenia  Z

1

  znacznie  lepiej  niż  uczyniłby  to  jednopętlowy 

układ regulacji  zmiennej  y.  Co  więcej,  zakłócenia  Z

2

 także mogą być  dzięki temu nieco lepiej 

wytłumione. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 8.  

Struktury układów regulacji kaskadowej 

 
Tłumienie  zakłóceń  stanowi  zasadniczy  cel  wielu  układów  regulacji  (i  sterowania) 

procesów  technologicznych.  Realizowane  jest  ono  w  rozmaitych  strukturach,  począwszy  od 
najprostszej.  Układ  regulacji  kaskadowej  (rys.  8)  umożliwia  uniezależnienie  się  od  zmian 
samego  napięcia  zasilania.  Regulator  pomocniczy reaguje na  zmiany  napięcia  zasilania układu 
regulacji.  Regulator  główny  natomiast  odpowiada  za  kompensację  zakłóceń  bezpośrednio 
oddziałujących na regulowany parametr. 

 

Czujniki i przetworniki pomiarowe  

Urządzenie pomiarowe składa się z: 

– 

czujnika  pomiarowego,  zamieniającego  wielkość  mierzoną  na  wielkość  pośredniczącą,  
np. poziom cieczy na napięcie elektryczne lub na przesunięcie,  

– 

przetwornika  lub  kilku  przetworników,  zamieniającego  daną  wielkość  pośredniczącą  na 
sygnał o wymaganej postaci. 

Wielkości  pośredniczących  jest  stosunkowo  mało,  znacznie  mniej  niż  wielkości 

mierzonych.  Jako  wielkości  pośredniczących  używa  się  zazwyczaj  napięcia,  prądu,  rezystancji, 
częstotliwości, impulsów, rzadziej przesunięcia liniowego i kątowego. Zatem przy bardzo dużej 
ilości czujników pomiarowych, mamy zacznie mniej układów pośredniczących. 

Konstrukcja  przetworników  pomiarowych  jest  dostosowana  do postaci i zakresu sygnału 

wyjściowego,  który  musi  odpowiadać  wymaganiom  konkretnego  urządzenia  sterującego 
(np. regulatora) lub standardu aparatury. 

 

Część I 

 

Część II 

Zakłócenie Z

Zakłócenie Z

Regulator  

pomocniczy 

Regulator  

główny 

Obiekt 

wielkość 

regulowana 

pomocnicza wartość 

regulowana y

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 16 

Wejście  przetwornika  jest  zazwyczaj  do  pewnego  stopnia  uniwersalne,  by  umożliwić 

współpracę  z  różnymi  czujnikami;  np.  możliwa  jest  zmiana  zakresu  sygnału  wejściowego 
przetwornika. 

Niektóre  regulatory  umożliwiają  bezpośrednie  dołączanie  czujników określonego rodzaju, 

np.  regulatory  temperatury  –  termoelementów  i  termorezystorów.  Zdarza  się  też,  że  czujnik 
wykonywany jest łącznie z przetwornikiem pomiarowym. 

 
Właściwości  dynamiczne  urządzeń  pomiarowych  często  są  zaniedbywane,  ponieważ 

zazwyczaj  dominujące  znaczenie  mają  właściwości  dynamiczne  innych  elementów  układu 
sterowania  (obiektu  i  regulatora).  Należy  jednak  zdawać  sobie  sprawę,  że  właściwości 
dynamiczne  czujnika  i  przetwornika  mogą  się  ujawnić,  np.  przy  zastąpieniu  urządzenia 
pomiarowego  innym,  o  gorszych  właściwościach  dynamicznych.  Efektem  takiej  zamiany  może 
być pogorszenie właściwości dynamicznych całego układu regulacji. 

Właściwości  dynamiczne urządzeń pomiarowych charakteryzuje się podając pewne parametry 

czasowe  związane  z  ustalaniem  się  sygnału  wyjściowego  po  skokowej  zmianie  sygnału 
wejściowego lub parametry częstotliwościowe odnoszące się do charakterystyki częstotliwościowej 
modułu (częstotliwość graniczna) bądź przesunięcia fazowego. 

Takie  szczegółowe  określanie  dokładności  dotyczy  czujników  i  przetworników  służących 

do  pomiaru  wielkości  ciągłych.  Wprawdzie  wynik  pomiaru  może  przybierać  postać  dyskretną, 
np. częstotliwości impulsów (wielkość pośrednicząca), ale błąd dyskretyzacji może być dostatecznie 
mały, by mieścił się w klasie dokładności. 

 
Niekiedy  zadaniem  czujnika  nie  jest  dokonywanie  pomiaru,  ale  rozróżnianie  dwóch 

sytuacji  w  rodzaju:  przed  drzwiami  stoi  człowiek  (nie  stoi),  winda  jest  przeciążona  (nie jest), 
przenośnik  linii  galwanizerskiej  znajduje  się  dokładnie  nad  wanną  (niedokładnie  –  nie  może 
wykonywać  ruchów  pionowych),  temperatura,  prąd,  poziom  przekroczyły  wartość  graniczną 
(nie przekroczyły)  itd.  Informacje  takie  mogą  być  wykorzystane  do  sterowania  (otwierania 
drzwi),  sygnalizacji  (przekroczenia  temperatury),  zabezpieczeń,  blokad  itd.  Do  tego  rodzaju 
zadań  stosuje  się  zarówno  czujniki  przystosowane wyłącznie  do  rozróżniania dwóch  sytuacji, 
np.  wyłącznik  naciskowy  załączany,  gdy  nacisk  podłogi  windy  jest  dostatecznie  duży,  jak 
i ciągłe  układy  pomiarowe,  których  sygnały  wyjściowe  są  następnie  przetwarzane  w  celu 
otrzymania  informacji,  np.  sygnalizowania  przekroczenia  wartości  granicznych  przez  sygnał 
wejściowy  (ciągły)  regulatora.  Wiele  układów  pomiarowych  ma  charakter  mieszany,  czujnik 
o charakterystyce  ciągłej,  np.  fotodioda,  może  być  połączony  z  dyskryminatorem  (urządzeniem 
przetwarzającym sygnały analogowe na cyfrowe) wytwarzającym sygnał logiczny 0 lub 1. 

Wymagania  dokładności,  zarówno  statycznej  jak  i  dynamicznej,  w  przypadku  rozróżniania 

przez  czujnik  dwóch  sytuacji  zależą  od  konkretnego zadania,  z  reguły  jednak  są znacznie  niższe 
niż przy pomiarach wielkości ciągłych. 

Znajomość  zasady  działania  czujnika  pomiarowego  (przetwornika)  pozwala  niekiedy  uniknąć 

poważnych  błędów,  np.  podczas  obsługi  lub  wykonywania  czynności  w  pobliżu  czujnika. 
Przykładowo,  pracę  czujnika  fotoelektrycznego można  zakłócić  dodatkowym  źródłem światła lub 
zapyleniem.  Opiłki  metalowe  lub  pył  grafitowy  mogą  zakłócić  pomiar  położenia  stołu  obrabiarki 
indukcyjnym  czujnikiem  przesunięcia  (induktosynem),  natomiast  są  mniej  niebezpieczne  przy 
pomiarze  fotooptycznym.  W  niektórych  przypadkach  można  zakłócić  pracę  czujnika,  używając 
w pobliżu niego radiotelefonu, defektoskopu ultradźwiękowego itd. 
 
Czujniki pomiarowe 

W  układach  pomiarowych  stosowane  są  czujniki,  których  działanie  oparte  jest  na 

rozmaitych  zjawiskach  i  prawach  fizycznych  i  które  są  wykonywane  w  wielu  odmianach 
konstrukcyjnych. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 17 

Przykładowo  do  pomiaru  temperatury  stosuje  się  termoelementy,  których  sygnałem 

wyjściowym  jest  napięcie,  termorezystory  i  termistory  zmieniające  swą  rezystancję,  czujniki 
bimetaliczne,  reagujące  odkształceniem  (przesunięciem),  czujniki  manometryczne  reagujące 
zmianą ciśnienia, czujniki cieczowe zmieniające wysokość słupa cieczy, czujniki pirometryczne 
reagujące  na  promieniowanie  cieplne  zmianą  sygnału  elektrycznego,  itd.  Szczególnie  duża  ilość 
zasad działania cechuje urządzenia pomiarowe, służące do analizy składu chemicznego. 

Niektóre  czujniki  mają  bardzo  prostą  konstrukcję,  np.  termoelement,  inne  są 

rozbudowanymi  urządzeniami  o  wysokiej  precyzji,  np.  układy  pomiaru  pozycji  jednostki 
pływającej. 

Konstrukcja  czujników  wiąże  się  z  metodą  pomiaru,  w  szczególności  niektóre  czujniki 

przesunięcia lub przesunięcia kątowego mogą być stosowane tylko do pomiaru przyrostowego, 
a  nie  absolutnego.  Pomiar  absolutny  odbywa się  względem  stałego  punktu odniesienia,  natomiast 
pomiar przyrostowy – względem dowolnie wybranego punktu odniesienia.  

Przykładowo, za pomocą tarczy kodowej (rys. 9a) można określić każdorazowo położenie 

elementu  z  dokładnością  skoku  punktu,  natomiast  za  pomocą  czujnika  kreskowego  (rys.  9b) 
można określić jedynie wielkość i kierunek zmiany położenia kątowego tarczy w stosunku do 
położenia  początkowego.  Przyrostowe  układy  pomiarowe  tracą  orientację  w  przypadku 
przerwy w zasilaniu i wymazaniu stanu liczników zliczających impulsy.  

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  0  1  0  1  0  1  0  1  0 

1  0  1  0  1  0 

0  1  1  0  0  1  1  0  0  1 

1  0  0  1  1  0 

0  0  0  1  1  1  1  0  0  0 

0  1  1  1  1  0 

0  0  0  0  0  0  0  1  1  1 

1  1  1  1  1  0 

0  0  0  0  0  0  0  0  0  0 

0  0  0  0  0  1 

 

 

Rys. 9.   Tarcze  liniowe  do  dyskretnego  pomiaru  położenia  liniowego:  a)  kodowa  –  pomiar  absolutny; 

b) kreskowa – pomiar przyrostowy 

 
W  automatyce  przemysłowej  do  podstawowego  asortymentu  zalicza  się  czujniki 

temperatury,  ciśnienia,  przepływu,  przyśpieszenia,  napięcia,  prądu,  częstotliwości,  poziomu, 
przesunięcia liniowego oraz prędkości obrotowej (tab. 1). W elektroenergetycznej automatyce 
zabezpieczeniowej podstawowymi elementami pomiarowymi są przekaźniki pomiarowe. 

 

Tab. 1.   Przykładowe czajniki pomiarowe wielkości ciągłych 

 

Wielkość 

mierzona 

Nazwa czujnika 

Wielkość wyjściowa 

Temperatura 

Termoelement 
Termorezystor 
Termistor 
Czujnik bimetalowy 
Czujnik manometryczny 

Napięcie stałe 
Rezystancja 
Rezystancja 
Przesunięcie 
Ciśnienie 

a) 

 

Fotodetektor 

b) 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 18 

Ciśnienie 

Manometry z elementami sprężystymi 
(rurka Bourdona, mieszek sprężysty,  
membrana sprężysta) 
Manometr cieczowy  
Waga pierścieniowa  
Czujnik tensometryczny 
(półprzewodnikowy) 

Przesunięcie  
Różnica poziomów  
Kąt obrotu 
Rezystancja 

Poziom 

 

Pływak 
Pływak wypornościowy (nurnikowy) 
Czujnik pojemnościowy 

Przesunięcie 
Siła 
Pojemność elektryczna, 

Przepływ 

Zwężka 
Turbinka 
Termoanemometr 

Różnica ciśnień  
Prędkość obrotowa  
Rezystancja (napięcie) 

Przesunięcie 

liniowe 

Potencjometr 
Czujnik indukcyjny transformatorowy 
Czujnik pojemnościowy 
Czujnik fotoelektryczny  
Czujnik pneumatyczny 

Napięcie 
Napięcie zmienne (amplituda lub przesunięcie 
fazy)  
Napięcie zmienne  
Impulsy  
Ciśnienie 

Prędkość 

kątowa 

Prądnica tachometryczna  
Tarcza impulsowa 

Napięcie 
Częstotliwość impulsów (napięcie) 

 
Układy sterowania i kontrolne 

Funkcje  sterowania  realizują  układy  sterowania  automatycznego  i  zdalnego.  Pierwsze 

z wymienionych  są  przeznaczone  do  sterowania  pracą  urządzeń  bez  ingerencji  człowieka, 
zgodnie  z  ustalonym  zadaniem.  Z  kolei  układy  sterowania  zdalnego  umożliwiają  personelowi 
oddziaływanie ze stanowiska operatorskiego na pracę określonego urządzenia w celu realizacji 
zadania. 

 
Układ alarmowy pełni zadanie sygnalizowania stanów, w których występują odchylenia od 

ustalonych  wartości  granicznych  parametrów  obiektów  sterowania,  lub  w  których  następują 
zmiany  w  wybranych  warunkach  pracy  urządzenia.  Układ  alarmowy  jest  aktywny,  po 
zadziałaniu  układu  bezpieczeństwa,  lub  gdy  nastąpi  zanik  energii  zasilającej  poszczególne 
układy automatyki, oraz po włączeniu się zasilania rezerwowego tych urządzeń.  

Stany  alarmowe  poszczególnych  urządzeń  są  wskazywane  na  stanowiskach  sterowania, 

a także prezentowane  generowanie sygnałami świetlnymi i dźwiękowymi. Sygnał świetlny jest 
podawany światłem przerywanym i podświetlany napis potwierdza awarię. Skasowanie sygnału 
świetlnego jest możliwe dopiero po usunięciu przyczyn jego powstania. Potwierdzenie alarmu 
powoduje  zmianę  charakteru  tego  sygnału  ze  światła  migającego  na  ciągłe  lub  zmianę 
częstotliwości migania, a sygnalizacja dźwiękowa ustaje.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 10.   Schematy blokowe a) układu alarmowego; b) układu bezpieczeństwa 

 

Obiekt 

Układ 

porównawczy 

 

UP 

 

UP 

 

UP 

sygnalizacja 

sygnały 

wejściowe 

sygnały 

wyjściowe 

sygnały 

wejściowe 

 

Obiekt 

Układ 

porównawczy 

 

UP 

sygnały 

wyjściowe 

a) 

b) 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 19 

Układ  alarmowy  działa  niezależnie  od  układów  sterowania  i  bezpieczeństwa  (rys.  10). 

W wypadku  przerwania  obwodu  lub  innego  uszkodzenia  układ  posiada  funkcję  sabotażu
wyzwalającą  sygnał  alarmowy  informujący  o tym  uszkodzeniu.  W  celu  ułatwienia  wykrycia 
krótkotrwałych  stanów  alarmowych  samoczynnie  zanikających,  układ  zachowuje  informacje 
tak,  aby  sygnalizacja  przejściowych  stanów  alarmowych  była  utrzymana  do  chwili  ich 
potwierdzenia. 

 
Zadaniem 

układów 

bezpieczeństwa  jest  generowanie  sygnałów  oddziaływających 

na urządzenie sterowane – obiekt w taki sposób, aby zabezpieczyć to urządzenie przed awarią 
lub  rozszerzeniem  się  jej  skutków.  Układ  bezpieczeństwa  urządzeń  działa  automatycznie 
po przekroczeniu  granicznych  wartości  parametrów,  które  mogą  spowodować  awarię  (rys. 
10b).  Ponadto  system  bezpieczeństwa,  uwzględniając  właściwości  i  cechy  zabezpieczanych 
urządzeń,  obejmuje  swoim  działaniem  wszystkie  możliwe  do  przewidzenia  stany  awaryjne. 
Ze względu  na  to,  że  omawiany  układ  musi  działać  niezależnie  od  układów  sterowania 
i alarmowego,  jakiekolwiek  uszkodzenia  tych  ostatnich  nie  wpływają  na  jego  pracę.  Układ 
bezpieczeństwa  działa  w  określonej  sekwencji  –  realizuje  w  określonej  kolejności  funkcje 
prowadzące 

do 

stanów 

mniej 

krytycznych, 

zmniejszających 

zagrożenie. 

System 

bezpieczeństwa  w  pierwszej  fazie  uruchamia  zespół  urządzeń  rezerwowych,  pozwalający 
na przywrócenie  normalnych  warunków  pracy,  później  redukuje  obciążenie,  przez  co  praca 
urządzenia  zostaje  czasowo  dostosowana  do  zaistniałych  warunków.  W  końcowej  fazie 
działania  układu  bezpieczeństwa  następuje  awaryjne  zatrzymanie  jego  pracy.  Po  zatrzymaniu 
urządzenia  przez  układ  bezpieczeństwa  jego  ponowne  uruchomienie  nie  następuje 
automatycznie,  lecz  wyłącznie  po  uprzednim  ręcznym  odblokowaniu.  W  niektórych  stanach 
krytycznych  układ  bezpieczeństwa  powoduje  natychmiastowe  zatrzymanie  pracy  urządzenia 
z pominięciem faz przejściowych. 
 
Zamknięty układ regulacji automatycznej 

W  okrętowych  układach  sterowania  stabilizacja  lub  regulacja  nadążna  parametrów  jest 

realizowana  za  pomocą  zamkniętych  układów  regulacji.  W  układach  tych  wartości  zadane 
mogą być: 

 

stałe  niezmienne  –  regulacja  stałowartościowa  –  regulacja  ta  będzie  polegać  na 
zachowaniu  wartości  wyjściowej  z  obiektu  na  poziomie  niezmienionym,  względem  stałej 
wartości  zadanej  poprzez  kompensację  działania  zakłóceń  na  obiekt  sterowania  (np. 
utrzymanie stałego zanurzenia jednostki), 

 

zmienne w funkcji czasu – regulacja nadążna – regulacja powoduje, że wartość wyjściowa 
zmienia się nadążając za zmianą wartości zadanej (np. układy regulacji temperatury wody, 
ciśnienia oleju). 
W  układach  tych  oprócz  obiektu  sterowania  można  wyróżnić  następujące  podstawowe 

bloki automatyki: pomiarowy, regulacji, wykonawczy (rys. 11). 

Informacji  o  stanie  regulowanej  wielkości  rzeczywistej  –  wyjściowej  dostarczają  układy 

pomiarowe,  tworzące  blok  pomiarowy  układu  regulacji.  Źródłem  sygnału  jest

 

czujnik  lub 

urządzenie pomiarowe mierzące bezpośrednio wielkość fizyczną wyjściową z obiektu. Zwykle 
sygnał  ten  jest  przetwarzany  z  wielkości  nieelektrycznej  na  elektryczną,  filtrowany 
i wzmacniany.

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 20 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 11.   Schemat blokowy układu regulacji automatycznej 

 
W  takiej  postaci  wielkość  mierzona  jest  porównywana  z  wielkością  zadaną  w  bloku 

regulacji i w wypadku wystąpienia uchybu pomiędzy tymi wartościami regulator wypracowuje 
według  określonej  reguły  sterowania  (np.  trójpołożeniowej  czy  PID)  sygnał  przesyłany 
następnie do siłownika w bloku wykonawczym. Następnie element nastawczy zmienia wartość 
sterującą  obiektu  sterowania,  co  powoduję  zmianę  wartości  rzeczywistej.  Dąży  się  do  tego. 
aby proces regulacji trwał tak długo, aż uchyb regulacji osiągnie wartość równą zeru lub bliską 
tej  wartości  (uchyb  mieści  się  w  zakresie  dopuszczalnego  uchybu  ustalonego).  Ze stanu 
równowagi  może  wyprowadzić  układ  zmiana  wartości  zadanej  lub  zakłócenia  działające  na 
obiekt regulacji (np. zmiana temperatury, obciążenia, itp.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 12.   Zamknięty układ regulacji na przykładzie układu regulacji temperatury wody chłodzącej silnik 

 
Przykładem  rozwiązania  układu  regulacji,  który  często  występuje  na  statkach,  jest  układ 

stabilizujący temperaturę obiegu chłodzącego wody i oleju silnika głównego oraz napędowego 
zespołu  prądotwórczego.  W  układzie  regulacji  temperatury,  oprócz  podstawowej  pętli, 
występuje  dodatkowo  sprzężenie  badające  położenie  zaworu  trójdrożnego  regulującego 
natężenie  przepływu  wody  słodkiej,  chłodzonej  wodą  morską.  Podwójna  pętla  regulacji 
temperatury  i  pozycji  zaworu  zapewnia  poprawę  jakości  stabilizacji  temperatury  poprzez 

Nastawnik 

wartości 

zadanej 

 

Regulator 

 

Siłownik 

Element 

nastawczy 

 

Obiekt 

sterowania 

 
 
 
 
 

Blok regulacji 

 
 
 
 
 

Blok wykonawczy 

Przetwornik 

pomiarowy 

 

Czujnik 

 
 
 
 

Blok pomiarowy 

zakłócenia 

 
 
 

wymiennik 

 ciepła 

TC 

Do silnika 

woda  
morska 

Regulator 

PID 

Regulator 

pozycji 

Sygnały 
wejściowe 

 

temp. zadana 
silnika 80

O

zawór 

trójdrożny 

woda  

słodka 

czujnik 

temperatury 

sterownik 

OUT 

IN 

IN 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 21 

dokładne pozycjonowanie zaworu regulującego. Obiektem sterowania jest wymiennik ciepła – 
chłodnica.  Sygnałem  wyjściowym  jest  temperatura  cieczy  chłodzonej,  mierzona  przez  czujnik 
rezystancyjny  PTIOO  –  TC.  Następnie  wartość  rezystancji  czujnika  przetwarzany  jest  na 
wartość  prądu  w  zakresie  4–20mA.  W  sterowniku  analogów  sygnał  wejściowy  IN  prądu 
przetwarzany jest za pomocą karty przetwornika A/C (analogowo–cyfrowego) na sygnał cyfrowy. 
Zwykle  stosowane  są  przetworniki  ośmio–  lub  dwunastobitowe,  w  zależności  od wymaganej 
dokładności  pomiaru.  Pozycja  zaworu  określana  jest  przez  rezystancję  potencjometru,  która 
następnie  zostaje  przetworzona  na  proporcjonalny do  rezystancji sygnał prądu. W sterowniku 
za  pomocą  karty  przetwornika  A/C  sygnał  zamieniany  jest  na  sygnał  cyfrowy.  Regulacja 
odchylenia  mierzonej  temperatury  od  temperatury  zadanej  przebiega  zgodnie  z  regułą  PID. 
Sygnał  sterujący  OUT  przetwarzany  jest  przez  kartę  C/A  (cyfrowo–analogową)  na  postać 
analogową,  najczęściej  na  sygnał  prądowy  4–20  mA,  i  następnie  przesyłany  jako  sygnał 
sterujący do zaworu regulacyjnego. 

Zawór  z  reguły  posiada  własny  przetwornik  I/P  (prądu  na  ciśnienie),  który  wykorzystuje 

sygnał  położenia zaworu w lokalnej pętli sterowania nadążnego. Sygnał położenia zaworu ma 
istotne  znaczenie  w  lokalnej  pętli  sterowania  nadążnego,  gdy  charakterystyka  zaworu 
sterującego przyjmuje postać nieliniową. 

 
4.1.2. Pytania sprawdzające 

 
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 

1.  Co oznaczają pojęcia sterowanie i regulacja? 
2.  Co to jest zamknięty układ regulacji? 
3.  Czym różnią się ciągłe układy regulacji od układów dwu– i trzypołożeniowych? 
4.  Jakie funkcje pełnią elementy wykonawcze w układu automatycznej regulacji (UAR)? 
5.  Jakie typy czujników stosuje się w UAR? 
6.  W jakim celu buduje się układy kaskadowe? 
7.  Dlaczego układy alarmowe buduje niezależnie od układów regulacji? 

 
4.1.3.  Ćwiczenia  

 
Ćwiczenie 1 

Zidentyfikuj w przekazanej dokumentacji układ regulacji. Określ elementy, które spełniają 

funkcje: regulatora, czujnika pomiarowego, przetwornika i elementu wykonawczego.  

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  zapoznać się z przekazaną dokumentacją, 
2)  zidentyfikować pętlę sprzężenia zwrotnego,  
3)  przeprowadzić analizę działania układu, 
4)  określić wielkości: sygnał wyjściowy, sygnał zadany, sygnał sterujący, 
5)  wskazać poszczególne elementy układu. 
 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

przybory do pisania, 

 

dokumentacja urządzeń, w których znajdują się układy automatycznej regulacji. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 22 

Ćwiczenie 2 

Określ  zakres  przetwarzania  i  czułość  wskazanego  przez  nauczyciela  czujnika.  Znajdź 

w katalogach zamiennik. Uzasadnij swój wybór. 

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 

1)  określić typ czujnika, 
2)  odnaleźć odpowiednią kartę katalogową czujnika,  
3)  określić podstawowe parametry charakterystyczne i maksymalne czujnika, 
4)  odnaleźć w katalogach lub w sieci Internet czujnik, który może zastąpić czujnik badany. 

 
Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

czujniki pomiarowe – kilka rodzajów, 

 

katalogi czujników lub ich karty katalogowe, 

 

komputer z dostępem do Internetu, 

 

przybory do pisania. 

 
Ćwiczenie 3 

Wyjaśnij zasadę działania układu regulacji temperatury w układzie klimatyzacji dowolnego 

pomieszczenia. Opisz sposób działania każdego elementu biorącego udział w regulacji. 

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 

1)  zidentyfikować podstawowe elementy UAR, 
2)  określić zasadę działania każdego elementu, 
3)  odnaleźć w katalogach charakterystyki podstawowych elementów UAR, 
4)  opisać zasadę działania całego układu. 

 
Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

dokumentacja układu klimatyzacji wraz z regulatorem temperatury, 

 

papier, przyrządy do pisania, 

 

katalogi elementów układów automatycznej regulacji. 

 
4.1.2.  Sprawdzian postępów 

Czy potrafisz: 

Tak 

Nie 

1)  zidentyfikować UAR? 

 

 

2)  zidentyfikować poszczególne elementy UAR? 

 

 

3)  scharakteryzować właściwości regulatorów ciągłych, dwu– 

trzystanowej i kaskadowej?  

 

 

4)  opisać funkcje realizowane przez podstawowe człony regulatorów P, I 

i D ? 

 

 

5)  dobrać zamienniki elementów UAR? 

 

 

6)  określić zasadę pracy podstawowych elementów UAR? 

 

 

7)  dobrać nastawy regulatora PID 

 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 23 

4.2.  Automatyka okrętowa 
 

4.2.1.  Materiał nauczania  
 

Przepisy 

towarzystw 

klasyfikacyjnych 

dotyczące 

zautomatyzowanego 

systemu 

elektroenergetycznego statku odnoszą się do warunków niezawodnej pracy systemu i obejmują 
dwie  grupy  wymagań  związanych  z  fazą  projektową systemu  i  z fazą  produkcyjną W zakresie 
przepisów  związanych  z  fazą  projektową  znajdują  się  cechy  funkcjonalne  i strukturalne  układu,  a 
przepisy  dotyczące  fazy  produkcyjnej  zawierają  wymagania  wykonawcze  odnośnie  do  układów 
automatyki  i  elementów  oraz  urządzeń,  które  wchodzą  w skład  systemów  automatyki.  Przepisy 
towarzystw  klasyfikacyjnych  nie  dotyczą  aspektów  ekonomicznych  projektowania  produkcji  i  w 
późniejszym czasie eksploatacji systemów elektroenergetycznych.  

 
Niekontrolowane  i  nieprzemyślane  wprowadzanie  na  statek  układów  sterowania  może 

spowodować  powstanie  zagrożeń  dla  ludzi  i  przewożonych  towarów.  Dlatego  coraz  częściej 
układy regulacji łączy się ze sobą tworząc zintegrowane systemy zarządzania statkiem. W celu 
ułatwienia  obsługi  tych  nieraz  bardzo  skomplikowanych  układów  na  pokładach  jednostek 
pływających wyodrębniono Centrum Manewrowo – Kontrolne (CMK).  

Stanowisko  to  jest  na  ogół  wyodrębniane  z  przedziału  maszynowego,  pokryte  jest  ono 

izolacją  termiczną  i  akustyczną,  co  w  ogromnym  stopniu  zmniejsza  uciążliwość  obsługi  tych 
urządzeń  oraz  zmniejsza  awaryjność  zainstalowanych  tam  urządzeń.  Na  obecnie  budowanych 
statkach  CMK  stanowi  standardowe  stanowisko  sterowania  na  mostku.  Obsługę  układów 
sterowania ze stanowisk lokalnych prowadzi się tylko w wyjątkowych sytuacjach. 

Automatyzacja  statku  jest  to  proces  integracji  urządzeń  dających  możliwość  sterowania 

wszystkimi układami i urządzeniami okrętowymi w sposób automatyczny, bez udziału człowieka.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 13.   Funkcjonalne rozmieszczenie urządzeń na statku 

 
Statek  jako  obiekt  zautomatyzowany  musi  być  wyposażony  w  urządzenia  automatyki 

obsługujące  maszyny  i mechanizmy,  rozmieszczone  na  całym  statku.  Urządzenia  automatyki 
pozwalają  na  sterowanie  centralne,  w  którym  sygnały  przesyłane  są  za  pomocą  sygnałów 
elektrycznych z CMK do poszczególnych obiektów i z powrotem.  

Sieci te są na ogół zdublowane tak, by w czasie awarii systemu podstawowego, zapasowy 

system mógł przejąć wszystkie funkcje.  

Napęd 

główny 

Rozdzielnica elektryczna 

Urz. pomocnicze 

Ster 

strumieniowy 

Zbiorniki 

balastowe 

Zbiorniki 

zęzy 

kocioł 

Zbiornik 

paliwa 

kotwica 

Kabestan 

cumowniczy 

 

ładownie 

Maszyna 

sterowa 

Kierowanie 

statkiem 

Nawigacja 

Administracja 
i zarządzanie 

Magistrala 

komunikacyjna 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 24 

Typowym przykładem automatyzacji statku jest automatyzacja siłowni. Zautomatyzowaną 

siłownię można eksploatować okresowo bez stałej obsługi. W tym czasie sterowanie i kontrola 
pracy siłowni w ograniczonym zakresie odbywa się ze stanowiska umieszczonego w sterówce, 
na  mostku nawigacyjnym.  Jednak  po określonym czasie konieczna jest interwencja obsługi na 
lokalnych  stanowiskach  kontrolno  –  sterowniczych.  Zakres  i  czas  tej  interwencji,  określony 
został  przez  towarzystwa  kwalifikacyjne,  jakie  stawia  się  w wymaganiach  „siłowni  okresowo 
bezwachtowej”.  W  tym  wypadku  zakres  automatyzacji  urządzeń  powinien  umożliwić 
nienadzorowaną  bezpośrednio  pracę  tych  urządzeń  w  czasie  ośmiu  godzin.  Ośmiogodzinny 
stan  bezwachtowy  pracy  siłowni  wymaga  pełnej  automatyzacji  wszystkich  procesów, 
wytwarzania  energii  elektrycznej,  sterowania  pracą  silnika  napędowego  statku,  oświetlenia  i 
klimatyzacji  pomieszczeń,  stabilizacji  jednostki  itp.  Wydanie  przez  układy  automatyki 
pojedynczego  polecenia  (np.  start  zespołu  napędowego)  oznacza  z  reguły  sekwencyjne 
wykonanie  całego  szeregu  instrukcji  (np.  wstępne  przesmarowanie  przed  startem  silnika, 
otwarcie  zaworu  powietrza startowego, podanie dawki startowej paliwa, wyłączenie dopływu 
powietrza  startowego  itd)  tak,  aby  dane  polecenie  zostało  zrealizowane  zgodnie 
z wymaganiami  technicznymi.  Po  wykonaniu  sekwencji  zadań  układ  automatyki  nie  przestaje 
pracować, kontroluje stan realizacji poleceń i przekazuje obsłudze odpowiednie komunikaty. 

W  zautomatyzowanych  systemach  okrętowych  urządzenia  automatyki  działają  według 

ustalonych  procedur,  sterując  poszczególnymi  układami  w  zależności  od  zmian  warunków 
zewnętrznych i nieprzewidywalnych zakłóceń, nadzorując i sygnalizując przebieg realizacji tych 
procesów. Dodatkowo układy te realizują funkcje alarmowania i zabezpieczenia, niezbędne do 
kontroli stanów krytycznych pracujących urządzeń statku.  

Bardzo  często  obwody  i  układy  automatyki  służące  do  wyświetlania  komunikatów 

i obsługi  stanów  awaryjnych  buduje  się  zupełnie  niezależnie  od  podstawowych  układów 
sterowania.  W  ten  sposób  częściowo  niweluje  się  możliwość  zaistnienia  sytuacji  krytycznej 
w przypadku awarii podstawowego systemu sterowania. 

 

Na statku można wyodrębnić następujące układy funkcjonalne: 

 

układ  elektroenergetyczny  obejmuje  wszystkie  zadania  dotyczące  wytwarzania, 
przetwarzania,  rozdzielania  i  przesyłania  energii  elektrycznej,  a  więc  min.:  uruchamianie 
i zatrzymywanie  zespołów  prądotwórczych,  regulację  napięcia  i  częstotliwości  oraz 
regulację rozkładu obciążenia na zespoły pracujące równolegle,  

 

układ  napędu  głównego  statku,  jest  odpowiedzialny  za  uruchamianie  i  zatrzymywanie 
silnika,  regulację  prędkości  obrotowej,  regulację  kierunku  siły  naporu  pędnika,  regulację 
skoku  śruby  nastawnej  (jeśli  występuje)  oraz  –  w  wypadku  napędu  o  większej  liczbie 
silników – regulację rozkładu obciążenia silników pracujących równolegle, 

 

układ  instalacji  pomocniczych  zapewnia  ciągłość  dostarczania  mediów:  wody,  paliwa, 
oleju  itp.  o  właściwych  parametrach,  niezbędnych  do  prawidłowej  pracy  innych 
podsystemów, 

 

układ  regulacji  temperatury  i  wentylacji  zapewnia  regulację  temperatury,  np.  ładunku, 
wilgotności  czy  przepływu  powietrza  w  ładowniach  i  pomieszczeniach  socjalnych  oraz 
roboczych statku. 

 

układ  parowy  obejmuje  wszystkie  funkcje  związane  z  wytwarzaniem  pary  i  pracą kotłów 
parowych oraz dalszym wykorzystaniem pary. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 25 

Systemy automatyki okrętowej 

W  trakcie  analizy  budowy  i  funkcjonowania  okrętowego  systemu  sterowania  (rys.  14) 

wyróżnić można 4 podstawowe systemy:  

 

energetycznego,  

 

nawigacyjnego,  

 

ładunkowego,  

 

administracji i zarządzania. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

Rys. 14.   Schemat blokowy Okrętowego Sytemu Sterowania 

W  ramach  tych  wydzielonych  systemów  można  wyróżnić  kilka  podsystemów,  i  tak 

w systemie energetycznym wyróżnia się następujące podsystemy:  

 

elektroenergetyczny,  

 

napędowy,  

 

parowy,  

 

urządzeń oraz instalacji pomocniczych siłowni,  

 

podsystem chłodni i klimatyzacji.  

 
W podsystemie ładunkowym natomiast wyróżniamy podsystem: 

 

regulacji temperatury i wentylacji, 

 

przeładunkowy, 

 

balastowania (balastowanie automatyczne w trakcie załadunku i wyładunku).  

 
Z kolei system nawigacyjny dzieli się na: 

 

podsystem prowadzenia statku, 

 

stabilizacji kołysań. 

Okrętowy System Sterowania 

System ładunkowy 

Administracja  

i zarządzanie 

System energetyczny 

Podsystem 

stabilizacji kołysań 

statku 

Podsystem 

prowadzenia 

statku (sterowanie 

po kursie,  po 

kursie trajektorii 

cumowania 

Podsystem 

napędowy 

Podsystem 

pomocniczy 

(chłodzenie 

urządzeń) 

Podsystem 

elektroenergetyczny 

System nawigacji 

Podsystem zasilania 

w parę 

Podsystem 

regulacji 

temperatury 

 i wentylacji 

Podsystem 

przeładunkowy 

Podsystem 

balastowania 

Podsystem 
sterowania 

chłodniami 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 26 

Komputerowy system sterowania statku 

Wśród spotykanych rozwiązań sterowania na statku są dwa typy konfiguracji:  

 

system scentralizowany – jednokomputerowy, 

 

system rozproszony – wielokomputerowy. 
W  systemie  scentralizowanym  przetwarzanie  wszystkich  danych  dotyczących  stanu 

jednostki,  sterowanie  oraz  zadawanie  wartości  oczekiwanych  jest  realizowane  przez 
pojedynczy komputer o dużej mocy obliczeniowej, który wypełnia następujące funkcje: 

 

odczytuje  sygnały  wszystkich  przetworników  pomiarowych,  odczytuje  stan  wszystkich 
klawiatur, wprowadza wartości tych sygnałów kolejno do pamięci wewnętrznej,  

 

realizuje programy sterujące i kontrolne według określonych algorytmów, 

 

wysyła  sygnały  sterujące  procesami,  przesyła  ich  wartości  kolejno  w  czasie  do 
odpowiednich  elementów  wykonawczych  oraz  zbiera  informacje  o  stanie  realizacji  tych 
zadań,  

 

dodatkowo przetwarza informacje zwrotne, wyświetlając je na ekranie monitora. 

Sygnały  z  przetworników  pomiarowych  i sygnały  zadawane  z komputera za pomocą kart 

wej/wyj  przesyłane  są  w  postaci  sygnałów  analogowych  oraz  cyfrowych.  Znaczna  odległość 
między  kontrolerem  głównym  znajdującym  się  zazwyczaj  w  CMK  a  urządzeniami  siłowni 
i punktami  pomiarowymi  prowadzi  do  wysokich  kosztów  okablowania,  montażu  oraz 
zabezpieczenia  tych  przewodów  przed  wpływem  zakłóceń  elektromagnetycznych.  Dodatkowo 
awaria  tego  komputera  powoduje  całkowity  paraliż  wszystkich  systemów  na  jednostce. 
Opanowanie  sytuacji  w  czasie  takiej  awarii  przez  nieliczną  załogę  jest  bardzo  trudne  i  może 
przyczynić  się  do  zaistnienia  wypadku.  W  związku  z  tym  systemy  scentralizowane  nie  mają 
zastosowania na statkach współcześnie budowanych. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
Rys. 15.   Sterowanie rozproszone, w którym istnieje wiele komputerów sterujących 

obsługujących poszczególne układy 

 

POZIOM ZARZĄDZANIA 

(komputer z funkcjami 

wizualizacyjnymi) 

 

POZIOM STEROWANIA 

(komputer A realizujący 
sterowania w wybranym 

podsystemie) 

 

POZIOM STEROWANIA 

(komputer B realizujący 
sterowania w wybranym 

podsystemie) 

 

POZIOM STEROWANIA 

(komputer N realizujący 
sterowania w wybranym 

podsystemie) 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

ze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

ze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź p

rze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

ze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

ze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

ze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

zes

y

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

Uk

ła

dy

 w

ej

ść

/w

yj

ść

 od

cz

y

tuj

ą 

b

ąd

ź 

pr

ze

sy

łaj

ą 

sygna

ły

 s

te

ruj

ące

 

…… 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 27 

Budowę okrętowego systemu sterowania z rozproszonymi jednostkami sterującymi (wiele 

komputerów)  opiera  się  na  wielopoziomowej  strukturze  sterowania  (rys.  15),  w  której 
wyróżnia się, powiązane siecią komunikacyjną, poziomy zarządzania, sterowania i obiektów. 

W  systemie  rozproszonym  (zdecentralizowanym)  przetwarzanie  wartości  stanu  procesu, 

funkcje  kontroli  i  sterowania  są  rozdzielone  między  kilka  przestrzennie  rozproszonych 
komputerów – zwykle sterowników programowalnych typu PLC (paneli lokalnych).  

Sterowniki  te  wyposażone  są  w  karty  wejść  i  wyjść  analogowych  oraz  cyfrowych, 

umożliwiające  pomiar  wielkości  i  sterowanie  poszczególnymi  urządzeniami  siłowni 
za pośrednictwem  członów  pomiarowych  i  elementów  wykonawczych.  Sterowniki, 
wykorzystując  zdwojoną  sieć  (w  celu  zapewnienia  bezpieczeństwa  przesyłania  informacji 
w czasie  awarii),  komunikują  się  z  nadrzędnym  komputerem  z  poziomu  zarządzania, 
odpowiedzialnym za koncentracje sygnałów i wysyłanie sygnałów zadających do sterowników. 
Ponadto  komputer  nadrzędny  obsługuje  pulpit  operatorski,  na  którym  prezentowane 
są w formie graficznej poziomy wartości regulowanych.  

Ze  względu  na  wymagania  techniczne,  bezpieczeństwo,  dyspozycyjność  systemu, 

niezawodność  współpracujących  urządzeń  oraz  ekonomię  rozwiązań,  system  o  konfiguracji 
rozproszonej ma obecnie szerokie zastosowanie w systemach automatyki okrętowej.  

 
Sterowanie  systemami  okrętowymi  i  urządzeniami  odbywa  się  z  wykorzystaniem 

rozproszonych i przypisanych do tych urządzeń mikroprocesorowych układów programowalnych 
–  tzw.  sterowników  swobodnie  programowalnych.  Dotyczy  to  różnego  rodzaju  urządzeń  i 
instalacji  mechanicznych  oraz  elektrycznych  (np.  pomp,  zaworów,  przekaźników). 
Przykładową 

konfigurację 

zintegrowanego 

systemu 

sterowania 

z rozproszonymi 

mikroprocesorowymi  układami  –  sterownikami  programowalnymi  przedstawia  (rys.  15). 
Struktura ta ma charakter hierarchiczny. 

Rozproszone  sterowniki  programowalne  (PLC)  zajmują  najniższe  miejsce  w  hierarchii 

decyzyjnej  tej  struktury.  Sterowniki  te  waz  z  elementami  wykonawczymi  i  z  czujnikami 
pomiarowymi  znajdują  się  w  pobliżu  obiektu  sterowania.  Poprzez  karty  A/C  (analogowo–
cyfrowe)  i  B/C  (binarno–cyfrowe),  zwane  często  modułami  wejściowymi,  sterowniki  zbierają 
informacje  z czujników  umieszczonych  w  punktach  pomiarowych  obiektów.  Natomiast 
poprzez  moduły  wyjściowe  (karty  C/A  cyfrowo–analogowe  i  C/B  cyfrowo–binarne),  sygnały 
sterujące  są przesyłane  do  urządzeń  wykonawczych  (np.  zaworów,  siłowników  itp.). Sygnały 
sterujące  są  generowane  przez  procesor  sterownika  zgodnie  z  algorytmem  sterowania 
umieszczonym w pamięci sterownika. Czynności sterujące wchodzące w skład sekwencyjnych 
instrukcji  sterownika  realizowane  są  w  obrębie  układu  czujnik  –  sterownik  –  urządzenie 
wykonawcze.  Sygnały  –  rozkazy  o  większej  wadze  decyzyjnej  (wartości  zadane,  parametry), 
pochodzą  z wyższych  poziomów  sterowania.  Istnieje  również  ograniczona  możliwość 
wpływania  na  przebieg  procesu  poprzez  bezpośrednie  zadanie  wartości  sterujących  w 
sterowniku.  Rozwiązanie  takie  stosuje  się  w  sytuacji  awaryjnej,  np.  podczas  przerwy 
w komunikacji  z centralnym  komputerem  nadrzędnym  lub  w  celach  konserwacyjno–
naprawczych. 

Zadaniem  stacji  procesorowych  jest  obróbka  informacji  docierającej  z  podlegającej  im 

grupy  sterowników,  oraz  obróbka  informacji,  które  są  odbierane  przez  te  sterowniki.  Jednak 
trzeba  zaznaczyć,  że  część  urządzeń  okrętowych,  np.  regulowane  napędy  elektryczne 
wymagają  specjalizowanych  sterowników.  W  tym  wypadku  sterownik  PLC  stanowi  element 
koncentrujący  sygnały  i  zadający  sygnały  wejściowe  do  sterownika  specjalizowanego.  Stacje 
procesorowe  sprawują  nadzór  nad  działaniem  PLC  oraz  sterownikami  specjalizowanymi 
i koordynują  ich  współpracę.  Z  uwagi  na  zwiększenie  niezawodności  stosuje  się  rozwiązania 
z pełną redundancją (zdublowanie stacji procesorowych). 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 28 

Najwyższy  poziom  sterowania  –  poziom  zarządzania  i  nadzoru  zajmują  centralne 

komputery.  Zwykle  są  to  dwa  komputery  pracujące  w  systemie  z  pulpitami  operatorskimi 
umieszczonymi w CMK oraz na mostku w sterówce. Umiejscowienie pulpitów oraz komputerów 
zależy od konstrukcji i typu jednostki. W CMK operator ma dostęp do informacji związanych z 
pracą siłowni i z systemem energetycznym statku. 

Natomiast w pozostałych punktach decyzyjnych przewiduje się jedynie możliwość wpływania 

na parametry bezpośrednio związane z danym stanowiskiem sterowania. 

Wszystkie  komputery  połączone  są  ze  stacjami  procesorowymi  za  pomocą  sieci  LAN.  

Na większości  obecnie  budowanych  statków  w  rozwiązaniach  automatyki  stosuje  się  także 
połączenie  sieci  LAN  z  siecią  lądową  za  pomocą  łącz  satelitarnych,  dzięki  którym  parametry 
techniczne systemu sterowania, na bieżąco lub w postaci plików przekazywane są do armatora. 
W  przypadku  awarii  konsultant  znajdujący  się  na  lądzie  może  wspomóc  obsługę  statku 
w lokalizacji i naprawie uszkodzenia. 

Podstawowe  funkcje  w  automatyzacji  statków  pełnią  sterowniki  PLC.  Do  sterowników 

docierają informacje o aktualnych parametrach w obsługiwanym obiekcie. Realizacja zadań na 
poziomie  sterowników  odbywa  się  poprzez  realizację  zbioru  procedur  i  podprogramów  na 
podstawie  danych  otrzymanych  z  czujników  pomiarowych  obiektów.  Ten  poziom  sterowań  
nie  obejmuje  wykonywania  poleceń  od  operatora,  lecz  uwzględnia  tylko  stan,  w  którym 
znajduje się obiekt. 

Drugi  poziom  regulacji  to  wykonywanie  wszystkich  podprogramów  realizujących 

polecenia  od  operatora,  z  uwzględnieniem  stanu  obiektu  za  pośrednictwem  lokalnych  stacji 
PLC.  

Trzeci  poziom  obejmuje  alarmowanie  oraz  sygnalizowanie  nieprawidłowości  i  awarii 

w całym systemie, zbieranie danych o stanie urządzeń, a także w zależności od stopnia dostępu 
do systemu, zdalne sterowanie i zmianę parametrów oraz wartości zadanych. 

 
Wszystkie  poziomy  oprogramowania  powiązane  są  ze  sobą  według  określonych 

priorytetów  tak,  aby  nie  dopuścić  do  nieokreślonych,  konfliktowych  sytuacji  mogących 
doprowadzić do awarii urządzeń sterowanych. 

W  wypadku  zmiany  parametrów  w  układach  gdy  stanowiska  dostępu  do  systemu  są 

zdwojone, dokonywanie tych zmian jest możliwe tylko z jednego stanowiska w systemiepod 
warunkiem, że operator posiada uprawnienia dostępu do systemu. 

Na poziomie zarządzania i nadzoru realizowane są następujące funkcje: 

 

monitorowanie  parametrów  urządzeń  i  alarmowanie  o  przekroczeniu  przez  nie 
dopuszczalnych wartości oraz o nieprawidłowych stanach, 

 

prezentowanie  na  ekranie  monitorów  schematów  mnemotechnicznych  (tzw.  mimik) 
z aktualnym stanem poszczególnych systemów i urządzeń analizowanych systemów, 

 

graficzne  zobrazowanie  wartości  mierzonych  parametrów  –  objętości  i  ciężaru  cieczy 
w zbiornikach, 

 

okresowe  rejestrowanie  parametrów  i  wydruk  stanów  alarmowych  występujących 
w siłowni, 

 

sygnalizacja  grup  alarmowych  (grupa  alarmowa  jest  to  zespół  urządzeń  powiązanych 
funkcjonalnie  i  sygnalizacją  alarmową)  siłowni  na  mostku,  w  pomieszczeniach 
ogólnostatkowych i w kabinach mechaników wachtowych, 

 

automatyczne  blokowanie  fałszywych  alarmów  (np.  po  celowym  zatrzymaniu  urządzenia 
lub wywołanych kołysaniem się statku), 

 

automatyczne oraz zdalne sterowanie urządzeniami i zmiana parametrów, 

 

nadzór  nad  bezpieczeństwem  pracy  mechanika  wachtowego  podczas  jego  czasowego 
pobytu w siłowni przy pracy bezwachtowej, 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 29 

 

autokontrola prawidłowości działania układu komputerowego, 

 

przywołanie mechaników do centrali manewrowo-kontrolnej (CMK). 

Głównym  celem  stosowania  konfiguracji  z  urządzeniami  zdwojonymi  jest  zwiększenie 

niezawodności systemu sterującego i kontroli, gdzie w razie awarii urządzenia podstawowego 
jego  funkcje  przejmuje  urządzenie  zapasowe.  Zagadnienia  bezpieczeństwa  statku  sprowadzają 
się  w  większości  sytuacji  do  wykrywania  awarii  i  alarmowania  oraz  zabezpieczania  poprzez,  
np.  zatrzymywanie  pracy  urządzenia  w  bezpiecznym  stanie.  Funkcje  te  na  statku  realizują 
układy alarmowe i bezpieczeństwa. 

Zabezpieczeniem  przed  awarią  komputera aktualnie  sterującego  jest  zastępujący  jego  pracę 

komputer  rezerwowy.  Przy  takiej  konfiguracji  komputerowy  system  sterujący  składa  się 
z dwóch  komputerów:  sterującego  (podstawowego)  i  rezerwowego  oraz  układu 
przełączającego  ich  pracę.  Komputery  pracują  równolegle  i  przetwarzają  te  same  wartości 
zmiennych procesu oraz realizują identyczne programy sterujące. Różnica między nimi polega 
na tym, że tylko jeden z komputerów wysyła sygnały sterujące do elementów wykonawczych.  

W  sytuacji  awaryjnej  pracy  komputera  urządzenie  przełączające  przekazuje  sterowanie 

procesem  do  komputera  rezerwowego.  Praca  równoległa  komputerów:  sterującego 
i rezerwowego  nie  wpływa  na  szybkość  pracy systemu, ale zabezpiecza przed utratą ciągłości 
sterowania, co jest bardzo ważne dla bezpieczeństwa statku. Zwykle jako układ przełączający 
stosuje  się  niezależny  sterownik  kontrolujący  o  wyższej  niezawodności  niż  komputery 
systemu.  Sterownik  na  bieżąco  sprawdza  działanie  komputera  podstawowego.  W  wypadku 
awarii sterownika podstawowego funkcję sterującą przejmuje komputer będący w rezerwie.  

Systemy  sterujące  z  komputerem  rezerwowym  zapewniają wysoki poziom niezawodności 

całego  systemu,  czemu  towarzyszy  jednak  znaczny  wzrost  kosztów.  Jednocześnie  trzeba 
zaznaczyć, że głównymi źródłami awarii na statku nie są systemy komputerowe, lecz czujniki, 
elementy  wykonawcze,  połączenia  i  okablowanie,  układy  zasilania  oraz  sieć  komunikacyjna. 
Czujniki  i  elementy  wykonawcze  nie  są  zdwajane,  ale  mogą  występować  podwójne  czujniki, 
wykorzystywane przez oddzielone układy: alarmowy i bezpieczeństwa. 

Zgodnie z przepisami towarzystw klasyfikacyjnych zdwajane są na statku układy zasilania i 

sieć komunikacyjna – łącząca system. Systemy komputerowe są zasilane z dwóch niezależnych 
źródeł  energii  elektrycznej  oraz  zabezpieczone  przed  skutkami  zwarć  i  przeciążeń. 
Przełączanie  zasilania  następuje  automatycznie  i  bezprzerwowo.  Sieć  komunikacyjna  posiada 
mechanizmy  diagnostyczne  wskazujące  awarie  połączeń.  Awarie  te  inicjują  alarm.  Awaria 
elementu  sieci  nie  wpływa  na  działanie  systemu.  Połączone  sieci  zdwojone  są  od  siebie 
niezależne,  separowane;  awaria  w  jednej z  nich nie wpływa  na  działanie drugiej.  Przełączanie 
przepływu informacji między sieciami zdwojonymi następuje samoczynnie, a zarazem nie może 
zakłócać sygnałów źródłowych i ciągłości obsługi.  

 
4.2.2. Pytania sprawdzające 

 
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 

1.  Jakie podstawowe systemy automatyki wyróżniamy na jednostkach pływających? 
2.  Czym różnią się podstawowe konfiguracja systemu scentralizowanego od rozproszonego? 
3.  Jaką funkcje pełnia sterowniki PLC w okrętowych systemach sterowania i regulacji? 
4.  Jakie zadania w układach sterowania pełnią komputery ? 
5.  Jaka jest zasada działania sterowników PLC? 
6.  W jaki sposób przesyła się i przetwarza sygnały sterujące? 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 30 

4.2.3. Ćwiczenia  

 
Ćwiczenie 1 

W układzie regulacji odnajdź przetworniki A/C i C/A, określ funkcje jakie pełnią. 
 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  zapoznać się z budową i zasadą działania przetworników A/C i C/A, 
2)  odnaleźć w normach symbole jakimi oznacza się przetworniki A/C i C/A, 
3)  wyszukać w dokumentacji przekazanej przez nauczyciela przetworniki A/C i C/A, 
 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

dokumentacja układów elektrycznych zawierająca przetworniki A/C i C/A, 

 

tablice z symbolami zgodnymi z PN i ISO, 

 

przybory do pisania. 

 
Ćwiczenie 2 

Analizując  dokumentację  sterowników  PLC,  określ  w  jaki  sposób  przesyłane  są  sygnały 

wejściowe i wyjściowe. Określ zarówno rodzaje sygnałów jak i ich zakresy. 

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  zapoznać się z rodzajami wejść sterowników PLC, 
2)  zapoznać się z rodzajami wyjść sterowników PLC,  
3)  określić wielkości fizyczne jakie są wykorzystywane do przesyłu sygnałów elektrycznych,  
4)  określić zakresy sygnałów wejściowych i wyjściowych. 

 
Wyposażenie stanowiska pracy:  

 

dokumentacja sterowników PLC, 

 

przybory do pisania, 

 

literatura. 

 
Ćwiczenie 3 

Uruchom układ regulacji, w którym elementem sterującym jest sterownik PLC. 
 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  sprawdzić poprawność połączenia elementów wejściowych sterownika, 
2)  sprawdzić poprawność połączenia elementów wykonawczych, 
3)  porównać wartości napięć nominalnych elementów z wartością napięcia zasilającego,  
4)  podłączyć układ, 
5)  przesłać program do sterownika, 
6)  uruchomić sterownik, 
7)  sprawdzić działanie układu. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 31 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

sterownik  PLC  połączony  z  2  przyciskami  sterującymi  i  co  najmniej  jednym  elementem 
wykonawczym, 

 

program opisujący funkcje sterownika PLC w układzie, 

 

komputer PC, 

 

kabel do transmisji PLC – PC. 

 
4.2.4. Sprawdzian postępów 

Czy potrafisz: 

Tak 

Nie 

1)  rozróżniać przetworniki A/C i C/A? 

 

 

2)  opisać budowę sterownika PLC? 

 

 

3)  uruchomić układ sterowania ze sterownikiem PLC? 

 

 

4)  określić poziomu sygnałów? 

 

 

5)  załadować do pamięci sterownika program sterujący? 

 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 32 

4.3.  Układy sterowania silnikami spalinowymi 
 

4.3.1.  Materiał nauczania 
 

Układy automatyki spotykane na jednostkach pływających  

W dobie rozwoju technik informatycznych i mikroprocesorowych na pokładach jednostek 

pływających  montuje  się  coraz  więcej  układów  sterowania,  które  zastępują  pracę  marynarzy 
oraz  pomagają  im  eksploatować  prawidłowo  jednostkę.  Układy  sterowania  te  ułatwiają 
i przyśpieszają  wykonywanie  określonych  czynności.  Układy  te  co  jest  ważne  zastępują 
marynarzy  w  warunkach  szczególnie  trudnych  i  niebezpiecznych.  W  niniejszym  poradniku 
przedstawię  tylko  kilka  charakterystycznych  układów  sterowania  stosowanych  na  pokładach 
jednostek pływających.  
 
Silnik główny – automatyka i podsystemy  

Podstawowym  napędem  jednostki  jest  na  ogół  silnik  spalinowy  wysokoprężny  Diesla. 

Eksploatacja silnika wysokoprężnego napędowego wymaga zasilania w paliwo, powietrze oraz 
smarowania  i  chłodzenia.  Ponadto  silnik  napędowy  jest  wyposażony  w  urządzenia  ciągłego 
grzania  oraz  przesmarowania,  tak  aby  utrzymać  napęd  w  stałej  gotowości  do  uruchomienia. 
Do  pomocniczych  systemów  sterowania  silnika  zalicza  się  instalacje  zasilania,  smarowania, 
chłodzenia.  Nadzorem  i  prawidłową  pracą  systemów  pomocniczych  zarządzają  układy 
automatyki  urządzeń  pomocniczych.  Układy  automatyki  kontrolują  parametry  pracy 
poszczególnych podsystemów i sterują nimi. Ze względu na konieczność zachowania ciągłości 
sterowania  w  sytuacjach  awaryjnych,  wymagana  jest  możliwość  przejścia  w dowolnym 
momencie na sterowanie ręczne. Do systemów pomocniczych silnika wysokoprężnego zalicza 
się: 

 

instalację oleju smarowego, 

 

system wody chłodzącej słodkiej, 

 

system sprężonego powietrza, 

 

system paliwowy, 

 

system podgrzewania i przesmarowania wstępnego. 

Systemy pomocnicze zasilają silnik w paliwo, powietrze rozruchowe, smarują chłodzą lub 

podgrzewają  w  następujących  stanach  pracy  silnika:  przed  uruchomieniem,  podczas  pracy  na 
biegu jałowym, przy zmiennym obciążeniu, po zdjęciu obciążenia, oraz przed zatrzymaniem. 
 
Instalacja oleju smarowego 

Pompa  główna  tłocząca  olej  napędzana  jest  przez  silnik  główny  statku.  Pompa  olejowa 

zasysa olej z misy olejowej i tłoczy go poprzez trójdrożny zawór termostatyczny na chłodnicę 
(wymiennik ciepła), a następnie przez filtr olejowy do silnika. Zawór termostatyczny zapewnia 
stałą temperaturę oleju smarowego na wejściu do silnika (rys. 16). W odpowiednich miejscach 
instalacji  dokonywany  jest  pomiar  temperatury  i  ciśnienia.  Zatrzymanie  silnika  przez  system 
bezpieczeństwa  następuje,  gdy  ciśnienie  oleju  spadnie  poniżej  poziomu  alarmowego. 
W systemie  tym,  oprócz  pompy  głównej  obiegowej,  silnik  posiada  dodatkową  pompę, 
spełniającą  funkcję  pompy  wstępnego  przesmarowania.  Pompa  ta  napędzana  jest  silnikiem 
elektrycznym.  Wspomniana  pompa  uruchamiana  jest  w  czasie  postoju  silnika  lub  przed 
rozpoczęciem jego pracy. Wydatek tej pompy wynosi ok. 15–20% pompy głównej. 

 
 
 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 33 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  

 

 
 
 
 
 
 
 

Rys. 16.   Instalacja oleju smarowego [9] 

 
System wody chłodzącej słodkiej 

Elektryczna  pompa  cyrkulacyjna  tłoczy  wodę  do  przestrzeni  chłodzących  poszczególne 

cylindry,  głowice  oraz  misę  korbową.  Następnie  z  kolektorów  wylotowych  woda  płynie  do 
trójdrożnego zaworu termostatycznego, który kieruje ją – poprzez chłodnicę lub bezpośrednio 
– na stronę ssącą pompy cyrkulacyjnej. Trójdrożny zawór termostatyczny zapewnia utrzymanie 
stałej  temperatury  na  wylocie  wody  chłodzącej.  System chłodzenia  silnika  odpowietrzany  jest 
za  pomocą  rurociągu,  podłączonego  do  zbiornika  wyrównawczego.  Ze zbiornika 
wyrównawczego wyprowadzony jest rurociąg, połączony możliwie blisko strony ssącej pompy 
cyrkulacyjnej.  Zbiornik  wyrównawczy  służy  do  uzupełnienia  wody  w  układzie  oraz  do 
wytworzenia odpowiedniego ciśnienia po stronie ssącej pompy, co zapewnia prawidłową pracę 
pompy przy wysokiej temperaturze wody chłodzącej oraz właściwe ciśnienie wody chłodzącej 
w  obiegu.  W  chłodnicy  pośredni  obieg  wody  morskiej  chłodzi  wodę  słodką.  Przykładowy 
układ  regulacji  automatycznej  temperatury  wody  chłodzącej  silnik  i  system  sterowania  pracą 
pomp w trybie stand by przedstawia rysunek 16. Sygnał sterujący (zwykle prądowy 4÷20 mA) 
ze  sterownika  jest  przesyłany  do  zaworu  pneumatycznego  trójdrożnego.  Zmiana  położenia 
zaworu  powoduje,  że  część  wody  przepływa  przez  chłodnicę,  a  pozostała  –  przez  rurociąg 
omijający  (ang.  by–pass).  Powoduje  to  zmianę  temperatury  wody  zasilającej  jednej  z  pomp. 
Sygnałami  wyjściowymi  mierzonymi  do  układu  regulacji  temperatury  wody  chłodzącej  jest 
mierzona  temperatura  wody  na  rurociągu  przed  i  za  silnikiem.  W  układzie  regulacji 
temperatury,  oprócz  podstawowej  pętli,  gdzie  stabilizuje  się  temperaturę  słodkiej  wody 
chłodzącej  silnik,  dodatkowo  występuje  sprzężenie od  pozycji  zaworu regulującego natężenie 
przepływu  wody  chłodzącej  z  chłodnicy.  Podwójna  pętla:  regulacji  temperatury  i pozycji 
zaworu  zapewnia  poprawę  jakości  stabilizacji  temperatury  wody  poprzez  dokładne 
pozycjonowanie  zaworu  regulującego.  Szczególnie  ma  to  zastosowanie  wówczas,  gdy 
charakterystyka  regulacyjna  zaworu  jest  nieliniowa.  W  wypadku  awarii,  przerwy  w  zasilaniu 
aktualnie  pracującej  pompy,  uruchamiana  jest  automatycznie  druga  pompa.  Gwarantuje  to 
ciągłość zasilania silnika w wodę chłodzącą. 

Miska olejowa 

 
 
 

Silnik główny 

Filtr 

oleju 

– ciśnienie 

– temperatura 

chłodnica 

pompa olejowa 

główna 

dodatkowa 

pompa olejowa  

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 34 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 17.  

Przykład  układu  sterowania  pracą  pomp  w  systemie  stand–by 
i sterowania temperaturą wody chłodzącej silnik 

 
Na  statkach  spotyka  się  rozwiązania  z  centralnymi  obiegami  wody  słodkiej  zasilającymi 

silniki  zespołów  i  silnik  główny.  Częstym  rozwiązaniem  jest  podział  układu  na  dwa  obiegi: 
o temperaturze niskiej (LT) i wysokiej (HT).  

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

Rys. 18.   System chłodzenia z obiegiem LTiHT 

Pozycja 
zaworu 

 

Sterownik 


 

IN 

OUT 

Start / 

Stop 

silnika 

Start / 

Stop 

silnika 

TIC 

TIC 

IN 

IN 

Silnik 

napędowy 

ZP 

Woda słodka z 
chłodnicy 

Wymiennik 

ciepła 

Woda 

morska 

Przetworniki 

pomiarowe 

Chłodnica 

oleju 

smarowego 

Chłodzenie 

silnika 

 

II stopień 

I stopień 

Obwód HT 

Obwód LT 

Woda morska 

Powietrze 

doładowania 

Chłodnica 

powietrza 

doładowania 

Chłodnica 

powietrza 

doładowania 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 35 

Schemat  chłodzenia  z  obiegiem  o  niskiej  i wysokiej  temperaturze  oraz  przepływ  wody 

przez  poszczególne  urządzenia  przedstawia  rysunek  17.  System  chłodzenia  wodą  składa  się 
z obwodu: wysokotemperaturowego i niskotemperaturowego.  

Oba obwody są podłączone do silnika, gdzie obwód wysokotemperaturowy jest chłodzony 

przez  obwód  niskotemperaturowy,  który  z  kolei  jest  ponownie  chłodzony  przez  zewnętrzny 
centralny  system chłodzenia Obwód niskotemperaturowy chłodzi powietrze doładowania oraz 
olej smarowy. 
 
System sprężonego powietrza 

Instalacja  powietrza  sterującego  i  startowego  dostarcza sprężone powietrze potrzebne do 

rozruchu  oraz  sterowania  pracą  silnika.  Sprężone  powietrze  do  zespołu  prądotwórczego 
pochodzi  zwykle  z  instalacji  sprężonego  powietrza  silnika  głównego.  Objętość  butli 
sprężonego  powietrza  i  zakres  ciśnienia  zależy  od  koniecznej  liczby  startów  silnika,  które  są 
wymagane  przez  towarzystwa  klasyfikacyjne.  Rozruch  silnika  sprzężonym  powietrzem 
następuje za pomocą zaworu rozruchowego powietrza startowego. Rozruch przeprowadza się 
przy  ciśnieniu  powietrza  startowego  w  butlach  zwykle  wynoszącym  zwykle  około  3  Mpa 
(30 barów),  a  zapas  sprężonego  powietrza    musi  być  taki,  aby  w  wypadku  nieudanych 
automatycznych  rozruchów  była  możliwość  jeszcze  trzykrotnego  rozruchu  ze  stanowiska 
lokalnego. Czas rozruchu jest ograniczony ze względu na ograniczony zapas powietrza, a zbyt 
długi rozruch może spowodować wyczerpanie się zapasu powietrza w butlach.  

Podczas rozruchu spada ciśnienie powietrza i aby wyrównać ten spadek (np. przy wartości 

ok.  2,7  MPa)  uruchamia  się  sprężarkę,  a  gdy  ciśnienie  nadal  spada,  aby  uzupełnić  znaczne 
ubytki powietrza, włącza się następna sprężarkę. 

Jeżeli  prędkość  silnika  po  rozruchu  sprężonym  powietrzem  osiągnie  około  30% 

znamionowej  prędkości  ω

T

,  to  określa  się,  że  silnik  osiągnął  prędkość  zapłonową 

(przy prędkości znamionowej ok. 750 obr/min, prędkość rozruchowa wynosi ok. 300 obr/min). 
Po  osiągnięciu  prędkości  większej  od  zapłonowej,  następuje  wyłączenie  zaworu  powietrza 
startowego,  a  paliwo  zostaje  podane  na  wtryskiwacze  przez  pompy  wtryskowe  i silnik  jest 
doprowadzany do prędkości bliskiej znamionowej. W fazie początkowej rozruchu podana jest 
zwiększona  dawka  rozruchowa  paliwa,  która  później  zostaje  ograniczona  przez  zawór 
ograniczenia rozruchowej dawki paliwa. Pomiar prędkości wykonuje się za pomocą prądniczki 
tachometrycznej  sprzężonej  z  wałem  silnika.  Przełączanie  zaworów  podczas  rozruchu 
następuje  na  podstawie  pomiaru  wartości  prędkości.  Od  momentu  osiągnięcia  prędkości 
znamionowej  system  bezpieczeństwa  nadzoruje  parametry  pracy  silnika  –  ciśnienie  oleju 
smarowego,  temperaturę  wody  chłodzącej  oraz  stan  przekroczenia  prędkości  obrotowej 
silnika. 
 
System paliwowy 

Instalacja  paliwowa  zawiera  rurociągi  obiegowe,  pompy  paliwowe  oraz  system 

wtryskiwania  paliwa  dla  każdego  cylindra.  Urządzenie  to  składa  się  z  pompy  wtryskowej, 
wysokociśnieniowego  obwodu  wtryskiwania  oraz  zaworu  wtryskowego.  Zainstalowany  jest 
również  rurociąg  zbierający  przecieki  oraz  układ  do  kontroli  ciśnienia  w  rurociągach 
wysokociśnieniowych.  Ciśnienie  w  rurociągach  wysokociśnieniowych  wynosi  około 
1,5÷2,0 MPa.  W  siłowniach  zautomatyzowanych  (bez  czasowego  nadzoru  w siłowni) 
przewody  paliwowe  wysokiego  ciśnienia  instaluje  się  w  szczelnej  osłonie  (obudowie). 
Z instalacji  tej  przecieki  (np.  spowodowane  pęknięciem  przewodu)  odprowadzane  są  do 
zbiorników  przecieków,  a  przekroczenie  określonego  poziomu  w  zbiorniku  jest 
sygnalizowane.  Alarm  wysokiego  poziomu  zbiornika  odpowiada  przeciekowi  instalacji 
paliwowej  wysokiego  ciśnienia.  Silniki  mogą  być  zasilane  paliwem  lekkim,  ciężkim  oraz 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 36 

mieszanymW  wypadku  stosowania  przełączania paliwa  z lekkiego  (PL)  na  ciężkie  (PC) i na 
odwrót  określa  się  minimalną  wartość  obciążenia  (np.  ok.  40%),  przy  którym  może  nastąpić 
przełączenie paliwa PL/PC. 

Ze  względów  ekonomicznych  coraz  częściej  stosuje  się  silniki  napędowe  wyłącznie  na 

paliwo ciężkie, co wymaga określonej instalacji przygotowującej i zasilającej w paliwo. Silniki 
takie  są  uruchamiane,  zatrzymywane  i  pracują  w  trybie  normalnym,  (tzn.  –  przy  zmiennym 
i częściowym  obciążeniu)  na  jednym  rodzaju  paliwa.  Rozwiązanie  to  posiada  kilka  zalet: 
wszystkie  silniki  główne  oraz  pomocnicze  działają  na  tym  samym  paliwie,  zatem  na  statek 
bunkruje  się  tylko  jeden  rodzaj  paliwa  ciężkiego  oraz  nie  jest  wymagane  wyposażenie 
mieszające.  W  tym  wypadku  paliwo  wymaga  procesu  podgrzewania  i oczyszczania. 
W pierwszej fazie w zbiornikach osadowych paliwo ciężkie podlega wstępnej separacji szlamu 
i  wody  w  nim  zawartej  przy  stałej  temperaturze  paliwa  w  granicach  60÷70°C.  Zbiorniki 
osadowe  pełnią  dodatkowo  funkcję  zbiorników  buforowych.  Następnie  paliwo  podlega 
wirowaniu.  Wirówki  pracują  w  trybie  oddzielania  wody  i  szlamu  (puryfikacji)  i zwiększonej 
dokładności  odwirowywania  (klaryfikacji).  Sprawność  wirowania  i przepustowość  zależy  od 
temperatury  paliwa  w  stosunku  do  jego  lepkości.  W  wypadku  paliw  o  dużej  lepkości 
temperatura  wirowania  (temperatura  paliwa  musi  być  odpowiednia  w stosunku  do  jego 
lepkości)  musi  być  zwiększaną,  a  przepustowość  zmniejszana  w  stosunku  do  nominalnej 
pojemności wirówki. Temperatura wirowania jest utrzymywana w przedziale ±2°C przez układ 
automatycznej  stabilizacji  temperatury  w  podgrzewaczu.  Instalacja  dostarczania  paliwa 
zapewnia  odpowiedni  przepływ,  ciśnienie,  lepkość  oraz  filtrowanie  na dolocie  do  silnika. 
Instalacja  paliwa  ciężkiego  wymaga  ciśnieniowego  systemu  zasilania.  W systemie  tym 
wyróżnia  się  obwód  wysokociśnieniowy  oraz  obwód  niskociśnieniowy.  Wysokociśnieniowy 
pomocniczy  obwód  powinien  zapewnić  odpowiednie  ciśnienie  na  dolocie  do  każdego  silnika 
(0,÷1,0  Mpa,  8÷10  bar),  przepływ  od  3  do  4  razy  maksymalnego  zużycia  paliwa  oraz 
wymaganą  lepkość  na  dolocie  do  każdego  silnika.  Obwód  niskociśnieniowy  obejmuje  swoim 
działaniem  wirowanie  i  filtrację  paliwa.  Nadmiar  paliwa  dostarczanego  do  silnika  jest 
odprowadzany  przez  rurociąg  przelewowy  połączony  ze  zbiornikiem  przelewowym,  skąd 
wychodzi na rurociąg zwrotny do zbiornika osadowego. Wszystkie instalacje paliwa ciężkiego: 
rurociągi  przelewowe  i  zwrotne,  zbiornik  przechowywania  paliwa  zbiornik  dzienny  i 
przelewowy są podgrzewane przez parę lub olej grzewczy. W systemie paliwowym występują 
układy  sterujące  jego  temperaturę,  ciśnienie  oraz  wybór,  z  którego  zbiornika  jest  ono 
pobierane. 
 
System podgrzewania i przesmarowania wstępnego 

Przed  uruchomieniem  –  w  stanie  „gorącej  rezerwy”  –  silniki  spalinowe  muszą  być 

cyklicznie  podgrzewane  oraz  przesmarowane.  Do  podgrzania  silnika  stosuje  się  wodę  ciepłą 
(50÷95°C).  Woda  ciepła  z  podgrzewacza  jest  tłoczona  przez  elektryczną  pompę  obiegową 
małej  mocy  (tłoczenie  w  przybliżeniu  2÷6  m

3

/h  przy  ciśnieniu  1  bar)  i  wchodzi  do  obwodu 

chłodzenia  silnika  poprzez  rurociąg  podgrzewania,  przepływając  przez  głowice  cylindrowe, 
tuleje  i  docierając  do  pompy  wody  chłodzącej.  Po  zatrzymaniu  silnika  automatyczne 
podgrzewanie  jest  włączane.  Temperatura  (min.  50°C)  na  wylocie  z  układu  podgrzewania 
silnika  jest  stabilizowana  automatycznie  przez  zawór  termostatyczny.  Woda  może  być 
podgrzewana  przez  instalację  parową  olejową  i  grzałki  elektryczne  w  podgrzewaczu 
elektrycznym. W wypadku połączonej pracy systemów pomocniczych silników, do podgrzania 
silników,  będących  w  stanie  zatrzymania,  można  wykorzystać  wodę  chłodzącą  z pracujących 
silników,  wprowadzając  ją  bezpośrednio  do  systemu  podgrzewania.  Przesmarowanie  silnika 
realizuje  się  z  wykorzystaniem  obiegu  oleju  smarowego.  Cyrkulację  oleju  zapewnia  pompa 
olejowa  małej  mocy,  a  do  pogrzania  oleju  stosowane  są  grzałki  elektryczne  znajdujące  się  w 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 37 

karterze silnika lub instalacja parowa. Niezależnie od fazy cyklicznego przesmarowania silnika 
przed jego uruchomieniem zawsze następuje chwilowe załączenie wstępnego przesmarowania.  
 
Układy automatyki silnika napędowego 

W zakres funkcji układu automatyki silnika spalinowego – napędowego wchodzi: 

 

przygotowanie i nadzorowanie stanu silnika przed uruchomieniem, wstępne podgrzewanie 
oraz  przesmarowanie  silnika,  a  także  przygotowanie  paliwa  (temperatura,  lepkość, 
ciśnienie), co jest szczególnie istotne przy zasilaniu silnika paliwem ciężkim, 

 

uruchomienie  i  zatrzymanie  silnika  (start/stop)  –  sterowana  jest  dawka  paliwa 
rozruchowego oraz proces wstępnego przesmarowania i przełączenia rodzaju paliwa, 

 

powtórzenie  startu  po  nieudanej  próbie;  gdzie  ogranicza  się  liczbę  startów  do  trzech, 
niektóre  konstrukcje  silników  wymagają  zatrzymania  silnika  na  okres  1–2  min  po 
nieudanym starcie, w tym wypadku układ dokonuje tylko jednego uruchomienia, 

 

nadzór parametrów i stanu silnika po uruchomieniu przez system bezpieczeństwa, 

 

alarmowanie w sytuacji przekroczenia parametrów, 

 

regulacja temperatury oleju smarowego i wody chłodzącej, 

 

regulacja prędkości obrotowej silnika, 

 

schładzanie silnika po usunięciu obciążenia przed zatrzymaniem silnika (ok. 10 min. pracy 
na wolnym biegu). 

Układ  alarmowy  i  układ  bezpieczeństwa  kontrolują  warunki  pracy  silnika  w  różnych 

stanach  eksploatacji.  Układy  sterowania  przede  wszystkim  regulują  prędkość  obrotową 
w wypadku zmian obciążenia. 

 

Układ automatyki uzupełnienia wody zbiorniku obiegowym 

Zadaniem  tego  układu  jest  utrzymanie  określonej  ilości  cieczy  w  zbiorniku.  Sygnały 

o ustalonym  poziomie  maksimum  i  minimum  są  generowane  przez  dwustronne  czujniki 
poziomu  cieczy  zamontowane  w  zbiorniku  –  sygnały  tych  czujników podawane  do  modułu 
regulatora  (sterownik  PLC).  W przypadku  obniżenia  się  poziomu  poniżej  ustalonej  wartości 
min  regulator  powoduje  otwarcie  zaworu  uzupełniającego  i  uruchomienie  pompy 
uzupełniającej  ciecz  zbiorniku.  Uzupełnienie  trwa  do  momentu  osiągnięcia  przez  ciecz 
poziomu górnego. 
 
Układ automatycznego uzupełniania sprężonego powietrza  

W  tym  układzie  regulator  steruje  pracą  sprężarki  uzupełniającej  sprężone  powietrze 

w zbiornikach.  Powietrze  to  może  być  wykorzystywane  do  napędu  siłowników 
pneumatycznych,  sterowania  awaryjnego  zbiorników  wypornościowych  lub  rozruchu  silnika 
głównego.  Układ  powinien  utrzymywać  ciśnienie  w  zbiornikach  na  poziomie  pomiędzy 
minimalnym a maksymalnym. Sterownik oprócz kontroli ciśnienia,  również: 

 

steruje przepływem wody chłodzącej pompę w czasie pracy sprężarki,  

 

odwadnia  kolejno  poszczególne  stopnie  sprężania – zgodnie z algorytmem opracowanym 
na podstawie instrukcji eksploatacji,  

 

zlicza czas pracy sprężarki,  

 

wyłącza  natychmiast  sprężarkę  po  przekroczeniu  maksymalnej  dopuszczalnej  wartości 
ciśnienia w zbiornikach,  

 

wyłącza sprężarkę po przekroczeniu dopuszczalnego ciśnienia na którymkolwiek ze stopni 
sprężarki. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 38 

Układ automatycznego podgrzewania silników głównych  

Uruchamianie  silników  wysokoprężnych  może  być  dokonywane  wtedy,  gdy  posiadają 

określoną  przez  producenta  odpowiednią  temperaturę.  Jeżeli  nie posiadają  takiej temperatury 
należy  je  podgrzać.  Są  dwa  sposoby  podgrzewania  silników:  wodą  chłodzącą  pracującego 
silnika  pomocniczego  lub  wodą  podgrzewaną  w  zbiornikach  obiegowych  i  przepompowaną 
przez kanały chłodzące silnika głównego. 

Moduł  sterujący  podgrzewaniem  wody  włącza  się  samoczynnie  po  zadaniu  komendy 

„przygotowanie  siłowni  do  uruchomienia”  –  jeżeli  temperatura  silników  jest  niższa  od 
wymaganej.  

Wyłącza  się  natomiast  samoczynnie,  jeżeli  temperatura  wody  na  wyjściu  z  silnika  jest 

wyższa  od  zadanej  lub  gdy  poziom  wody  w  zbiorniku  ogrzewanym  jest  zbyt  niski.  Z  chwilą 
osiągnięcia przez wodę temperatury minimalnej, regulator ponownie rozpoczyna podgrzewanie 
wody. 

Po  osiągnięciu  tej  temperatury  przez  odpowiednie  styczniki  realizowane  jest  odłączenie 

grzałek. Woda jest dalej przepompowywana przez silnik, aż do chwili osiągnięcia przez wodę 
temperatury minimalnej. Kiedy to nastąpi wyłączane są pompy i ponownie załączane są grzałki. 
Proces  ten  powtarza  się  cyklicznie,  aż  do  uzyskania  odpowiedniej  temperatury  bloku  silnika. 
Podgrzewany jest również olej smarowy w celu zmniejszenia jego lepkości.  

Należy  uważać  aby:  nie  przekroczyć  max  temp.  do  jakiej  olej  może  być  podgrzany,  nie 

przekroczyć minimalnego poziomu oleju w zbiorniku obiegowym 
 
Automatyka uruchomienia OSS  

Rozkaz  uruchomienia  silnika  może  być  wykonany  dopiero  po  spełnieniu  wszystkich 

operacji  przygotowawczych  poprzedniego rozkazu. Po  naciśnięciu przycisku  start  na  pulpicie 
dźwignia  sterująca  prędkości  obrotowej  jest  ustawiona  w  położenie  rozruchowe,  a  dźwignia 
sprzęgła  na  stop.  Gdy  spełnione  są  odpowiednie  warunki:  temperatura  silnika,  temperatura 
oleju  smarowego  i  odpowiednie  położenie  dźwigni  sterującej  i  sprzęgła,  przekaźnik  włącza 
zespół  wstępnego  przesmarowania,  pompowania  paliwa  i  pompowania  oleju  smarnego. 
Po osiągnięciu przez te media odpowiednich ciśnień, zostaje uruchomione zawory rozruchowe, 
silnik rozpoczyna pracę – ustala się prędkość obrotowa na poziomie jałowym stabilnym.  

Sterownik po uruchomieniu wyłącza zespół wstępnego przesmarowania oleju i paliwa. Ich 

blokada  trwa  przez  cały  okres  pracy  silnika.  W  dalszej  części  za  smarowanie  silnika  oraz  za 
dostarczanie paliwa do silnika odpowiadają układy zasilania silnika w stanie pracy. 

 
4.3.2. Pytania sprawdzające 

 

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 

1.  Jakie parametry są mierzone w układzie sprężonego powietrza? 
2.  Jakie  są  układy  i  jakie  zadania  realizuje  automatyka  w  układzie  smarowania  silnika 

głównego? 

3.  Jakie typy układów sterowania stosowane są w silniku głównym? 
4.  Jakie urządzenia wykonawcze spotyka się w układzie chłodzącym silnika głównego? 
5.  Jakie funkcje pełnią obwody zabezpieczające? 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 39 

4.3.3. Ćwiczenia  

 

Ćwiczenie 1 

Opisz  wszystkie  czujniki  jakie  zostały  wbudowane  w  układzie  chłodzenia  silnika 

głównego. Określ, jakie wielkości one mierzą. 

 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  zapoznać się ze schematami ideowymi układu chłodzenia silnika głównego, 
2)  określić znaczenie symboli elementów układu automatyki odpowiedzialnej za chłodzenie, 
3)  zaznaczyć wszystkie zainstalowane czujniki, 
4)  na  podstawie  symboli,  dokumentacji  silnika  lub  kart  katalogowych  określić  funkcje  jakie 

realizują, 

5)  opisz zainstalowane czujniki. 

 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

schematy ideowe układów chłodzenia silników okrętowych, 

 

przybory do pisania, 

 

karty katalogowe czujników i elementów automatyki. 

 
Ćwiczenie 2 

Na  podstawie  dokumentacji  technicznej  określ  okoliczności  w  jakich  zostanie  ogłoszony 

alarm „brak smarowania silnika”, opisz następstwa takiego alarmu. 

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  zapoznać  się  z  dokumentacją  silnika,  a  w  szczególności  ze  schematem  ideowym  układu 

smarowania, 

2)  wyszukać wszystkie czujniki pomiarowe wbudowane w układ smarowania, 
3)  określić nastawy regulatorów, przy których układy automatyki wysyłać będą alarm, 
4)  odnaleźć  elementy  wykonawcze,  które  będą  pobudzone  w  czasie  alarmu  „brak 

smarowania”, 

5)  opisać zachowanie automatyki w układzie sterowania, 

 

Wyposażenie stanowiska pracy:  

 

schemat ideowy układu smarowania silnika spalinowego,  

 

dokumentacja techniczno-ruchowa silnika napędowego, 

 

przybory do pisania. 

 
4.3.4. Sprawdzian postępów 

Czy potrafisz: 

Tak  Nie 

1)  rozpoznawać elementy układów automatyki? 

 

 

2)  określić funkcje jakie realizują poszczególne elementy układów regulacji? 

 

 

3)  opisać podstawowe układy sterowania układami napędowymi na statkach? 

 

 

4)  zidentyfikować na planach i schematach układy automatycznej regulacji? 

 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 40 

4.4.  Układy automatyki elektrowni okrętowej 
 

4.4.1.  Materiał nauczania 
 

Zgodnie  z  wymaganiami  stawianymi  urządzeniom  automatyki  statek  przystosowany  do 

eksploatacji  na  morzu  powinien  posiadać  podstawowe  źródło  zasilania  w  energię  elektryczną 
składające się co najmniej z dwóch prądnic z niezależnym napędem o mocy wystarczającej do 
zasilania wszystkich niezbędnych urządzeń elektrycznych. Moc źródła zasilania musi zapewnić 
prawidłowe  funkcjonowanie  statku  podczas  normalnej  żeglugi,  manewrów,  w sytuacjach 
awaryjnych, tj. w czasie zagrożenia bezpieczeństwa – pożaru, przebicia kadłuba itp. 

Liczbę  oraz  moc  zespołów  prądotwórczych  wchodzących  w skład  podstawowego  źródła 

energii  elektrycznej  ustala  się  w  taki  sposób,  aby  w  razie  awarii  jednej  prądnicy  pozostałe 
źródła zapewniały: 

 

możliwość  pracy  wszystkich  ważnych  urządzeń  niezbędnych  do  ruchu  statku 
z zachowaniem dostatecznych warunków socjalno-bytowych załogi, 

 

niedopuszczenie  do  spadków  napięcia  oraz  częstotliwości  w  sieci  przy  uruchamianiu 
silnika elektrycznego o największej mocy, prądzie rozruchowym i najcięższym rozruchu,  

 

utrzymanie  właściwych  warunków  przewożenia  ładunku  (np.  zasilanie  urządzeń 
chłodniczych), 

 

zasilanie urządzeń elektrycznych niezbędnych do rozruchu głównego układu napędowego, 
np. silnika głównego. 

 

Rozwiązanie techniczne zautomatyzowanej elektrowni statku powinno zapewniać ciągłość 

zasilania energią elektryczną zgodnie z następującymi wymaganiami: 

 

na statkach, na których zapotrzebowanie na energię elektryczną pokrywane jest normalnie 
przez  pracę  jednego  zespołu  prądotwórczego,  należy  zastosować  odpowiednie 
rozwiązania  umożliwiające  w  razie  awarii  tego  zespołu  automatyczne  uruchomienie 
i załączenie do sieci zespołu rezerwowego o mocy wystarczającej do zapewnienia napędu i 
sterowania  statkiem  oraz  do  zapewnienia  jego  bezpieczeństwa,  włączając  w  to 
automatyczne 

ponowne 

uruchomienie 

ważnych 

mechanizmów 

pomocniczych, 

z zachowaniem  –  jeżeli  to  niezbędne  –  odpowiedniej  sekwencji  tego  uruchomienia. 
Rezerwowe  źródło  zasilania  powinno  być  zdolne  do  przejęcia  obciążenia  w  czasie  nie 
dłuższym niż 45 sekund, 

 

na statkach, na których zapotrzebowanie na energię elektryczną pokrywane jest normalnie 
przez  dwa  lub  więcej  zespołów  prądotwórczych  pracujących  równolegle,  należy 
zastosować takie rozwiązania (np. automatyczne odłączanie odbiorników mniej ważnych), 
aby w razie awarii jednego z pracujących zespołów wykluczyć przeciążenie pozostałych i 
zapewnić zachowanie łączności, napędu oraz sterowności oraz bezpieczeństwa statku.  

 
Jeżeli  zapotrzebowanie  na  energię  elektryczną  pokrywane  jest  normalnie  pracą  jednego 

zespołu  prądotwórczego  i  zespół  ten  napędzany  jest  turbiną  parową,  rezerwowy  zespół 
prądotwórczy powinien być napędzany silnikiem spalinowym. 

Automatyzacja  systemu  elektroenergetycznego  ma  zapewniać  bezpieczeństwo  zasilania 

wszystkich  urządzeń  okrętowych  w  energię  o  określonych  parametrach  oraz  ekonomiczne 
eksploatowanie  systemu  elektroenergetycznego  statku  bez  konieczności  stałego  nadzoru 
załogi. 

Zasady 

pracy 

wymagania 

stawiane 

zautomatyzowanemu 

systemowi 

elektroenergetycznemu statku zawierają przepisy towarzystw klasyfikacyjnych, w tym przepisy 
Polskiego Rejestru Statków (PRS). 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 41 

Bezobsługowy 

(bezwachtowy) 

charakter 

pracy 

zautomatyzowanego 

systemu 

elektroenergetycznego  musi  uwzględniać  wszystkie  stany  pracy  oraz  możliwe  zakłócenia. 
Wszystkie  normalne  stany  pracy  urządzeń:  uruchamianie,  rozbieg,  bieg  jałowy,  zatrzymanie, 
synchronizacja,  włączenie  prądnicy  do  sieci,  rozdział  mocy  oraz  stany  wywołane  zmianą 
obciążenia lub zakłóceniami muszą być realizowane w sposób automatyczny.  

Układy  bezpieczeństwa  zespołów  prądotwórczych  w  wypadku  występowania  zakłóceń 

powodujących przekroczenie granicznych parametrów pracy powinny z pewnym opóźnieniem 
zatrzymać zespół. 

Do funkcji i zadań zautomatyzowanego systemu elektroenergetycznego należy zaliczyć: 

 

zapewnienie  właściwej  jakości  energii  elektrycznej  –  odpowiedniej  wartości  napięcia 
wytwarzanego  i  częstotliwości  w  stanach  ustalonych  i  nieustalonych  pracy  systemu, 
zachowanie sinusoidalnego przebiegu napięcia, 

 

zapewnienie  bezpieczeństwa  zasilania  bez  względu  na  występowanie  w  systemie 
elektroenergetycznym statku różnego rodzaju zakłóceń, 

 

zapewnienie  jak  najkrótszej  przerwy  w  zasilaniu  w  razie  zaniku  napięcia  na  szynach 
głównych,  

 

zapewnienie ciągłości pracy elektrowni w wypadku awarii pojedynczych elementów w taki 
sposób, aby uszkodzone elementy nie powodowały uszkodzeń, przerw w pracy i zakłócać 
innych części okrętowego systemu elektroenergetycznego, 

 

zabezpieczenie  systemu  elektroenergetycznego  przed  błędami  obsługi,  które  mogłyby 
spowodować uszkodzenia (w razie błędnych operacji system musi być tak zabezpieczony, 
aby nie było możliwości odłączenia ważnych jego części), 

 

ekonomiczne  wytwarzanie  i  użytkowanie  energii  elektrycznej  minimalizujące  koszty 
eksploatacyjne statku, 

 

uwzględnianie  i  przewidywanie  zakłóceń  w  celu  uniemożliwienia  ich  ewentualnego 
wpływu na przebieg procesu, tak aby uniknąć awarii. 

 
Zgodnie  z  przepisami  towarzystw  klasyfikacyjnych  funkcjom  sterowania,  zabezpieczenia, 

alarmowania  oraz  zarządzania  mocą  systemu  elektroenergetycznego  można  przypisać 
określone zadania.  

 

funkcje  sterowania  na  poziomie  sterowników  obejmują  synchronizację  zespołów  przy 
pracy  równoległej,  regulację  prędkości  obrotowej  i napięcia  prądnicy,  rozdział  mocy 
czynnej  (obciążenia)  i  biernej,  sterowanie  pracą  silnika  –  start,  stop,  przesmarowanie, 
przełączanie rodzaju paliwa.  

 

funkcje  zabezpieczające  odnoszą  się  do  zabezpieczenia  silnika  napędowego  zespołu 
(nadobroty, ciśnienie oleju, przepływ wody chłodzącej) i prądnicy (zwarcie, moc zwrotna). 

 

funkcje  alarmowania  służą  do  sygnalizowania  przekroczenia  parametrów  pracy  tych 
urządzeń.  

 

funkcje  zarządzania  mocą  wiąże  zadania  zliczania  obciążenia,  zależności  pomiędzy 
obciążeniami  mocą  czynną  i  bierną,  kontrolą  zaniku  napięcia,  wartości  napięcia 
częstotliwości, mocy oraz kontrolą czasu realizacji zadań.  

 
Zadania  te uwzględniają nadrzędność funkcji alarmowania i zarządzania bezpieczeństwem 

nad systemem sterowania. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 42 

Układ alarmowy i układ bezpieczeństwa pracy prądnicy 

Prądnice  zespołów  prądotwórczych  podstawowych  i  awaryjnych  połączone  są  z  siecią 

energetyczną  przez  rozdzielnicę  główną  lub  awaryjną.  Układy  alarmowe  i  bezpieczeństwa 
prądnicy  oraz  rozdzielnicy  kontrolują:  oporność  izolacji  (wartość  minimalną),  napięcie 
(minimalne  i  maksymalne),  częstotliwość  (minimalną  i  maksymalną),  przeciążenia,  stan 
zwarcia,  prądy  w  poszczególnych  fazach,  moc  zwrotną  czynną  i  bierną.  Prądnice  pracujące 
równolegle  posiadają  zabezpieczenia  przeciążeniowe  –  nadprądowe,  zwarciowe,  kierunkowe 
(prądu  lub  mocy  zwrotnej)  i  podnapięciowe.  W  wypadku  kontroli  przeciążenia  układy 
automatyki  analizują  natężenia  prądu  w  poszczególnych  fazach  i  czasy  występowania 
przeciążenia.  Wartości  zabezpieczeń  przeciążeniowych  oraz  zwłoki  czasowe  muszą  być  tak 
dobrane, aby moc silnika napędowego była wystarczająca do zadziałania zabezpieczenia.  

W  większości  układów  występuje  dodatkowe  zabezpieczenie  i  blokada  połączenia 

z lądem.  Zwykle  układy  automatyki  prądnic  posiadają  funkcje  odłączania  samoczynnego 
i wybiórczego odbiorników mniej ważnych w wypadku wystąpienia przeciążenia prądnicy. 

Zabezpieczenie  podnapięciowe  określa  warunki  załączenia  i  wyłączenia  prądnicy 

w zależności od wartości napięcia i czasu występowania określonego napięcia.  
Automatyczna synchronizacja prądnic 

Załączenie  dodatkowych  odbiorników  w  sieci  układu  elektroenergetycznego  powoduje 

wzrost  zapotrzebowania  na  moc.  Nadrzędny  układ  kontroli  rezerwy  mocy  po  przekroczeniu 
granicznej  wartości  mocy  generuje  sygnał  do  uruchomienia  kolejnego  zespołu 
prądotwórczego. Załączenie prądnicy do pracy równoległej z siecią elektroenergetyczną statku 
lub inną prądnicą staje się możliwe po spełnieniu następujących warunków:  

 

kształty krzywych napięcia załączanej prądnicy i sieci powinny być jednakowe,  

 

w  wypadku  prądnic  trójfazowych  konieczne  jest  zachowanie  identycznej  kolejności  faz 
napięcia,  

 

wartości skuteczne napięć powinny być sobie równe,  

 

częstotliwości powinny być sobie równe,  

 

przesunięcie  fazowe  pomiędzy  wektorami  napięć  powinno  być  sprowadzone  do  zera  lub 
mieć odpowiednio niską wartość.  

Warunkiem  synchronizacji  jest  równość  napięć  chwilowych  w  odpowiednich  fazach. 

Pierwsze dwa  warunki  są  spełnione  przez  właściwą konstrukcję prądnic i odpowiedni montaż 
instalacji. Pozostałe warunki realizuje układ synchronizacji automatycznej. Wyłącznik prądnicy 
wraz  z  napędem  charakteryzuje  się  własnym  czasem  działania,  który  należy  uwzględnić  w 
procesie automatycznej synchronizacji. 

 
Po starcie silnika Diesla i po wzbudzeniu prądnicy regulator prędkości obrotowej reguluje 

częstotliwość prądnicy tak, aby była bliska częstotliwości sieci (szyn).  

W  okrętowych  systemach  elektroenergetycznych  proces  synchronizacji  musi  przebiegać 

w sposób ciągły ze względu na to, że częstotliwość sieci może być zmienna na skutek stanów 
przejściowych  i  skoków  obciążenia.  Moc  pojedynczych  odbiorników  energii  elektrycznej  jest 
często  porównywalna  z  mocą  znamionową  zespołów  elektroenergetycznych.  Ciągła  zmiana 
obciążenia wiąże się z przypadkowym włączaniem lub wyłączaniem silników asynchronicznych 
dużej mocy. Z kolei w systemach zasilanych przez prądnicę wałową w razie silnego falowania 
morza  może  wystąpić  znaczna  nierówność  prędkości  obrotowej  silnika  napędowego.  Zmiana 
prędkości  obrotowej  może  spowodować  przejściowe  zmiany  napięcia  dochodzące  do  15% 
wartości znamionowej i częstotliwości wynoszące od 3 do 6% wartości znamionowej.  

Należy również  zwrócić uwagę na fakt,  że na przebieg procesu synchronizacji ma wpływ 

nierównomierne  obciążenie poszczególnych faz wywołujące asymetrię napięcia. W większości 
wypadków  w  systemie  elektroenergetycznym  statku  warunek  równości  amplitudy  napięć 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 43 

prądnicy  i  sieci,  ze  względu  na  układ  regulacji  napięcia  prądnicy  podstawowego  zespołu 
prądotwórczego, można uważać za spełniony lub prawie spełniony. Porównując na rysunku 19 
przebieg  napięć  prądnicy  i  szyn,  przy  różnicy  fazy  i  różnicy  amplitudy  napięć,  można 
stwierdzić,  że  większe  zaburzenia  w procesie  synchronizacji  powoduje  różnica  fazy.  A  zatem 
najważniejszym  działaniem  w procesie  synchronizacji  jest  sprowadzenie  do  zera  przesunięcia 
fazy. 

 

- 1 , 5

- 1

- 0 , 5

0

0 , 5

1

1 , 5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

2 0

2 1

2 2

2 3

2 4

2 5

2 6

2 7

2 8

2 9

3 0

3 1

3 2

3 3

3 4

3 5

3 6

3 7

3 8

3 9

4 0

4 1

4 2

4 3

4 4

4 5

4 6

4 7

4 8

4 9

5 0

5 1

5 2

5 3

5 4

5 5

5 6

5 7

5 8

5 9

6 0

6 1

6 2

6 3

6 4

6 5

6 6

6 7

6 8

6 9

7 0

7 1

 

 

- 1 , 5

- 1

- 0 , 5

0

0 , 5

1

1 , 5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

2 0

2 1

2 2

2 3

2 4

2 5

2 6

2 7

2 8

2 9

3 0

3 1

3 2

3 3

3 4

3 5

3 6

3 7

3 8

3 9

4 0

4 1

4 2

4 3

4 4

4 5

4 6

4 7

4 8

4 9

5 0

5 1

5 2

5 3

5 4

5 5

5 6

5 7

5 8

5 9

6 0

6 1

6 2

6 3

6 4

6 5

6 6

6 7

6 8

6 9

7 0

7 1

 

 

Rys. 19.   Przebieg napięć prądnicy i szyn przy różnicy fazy oraz napięć 

 
Zgodnie  z  przepisami  towarzystw  klasyfikacyjnych  zaleca  się  tak  dobrać  konstrukcyjnie 

zespoły  i  układy  automatyki,  by  skuteczna  synchronizacja  następowała  w  przedziałach 
dopuszczalnej  minimalnej  i  maksymalnej  częstotliwości  szyn.  W  sytuacji  gdy  częstotliwości 
prądnicy  f

ge

  i  szyn  f

szyn,

  są zgodne lub  różnią się nie więcej niż to jest dopuszczalne, prądnica 

może  być  załączona  z  chwilą  zrównania  przesunięć  fazowych  obu  napięć.  Zwykle  w  celu 

ΔU 

ΔU

ge

 

ΔU

sz

 

ΔU 

ΔU

ge

 

ΔU

sz

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 44 

osiągnięcia  możliwie  krótkiego  czasu  synchronizacji  nastawia  się  stałą  różnicę  między  
f

ge,

 i f

szyn

.  

Detektor  synchronizacji  kontroluje  warunki  synchronizacji  (amplitudy  i  fazy)  i  załącza 

prądnice  na  szyny.  Zadajnik  prędkości  obrotowej  silnika,  regulując  częstotliwość,  ma  za 
zadanie sprowadzenie fazy do zera.  

Do  synchronizacji  zwykle  stosuje  się  zasadę  „synchronizacji  na  ciemno”  lub  „światła 

wirującego”. Poniżej, na rysunku 20, pokazano zasadę podłączenia podstawowych przyrządów 
niezbędnych  podczas  synchronizacji  prądnicy  z  szynami  głównymi  z wykorzystaniem 
„wirującego światła” i synchronoskopu (kolumna synchronizująca). Na wspomnianym rysunku 
odpowiednio  1 – t o   miernik  wskazujący  częstotliwość  napięcia  szyn  głównych  oraz  napięcia 
prądnicy,  2  –  miernik  wskazujący  aktualną  wartość  napięcia  szyn  głównych  i  prądnicy,  3  – 
synchronoskop  wyposażony  we  wskaźnik diodowy,  pokazujący bieżącą różnicę faz pomiędzy 
napięciem prądnicy a napięciem szyn głównych, 4 – lampki służące do synchronizacji prądnicy 
na „światło wirujące". 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 20.   Zasady podłączenia przyrządów podczas synchronizacji.[9] 

 

Synchronoskop  jest  głównym  instrumentem  służącym  do  synchronizacji  ręcznej.  Lampki 

służące  do  synchronizacji  mogą  być  uważane  za  zapasowe  (pomocnicze)  w  stosunku  do 
synchronoskopu.  Zarówno  synchronoskop,  który  składa  się  z  szeregu  świecących  diod,  jak 
i lampki służące  do  synchronizacji  mają tę samą podstawową zasadę, tj. są podłączone do faz 
w taki sposób, aby osiągnąć efekt wirowania. Są one ułożone w kształt trójkąta i, świecąc, dają 
efekt  rotacyjny.  Lampki  są  podłączone  tak,  że  H1  i  H3  powinny  świecić,  podczas  gdy  H2 
zostaje wygaszona, kiedy prądnica jest synchronizowana z siecią. Jeżeli częstotliwość napięcia 
prądnicy  jest  większa  niż  na  szynach  głównych,  lampki  synchronizacyjne  wirują  zgodnie  z 
ruchem wskazówek zegara. Częstotliwość wirowania lampek zależy od różnicy częstotliwości 
napięć.  Jeżeli  napięcie  na  zaciskach  prądnicy  z  jakieś  przyczyny  jest  niższe  od  napięcia  na 
szynach,  koniecznie  trzeba  dostosować prąd  wzbudzenia  prądnicy. Po uruchomieniu  prądnicy 
jej  częstotliwość  napięcia  jest  niższa  niż  na  szynach.  Należy  zwiększyć  jej  prędkość  poprzez 
zwiększenie  dawki  paliwa,  co  można  wykonać  przyciskiem  „Up”  (zwiększ)  na  rozdzielnicy 
głównej  w  polu  prądnic.  Po  zwiększeniu  obrotów  prądnicy  częstotliwość  napięcia  na  jej 
zaciskach  powinna  być  nieco  większa niż na szynach głównych. Załączenie prądnicy na szyny 
powinno być przeprowadzone, gdy dioda świecąca synchronoskopu znajduje się na pozycjach 
od  5  do  12,  a  częstotliwość  napięcia  prądnicy  jest  nieznacznie  większa  od  występującej  na 
szynach  głównych.  Jest  to  podyktowane  tym,  że  podczas  załączania  prądnicy  na  szyny, 
powinna ona przejąć obciążenie. 

napięcie 

częstotliwość 

400V                   480V 

46Hz                  64Hz 

3~ 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 45 

Sekwencja 

działania 

układu 

synchronizatora 

automatycznego 

rozpoczyna 

się 

od zainicjowania nadzoru czasowego (kontroli czasu trwania) procedury synchronizacji, który 
zwykle dopuszcza maksymalny czas procesu równy 10 s. Następnie synchronizator sprawdza, 
czy  odchyłka  wartości  napięcia  synchronizowanej  prądnicy  od  napięcia  sieci  nie  przekracza 
10%, a  następnie  kontrolowana  jest  różnica częstotliwości  prądnicy i sieci. Proces kończy się 
wyłączeniem procedury nadzoru czasowego. 
 
Regulacja częstotliwości i rozdział mocy czynnej 

Regulacja  prędkości  obrotowej  silnika  napędowego  wiąże  się  ze  zmianą  częstotliwości 

pracy  prądnicy.  W  rozwiązaniach  elektrowni  okrętowej  istotnym  problemem  przy  pracy 
równoległej  zespołów  prądotwórczych  jest  równoczesna  regulacja  częstotliwości  (stabilizacja 
częstotliwości  w  sieci)  i  rozdział  mocy  czynnych  między  poszczególne  pracujące  zespoły 
prądotwórcze.  

Układ automatycznego rozdziału mocy czynnej realizuje funkcje ciągłej kontroli i regulacji 

rozdziału mocy czynnej pomiędzy równolegle pracujące zespoły prądotwórcze, z zachowaniem 
stałej częstotliwości napięcia w sieci. 
Rozdział mocy czynnej 

Zgodnie  z  przepisami  towarzystw  klasyfikacyjnych  podstawowym  wymaganiem 

pracujących  symetrycznie  zespołów  prądotwórczych  jest  proporcjonalne  obciążanie 
z dokładnością do 15% mocy znamionowej. Umożliwia to układ regulacji podziału obciążenia 
na  poszczególne  zespoły.  W  celu  zwiększenia  obciążenia  danej  prądnicy  należy  starać  się 
zwiększyć  jej  prędkość  obrotową  (np.  poprzez  zwiększenie  dawki  paliwa  w  silniku 
napędowym  tego  generatora).  Za  utrzymanie  stałego  proporcjonalnego  obciążenia  zespołów 
prądotwórczych  odpowiada  odpowiedni  sterownik  PLC.  Tylko  w  stanach  awaryjnych 
prowadzi się sterowanie ręcznie. 
 
Układy rozdziału mocy czynnej i częstotliwości 

W  rozdziale  mocy  czynnych  i  regulacji  częstotliwości  w  okrętowych  systemach 

elektroenergetycznych  najpowszechniej  wykorzystywane  są  dwie  metody:  z  regulacją 
połączoną  mocy  i  częstotliwości  oraz  z  zespołem  wiodącym.  Metoda  z  regulacją  połączoną 
mocy  i  częstotliwości  stosowana  jest  w  systemach  z  większą  liczbą  zespołów 
współpracujących. 

W  układzie  sterowania  rozdziałem  mocy  czynnych  i  regulacji  częstotliwości  występuje 

współpraca  dwóch  regulatorów:  nadrzędnego  regulatora  krokowego  częstotliwości  lub 
rozdziału  mocy  czynnych  oraz  regulatora  prędkości  obrotowej  ZP.  Konstrukcja  nadrzędnego 
regulatora  krokowego  oparta  na  członie  trójpołożeniowym  z  histerezą  oraz  inercyjnym 
sprzężeniem  zwrotnym.  Strukturę  nadrzędnego  regulatora  krokowego  współpracującego 
z regulatorem prędkości obrotowej przedstawia rysunek 20.  

W  większości  przypadków  w  zespołach  prądotwórczych  stosowane  są  regulatory 

prędkości obrotowej typu hydraulicznego. 

W  rozwiązaniach  elektrowni  okrętowej,  szczególnie  o  mniejszej  liczbie  zespołów, 

stosowana  jest  struktura  układu  rozdziału  mocy  z  zespołem  wiodącym.  W  odróżnieniu  od 
metody  z  równoczesną  regulacją  mocy  i  częstotliwości  zespół  prądotwórczy  aktualnie 
pracujący będzie miał charakter zespołu odniesienia – wiodący. Pozostałe zespoły dopasowują 
się  do  parametrów  pracy  zespołu  wiodącego.  Regulator  prędkości  obrotowej  zespołu 
wiodącego,  ze  względu  na  konieczność  stabilizacji  częstotliwości  niezależnie  od  obciążenia, 
powinien mieć charakterystykę sztywną, pozostałe zespoły charakterystyki elastyczne. Metodę 
regulacji  częstotliwości  i  rozdziału  mocy  czynnej  na  równolegle  pracujące  prądnice  można 
stosować  do  dowolnej  liczby  prądnic,  przy  czym,  jeśli  moc  jednej  prądnicy  wiodącej  jest 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 46 

niewystarczająca,  jako  wiodące  mogą  być  wyznaczone  dwie  prądnice.  Wówczas  rozdział 
obciążeń  pomiędzy  prądnicami  wiodącymi  odbywać  się  będzie  na  zasadzie  wykorzystania 
charakterystyk pseudostatycznych – rozdziału obciążenia proporcjonalnego. 

 

Rys. 21.   Struktura  układu  sterowania  pracą  turbogeneratora  z  zespołem  prądotwórczym  podczas 

synchronizacji i rozdziału mocy czynnej [9] 

 
Regulacja napięcia 

Regulacja napięcia będzie realizowana na podstawie schematu blokowego układu regulacji 

stałowartościowej  napięcia  prądnicy.  Schemat  ten  odnosi  się  do  części  elektrycznej  zespołu 
prądotwórczego  i  został  przedstawiony  na  rysunku  21.  Regulator  napięcia  prądnicy 
synchronicznej najczęściej ma nastawianą stałą wartość zadaną napięcia i jest przeznaczony do 
jak  najszybszego  skorygowania  wartości  napięcia  do  żądanego  poziomu  oraz  do  uzyskania 
minimalnego  uchybu  napięcia,  tj.  różnicy  pomiędzy  wartością  zadaną  a  wartością  mierzoną 
napięcia  prądnicy.  Na  wspomnianym  schemacie  pokazano  sytuację,  w  której  zadajnikiem 
napięcia ustala się wartość napięcia które jest porównywane z napięciem prądnicy.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 22.   Układ regulacji napięcia prądnicy – część elektryczna 

silnik 

spalinowy 

wirujące 

masy 

zadajnik 

napięcia U

regulator 

napięcia

 

wirnik 

stojan 

 
 
prądnica 

obciążenie 

I, cosφ 

ε 

I

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 47 

Sygnał  uchybu  napięcia  podany  jest  do  regulatora  napięcia  i  odpowiednio  korygowany 

w zależności  od  obciążenia  prądnicy,  gdzie  uwzględnia  się  prąd  obciążenia  oraz  charakter 
obciążenia  określony  przez  cos.  Zmiana  obciążenia  (zmiana  wielkości  pobieranego  prądu) 
powoduje zmianę wartości napięcia. 

To  niekorzystne  zjawisko  zmiany  napięcia  od  chwilowych  warunków  obciążenia 

korygowane  jest  przez  regulator  napięcia.  Regulator,  zmieniając  wartość  prądu  wzbudzenia 
zgodnie z charakterystykami regulacyjnymi, dąży do stabilizacji poziomu napięcia zadanego. A 
zatem  zadaniem  regulatora  napięcia  i  układu  wzbudzenia  jest  stabilizacja  napięcia  którego 
wahania są wywołane przede wszystkim obciążeniem prądnicy. 

Do  regulacji  napięcia  prądnicy  powszechnie  stosowany  jest  układ  fazowej  kompensacji 

wzbudzenia  (szeregowo-bocznikowy).  Energia  niezbędna  do  wzbudzania  pobierana  jest 
z zacisków twornika, stąd prądnica jest samowzbudną. W szeregowo-bocznikowych układach 
wzbudzenia  stabilizacja  napięcia  polega  na  generowaniu prądu  wzbudzenia poprzez  nałożenie 
dwóch  sprzężeń:  napięciowego  i  prądowego  z  obwodem  twornika.  Składowa  napięciowa 
prądu  wzbudzenia  jest  proporcjonalna  do  napięcia  twornika.  Powoduje  ona  wytworzenie  się 
podstawowego strumienia wzbudzenia, odpowiedzialnego za zaindukowanie znamionowej siły 
elektromotorycznej  przy  biegu  jałowym.  Natomiast  składowa  prądowa,  proporcjonalna  do 
obciążenia  prądnicy,  jest  źródłem  strumienia  dodatkowego,  kompensującego  główne  skutki 
oddziaływania  twornika.  W  układzie  regulacji  napięcia sygnałem pomiarowym  jest sumowana 
geometrycznie składowa napięcia i prądu z uwzględnieniem kąta przesunięcia fazowego. Na tej 
podstawie  regulator  zmienia  wartość  prądu  wzbudzenia,  która  jest  uzależniona  od  wartości  i 
charakteru  obciążenia.  Regulator  napięcia  prądnicy  synchronicznej  z  układem  fazowej 
kompensacji wzbudzenia zbudowany jest z układu kompensacji prądowej, członu pomiarowo-
porównującego i wzmacniacza zadającego wartość prądu wzbudzenia I

w

 (rys. 23). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 23.   Schemat regulatora napięcia z kompensacją prądową [9] 

układ kompensacji 

prądowej 

człon pomiarowo – 

porównujący 

wzmacniacz 

wstępny 

3~ 

wartość zadana napięcia 

 
 
 
 

przetwornik  
tyrystorowy 

prąd wzbudzenia  

 

 Iw 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 48 

Źródłem  prądu  wzbudzenia  jest  trójfazowa  odwrócona prądnica synchroniczna (wirujący 

twornik) zasilająca uzwojenie wzbudzenia prądnicy poprzez wirujący prostownik diodowy M3. 
Regulacja  napięcia  na  zaciskach prądnicy odbywa się za pomocą tyrystora Ml, sterowanego z 
regulatora  napięcia  układu  kompensacji  fazowej.  Regulator  napięcia  mierzy  wartość  napięcia 
na zaciskach prądnicy i – posługując się komparatorem – porównuje ją z wartością zadaną. W 
razie  wahań  wartości  napięcia  następuje  takie  wysterowanie  tyrystora  które  spowoduje 
utrzymanie  stałej  wartości  napięcia  na  zaciskach  prądnicy.  W  rezultacie  wzrost  napięcia 
powyżej  pewnej  wartości  skutkuje  rozpoczęciem  przewodzenia  przez  tyrystor,  który  tym 
samym  przyczynia  się  do  obniżenia  prądu  wzbudzenia  a  więc  także  napięcia.  Natomiast  gdy 
tyrystor jest zablokowany, następuje wzrost napięcia prądnicy. 

Napięcie  wzbudzenia,  niezależnie  od  tego  czy  to  w  prądnicy  bezszczotkowej  czy 

z pierścieniowej  ma  składową  zależną  od  napięcia  maszyny  i  składową  zależną  od  prądu 
obciążenia (głównie biernego). W czasie zwarcia, gdy znika składowa napięciowa, wzbudzenie 
dąży  się  do  ciągłości  zasilania  regulatora.  Układ  ten  łącznie  z  wirującą  wzbudnicą 
wypracowuje po wyprostowaniu napięcie prądu stałego większe niż to jest potrzebne maszynie 
w  danym  stanie  pracy.  Jednoczenie  regulator  napięcia  ma  zadanie  kształtowania 
charakterystyki  zewnętrznej  prądnicy,  w  szczególności  uzależnienie  napięcia  maszyny 
od składowej  biernej  obciążenia.  To  uzależnienie  w  praktyce  zwykle  realizuje  się  za  pomocą 
tzw.  kompensacją  członu  pomiarowego  regulatora.  Ponieważ  napięcie  wzbudzenia  jest 
większe  niż  wymaga  to  normalna  praca,  zadaniem  regulatora  jest  działanie  polega 
na zmniejszaniu tego napięcia. W efekcie większość układów wzbudzenia ma dwa układy jeden 
dla uzyskania napięcia wzbudzenia w zależności od obciążenia (układ kompaundacji fazowej) i 
drugi  w regulatorze  dla  kształtowania  statyzmu  charakterystyki  zewnętrznej  (układ 
kompensacji członu pomiarowego). 
 
Elektrownie zautomatyzowane 

Współczesny  rozwój  technologiczny  powoduje  ciągłą  zmianę  stosowanych  systemów 

i rozwiązań  sterujących  pracą  elektrowni  okrętowej.  Obecnie  w  większości  rozwiązań 
systemów elektroenergetycznych mają zastosowanie zdecentralizowane komputerowe systemy 
kontroli  i  sterowania  o  strukturze  hierarchicznej,  które  zapewniają  pełną  automatykę 
elektrowni  bez  stałego  nadzoru,  w  siłowni  bezwachtowej.  W  zautomatyzowanych  systemach 
elektroenergetycznych  do  realizacji  poszczególnych zadań  i funkcji  stosuje  się  specjalizowane 
mikroprocesorowe  układy  kontroli,  zabezpieczenia  i  sterowania  automatycznego  – 
specjalizowane sterowniki programowalne.  

W  zależności  od  stopnia  automatyzacji  układów elektrowni  można  wyróżnić  następujące 

rozwiązania: 

 

z zanikiem napięcia (typu blackout), 

 

z samoczynnym zespołem awaryjnym,  

 

z układami pełnej automatyki, zapewniającymi ciągłość zasilania. 

 
Elektrownie z samodzielnie pracującymi zespołami prądotwórczymi, z zanikiem napięcia 
typu blackout 

Elektrownie  z  samodzielnie  pracującymi  zespołami  prądotwórczymi  z  zanikiem  napięcia 

typu  blackout  (rys.  24)  są  stosowane  na  statkach  o  nierozbudowanych  systemach 
elektroenergetycznych  i  o  mniejszych  mocach,  gdzie  zapotrzebowanie  na  energię  elektryczną 
pokrywane  jest  normalnie  pracą  jednego  zespołu  prądotwórczego.  Ze  względu  na  prostotę 
realizacji  są  to  rozwiązania  tanie.  Praca  układu  przedstawia  się  w  następujący  sposób:  przy 
założeniu,  że  w  danym  momencie  pracuje  jeden  z  zespołów,  napięcie  z  załączonej  prądnicy 
podawane jest do głównej tablicy rozdzielczej GTR i zasila wszystkie odbiorniki Q. W wyniku 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 49 

zakłóceń,  np.  zwarcia,  gwałtownego  przeciążenia  albo  awarii  silnika  napędowego  prądnicy, 
następuje wyłączenie z sieci aktualnie pracującego zespołu prądotwórczego. Zanik napięcia na 
szynach  spowoduje  wyłączenie  wszystkich  odbiorników  z  sieci,  a  czujnik  pomiaru  napięcia  i 
częstotliwości  wyzwoli  impuls  do  uruchomienia  i  załączenia  kolejnego  zespołu 
prądotwórczego (zespołu rezerwowego).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 24.   Elektrownia  z  samodzielnie  pracującymi  zespołami  prądotwórczymi 

z zanikiem napięcia typu blackout [9] 

 
Kolejność  załączania  zespołów  jest  przy  tym  ustalona.  W  czasie zaniku napięcia  ciągłość 

pracy  czujników  i  układów  automatyki  zapewnia  zasilanie  awaryjne,  zwykle  z  baterii 
akumulatorów  24  V  lub  z  systemów  potrzymania  napięcia  UPS,  które  mogą  pracować  na 
różnych  poziomach  napięcia.  Przed  pobudzeniem  do  startu  zespół  prądotwórczy  musi  być 
w stanie  „stand–by”,  to  znaczy  wstępnie  przesmarowany  oraz  wstępnie  podgrzewany. 
Po rozruchu  zespołu  i  dojściu  do  prędkości  znamionowej,  następuje  wzbudzenie  prądnicy 
i zaczyna działać układ regulacji napięcia. 

W  momencie  gdy  na  zaciskach  prądnicy  pojawi  się  napięcie  generatora  U

G

  >  0,85  U

Gn

gdzie  U

Gn

  to  napięcie  znamionowe  generatora,  a  napięcie  w  sieci  U

n

  =  0,  nastąpi  załączenie 

wyłącznika  (np.  dla  zespołu  1  zostanie  załączony  wyłącznik  S

1

).  W  tym  samym  czasie  na 

szynach pojawi się napięcie. Następnie zostaną załączone w pierwszej kolejności sekwencyjnie 
odbiorniki:  urządzenia  pomocnicze  zespołów  prądotwórczych,  pompa  p.  poż.,  sprężarka 
powietrza,  urządzenia  sterowe,  urządzenia  nawigacyjne,  urządzenia  radiowe,  oświetlenie 
niektórych  punktów,  prostowniki  baterii  akumulatorów.  Zgodnie  z  przepisami  towarzystw 
klasyfikacyjnych  odbiorniki  ważne  dla  bezpieczeństwa  statku,  urządzenia  związane  z 
uruchomieniem  silnika  głównego  (pompy  chłodzące  SG  wody  słodkiej,  morskiej,  olejowe, 
sprężarki  itp.) ze względu na  prąd rozruchowy silników elektrycznych (6×I

zn

) będą załączane 

w  odpowiedniej  sekwencji czasowej t  = 0, 2, 4, 6 s. Załączenie do pracy części odbiorników 
mniej  ważnych  będzie  wymagało  ręcznego  uruchomienia  przez  personel  obsługujący.  W 
wypadku nieudanego startu zespołu, komenda „rozruch” przechodzi na następny zespół.  

O

O

O

O

GTR 

odbiorniki ważne 

odbiorniki  

U

n

 = 0 

f

n

 = 0 

U = 0 

U

G

 >0,85•U

Gn 

G

1

 

 

automatyka 

silnika 

spalinoweg

O

O

Kolejność 

załączania 

0s              2s          4s           6s 

Sekwencyjne 

załączania po 

blackoucie 

U = 0 

U

G

 >0,85•U

Gn 

G

1

 

 

automatyka 

silnika 

spalinoweg

U = 0 

U

G

 >0,85•U

Gn 

G

1

 

 

automatyka 

silnika 

spalinoweg

Układ 

zabezpieczający 

z nastawnikiem 

kolejności 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 50 

Zwykle pracuje tylko jeden z zespołów prądotwórczych pokrywający zapotrzebowanie na 

moc  potrzebną  do  ruchu  statku.  W  razie  konieczności  zapewnienia  zasilania  większej  liczby 
odbiorników (np. urządzeń dźwigowych, steru strumieniowego) możliwa jest praca równoległa 
zespołów.  

Zazwyczaj  układ  automatyki  elektrowni  jest  wyposażony  w  synchronizatory 

półautomatyczne,  gdzie  pierwszy  impuls  –  rozpoczynający  proces  synchronizacji  –  musi  być 
zadany przez obsługę, a sam proces synchronizacyjny odbywa się automatycznie. W układach 
tych samoczynnie powinien następować rozkład mocy czynnej. Rozkład mocy symetryczny jest 
stosowany  dla  zespołów  tego  samego  typu,  zaś  asymetryczny  –  przy  współpracy  prądnic 
wałowych  z  równolegle  pracującymi  prądnicami  napędzanymi  silnikami  Diesla.  Elektrownie 
z samodzielnie  pracującymi  zespołami  prądotwórczymi  z  zanikiem  napięcia  nie  posiadają 
zespołu  awaryjnego  a  także  nie  jest  w  nich  analizowany  stopień  obciążenia  zespołów. 
Po zaniku napięcia elektrownie tego typu powinny odbudować napięcie w czasie nie dłuższym 
niż 45 s. 
 
Elektrownia z samoczynnym zespołem awaryjnym 

Elektrownia  z  samoczynnym  zespołem  awaryjnym  (rys.  25)  zasadniczo  różni  się 

wyposażeniem  w  dodatkową  rozdzielnicę  awaryjną  ATR  (awaryjna  tablica  rozdzielcza) 
i zespół awaryjny. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 25.   Elektrownia z samoczynnym zespołem awaryjnym [9] 

 

Rozdzielnica  i  zespół  awaryjny  umieszczane  są  powyżej  najwyższego  pokładu  ciągłego 

poza  obrębem  szybów  maszynowych.  Moc  zespołu  awaryjnego  powinna  zapewnić  zasilanie 
wszystkich  odbiorników,  których  jednoczesna  praca  jest  wymagana  dla  zapewnienia 
bezpieczeństwa  w  czasie  awarii,  a  jej  rząd  zwykle  kształtuje  się  na  poziomie  70÷100  kW. 
W razie  zaniku  napięcia  na  GTR  podany  jest  impuls  do  uruchomienia  zespołu  awaryjnego. 
Jednocześnie zostaje otwarty wyłącznik S

4

. Przeważnie rozruch agregatu awaryjnego realizuje 

O

O

O

O

Autotransformator 

440/220V 

U = 0 

U

G

 >0,85×U

O

O

O

O

ATR 

GTR 

odbiorniki 440V 

odbiorniki 220V 

odbiorniki  

G

zespół 

awaryjny 

G

1

 

 

G

2

 

 

G

3

 

 

automatyka 

silnika 

spalinowego 

S4 

U

n

 = 0 

f

n

 = 0 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 51 

się  na  drodze  elektrycznej  ze  specjalnych  baterii  akumulatorów  rozruchowych,  ale  również 
stosowany  jest  rozruch  pneumatyczny  i  hydrauliczny.  Po  rozruchu  zespołu  prądotwórczego 
awaryjnego,  po  10÷15  s,  pojawia  się  napięcie  na  stykach  wyłącznika  S

5

  i  po  spełnieniu 

warunku  U  >  0,85×U

G

„  następuje  załączenie  wyłącznika  S

5

.  Agregat  awaryjny  zasila 

rozdzielnicę awaryjną. Wyłączniki S

5

 i S

4

 nie mogą być załączone jednocześnie i są wzajemnie 

blokowane.  Łączny  czas  rozruchu  i  przejęcia  obciążenia  po  blackoucie  przez  prądnicę 
awaryjną  nie  może  przekroczyć  45  s.  Z  awaryjnej  tablicy  rozdzielczej,  podzielonej  na  dwie 
sekcje: 220 V i 440 V, zasilane są urządzenia niezbędne do zachowania bezpieczeństwa osób i 
własności manewrowych statku.  

Sekcja  220  V  zasilana  jest  poprzez  transformator.  Z  sekcji  tej  zasilane  są:  oświetlenie 

awaryjne, światła sygnałowo-pozycyjne, środki łączności wewnętrznej, wyposażenie radiowe i 
nawigacyjne,  instalacje  wykrywacze  pożaru,  środki  sygnalizacji,  a z 440  V  – awaryjna  pompa 
pożarową  urządzenia  elektryczne  wytwornicy  piany  i  urządzenie  sterowe  (również  sprężarka 
awaryjna). Następnie zostaje uruchomiony zespół prądotwórczy podstawowy. Zwykle zespoły 
są wyposażone w synchronizatory półautomatyczne, tzn., że sygnał rozpoczęcia synchronizacji 
zainicjuje  operator,  a  synchronizacja  i  załączenie  na  szyny  będzie  przebiegało  automatycznie. 
Po  załączeniu  prądnicy  pojawia  się  napięcie  na  szynach  głównych  i  następuje  samoczynne 
odłączenie  S5  i  ze  zwłoką  załączanie  S4  oraz  przejęcie  obciążenia  z ATR.  Zwłoka  czasowa 
między  odłączeniem  S5  i  załączeniem  S4  wynosi  około  2  s.  W trakcie  przejmowania 
obciążenia  z  tablicy  awaryjnej  występuje  na  niej  chwilowy  zanik  napięcia  (ok. 2  s.).  A  zatem 
pomija  się  proces  synchronizacji  zespołu  awaryjnego  z  zespołem  podstawowym.  Następnie 
zespół  awaryjny  zostaje  zdalnie  wyłączony  za  pomocą  przycisku  STOP  z  GTR  lub  ze 
stanowiska  lokalnego  sterowania  (przy  agregacie  awaryjnym).  Stany  pracy  i  zatrzymanie 
agregatu są sygnalizowane na GTR. 
 
Elektrownie z układami pełnej automatyki 

Elektrownie z układami pełnej automatyki mają za zadanie zapewnienie ciągłości zasilania 

odbiorników  we  wszystkich  stanach  eksploatacji  statku.  Pod  pojęciem  elektrowni  z układu 
sterowania  z  pełną  automatyką  będziemy  rozumieli  system  pracujący  bez  nadzoru  operatora. 
Są one wyposażone w automatyczne układy sterowania oraz kontroli pracy prądnic, napędów, 
turbiny  parowej  (jeśli  jest  stosowana  jako  napęd)  oraz  prądnicy  wałowej.  Elektrownia 
z układami  pełnej  automatyki  realizuje  rozszerzone  funkcje  elektrowni  z samodzielnie 
pracującymi zespołami prądotwórczymi z zanikiem napięcia typu blackout.  

Układy  automatyki  posiadają bloki kontroli parametrów generatora i silnika napędowego, 

w razie  ich  przekroczenia  zostaje  wygenerowany  sygnał  alarmowy  lub  wyłączający  awaryjnie 
zespół. Dodatkowo odbywa się ciągła analiza stopnia obciążenia zespołów prądotwórczych po 
osiągnięciu  określonych  poziomów  obciążenia  –  zespół  dodatkowy  zostaje  załączony  lub 
zbędny zespół zostaje wyłączony.  

W  układach  pełnej  automatyki  elektrowni,  w  wypadku  wystąpienia  zakłócenia  pracy 

systemu (np. zbyt dużego obciążenia spadku wartości napięcia i częstotliwości w sieci poniżej 
wartości  dopuszczalnych),  układ  generuje  rozkaz  uruchomienia  dodatkowego  zespołu 
prądotwórczego.  Rozkaz  będzie  przekazany  do  układu  kolejności załączania zespołów,  który 
spowoduje  uruchomienie  zespołu  będącego  w rezerwie i jest  tak długo generowany,  aż  jeden 
z zespołów  rezerwowych  rozpocznie  pracę.  Tym  samym  nie  ma  przerwy  w  zasilaniu  na 
szynach głównych. Załączanie dodatkowego zespołu prądotwórczego może być realizowane w 
celu  odciążenia  pracujących  zespołów,  odciążenia  uszkodzonego  zespołu  i  zatrzymania 
z opóźnieniem, odciążenia uszkodzonego zespołu i zatrzymania natychmiastowego. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 52 

4.4.2. Pytania sprawdzające 

 
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 

1.  Jakie funkcje realizują układy automatyki w okrętowym systemie okrętowym? 
2.  W jakich konfiguracyjach buduje się okrętowej elektrownie? 
3.  Jakie są warunki synchronizacji prądnic okrętowych? 
4.  Jakie są systemy synchronizacji prądnic? 
5.  Gdzie 

znajdują 

się 

punkty 

ręcznego 

sterowania 

okrętowym 

systemem 

elektroenergetycznym? 

 
4.4.3. Ćwiczenia  

 
Ćwiczenie 1 

Wykonaj  synchronizacje  prądnicy  synchronicznej  z  siecią  elektroenergetyczną  przy 

pomocy kolumny synchronizującej? 

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:  

1)  zbudować układ sterowania silnika napędzającego prądnicę, 
2)  podłączyć generator do kolumny synchronizującej i wyłącznika, 
3)  uruchomić silnik napędzający prądnicę synchroniczną, 
4)  zasilić uzwojenie wzbudzające, 
5)  doprowadzić by częstotliwość sieci była zbliżona do częstotliwości napięcia prądnicy, 
6)  doprowadzić do zrównania napięć prądnicy i sieci, 
7)  załączyć prądnicę do sieci. 
 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

prądnica synchroniczna połączona z silnikiem prądu stałego, 

 

kolumna synchronizująca, 

 

wyłącznik, 

 

przewody łączeniowe. 

 
Ćwiczenie 2 
 

W  symulatorze  okrętowej  elektrowni,  wykonaj  podstawowe  pomiary  parametrów 

wyjściowych  energii  elektrycznej.  Ustal  minimalne  i  maksymalne  wartości  napięcia 
i częstotliwości. 
 

Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 

1)  zapoznać się z instrukcją obsługi trenażera, 
2)  określić kontrolowane parametry (maksymalne, średnie), 
3)  odczytać  z  pamięci  rejestratora  wartości  napięcia  –  wyszukać  wartość  minimalną 

i maksymalną, 

4)  odczytać wartości częstotliwości – wyszukać wartość minimalna i maksymalną. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 53 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

symulator okrętowej elektrowni pokładowej, 

 

dokumentacja techniczna symulatora, 

 

przybory do pisania. 

 
Ćwiczenie 3 

Analizując  schemat  okrętowego  systemu  elektroenergetycznego  wskaż  regulatory,  które 

sterują  pracą  elementów  systemu  elektroenergetycznego  –  określ  funkcje  jakie  każdy  z  nich 
realizuje. 

 
Sposób wykonania ćwiczenia 
 
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 

1)  zapoznać się ze schematem okrętowego systemu elektroenergetycznego, 
2)  wyszukać regulatory sterujące urządzeniami systemu elektroenergetycznego, 
3)  na podstawie zasady działania i istniejących połączeń, określ funkcje jakie realizuje każdy 

z regulatorów, 

4)  opisz zadania regulatorów. 
 

Wyposażenie stanowiska pracy: 

 

schemat ideowy okrętowego systemu elektroenergetycznego, 

 

przybory do pisania. 

 
4.4.4. Sprawdzian postępów 

Czy potrafisz: 

Tak 

Nie 

1)  omówić zasadę działania układów automatycznej synchronizacji? 

 

 

2)  opisać  metody  równoważenia  obciążenia  okrętowych  zespołów 

prądotwórczych? 

 

 

3)  wskazać  zadania  jakie  realizują  sterowniki  w  okrętowym  systemie 

elektroenergetycznym? 

 

 

4)  określić urządzenia, które rejestrują parametry energii elektrycznej? 

 

 

5)  określić  w  jaki  sposób  zwiększa  się  niezawodność  okrętowych 

systemów elektroenergetycznych? 

 

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 54 

5.  SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ 
 

INSTRUKCJA DLA UCZNIA 

1.  Przeczytaj uważnie instrukcję. 
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 
4.  Test  zawiera  20  zadań  i  sprawdza  Twoje  wiadomości  z  zakresu podstawowych  układów 

automatyki.  

5.  Tylko jedna odpowiedź do każdego zadania jest prawidłowa. 
6.  Udzielaj  odpowiedzi  tylko  na  załączonej  karcie  odpowiedzi.  Skreśl  prawidłową 

odpowiedź. 

7.  Jeżeli się pomylisz, błędną odpowiedź weź w kółko i skreśl odpowiedź prawidłową. Jeżeli 

skreślisz więcej niż jedną odpowiedź do jednego zadania, nie zostanie one ocenione. 

8.  Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania. 
9.  Kiedy  udzielenie  odpowiedzi  będzie  Ci  sprawiało  trudność,  odłóż  jego  rozwiązanie 

na później; wrócisz do niego, gdy zostanie Ci wolny czas. 

10.  Na rozwiązanie testu masz 45 minut. 

 

Powodzenia! 

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH 
 

1.  Do ustalania optymalnych nastaw regulatorów służy kryterium 

a)  Ohma. 
b)  Lenza. 
c)  Nequista. 
d)  Kirchoffa. 
 

2.  Układ  regulacji  w  której  regulator  ma  za  zadania  utrzymać  stałą  w  czasie  wartość 

wyjściową nazywamy 
a)  układ śledzący. 
b)  układ stabilizacji. 
c)  układ programowalny. 
d)  układ optymalny. 
 

3.  Układ standaryzujący jest to układ, który 

a)  przetwarza wartość zadaną na sygnał sterujący. 
b)  przetwarza wielkości nieelektryczne na elektryczne. 
c)  przetwarza wielkości elektryczne na nieelektryczne. 
d)  skaluje przesyłane sygnały do wartości znormalizowanych. 
 

4.  Prądnica tachometryczna służy do 

a)  wytwarzania energii elektrycznej w okrętowym systemie elektroenergetycznym. 
b)  wytwarzania  energii  elektrycznej  w  stanach  awaryjnych  do  podtrzymania  pracy 

urządzeń decydujących o bezpieczeństwie jednostki. 

c)  pomiaru prędkości obrotowej. 
d)  zabezpieczania prądnic przed przeciązeniami. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 55 

5.  Do pomiaru temperatury nie stosuje się 

a)  czujników kubełkowych. 
b)  termistorów. 
c)  termoelementów. 
d)  czujników manometryczne. 
 

6.  Regulatory kaskadowe stosuje się w celu 

a)  zmniejszenia wielkości sygnałów zakłócających. 
b)  skrócenia czasu regulacji. 
c)  stabilizacji sygnału zadanego. 
d)  utrzymania na stałym poziomie sygnału zadanego. 
 

7.  Sygnał wyjściowy regulatora dwupołożeniowego 

a)  zmienia się w sposób płynny. 
b)  zmienia się w sposób ciągły. 
c)  utrzymuje się na stałym poziomie. 
d)  zmienia się w sposób skokowy. 

 
8.  O  udziale  sygnału  wyjściowego  członu  całkującego  w  całkowitym  sygnale  wyjściowym 

regulatora PID decyduje 
a)  czas zdwojenia. 
b)  czas wyprzedzenia. 
c)  wzmocnienie. 
d)  zakres proporcjonalności. 
 

9.  Wskaż jak dzielą się regulatory ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego 

a)  regulatory P, PI, PD i PID. 
b)  regulatory analogowe i cyfrowe. 
c)  regulatory dwustawne, tróstawne i wielostawne. 
d)  regulatory ciągłe, krokowe i impulsowe. 
 

10.  Błąd regulacji jest to różnica 

6.  wartości zadanej i sygnału sterującego. 
7.  sygnału sterującego i sygnału wyjściowego. 
8.  wartości zadanej i sygnału wyjściowego. 
9.  wartości zadanej i sygnału zakłócającego. 
 

11.  W celu utrzymania temperatury w określonym przedziale, należy zastosować regulator 

a)  dwustanowy. 
b)  trójstanowy. 
c)  wielostanowy. 
d)  obiekt. 
 

12.  Skrót CMK oznacza 

a)  wyodrębnione stanowisko do kontroli i sterowania układów automatyki okrętowej. 
b)  centralny kolektor zasilający silniki główne w paliwo. 
c)  centralny  magistrala  kolektorowa  –  do  wyprowadzania  spalin  z  silników 

wysokoprężnych. 

d)  centralny sterownik siłownią okrętową. 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 56 

13.  Automatyka okrętowa składa się z systemów 

a)  napędowego i przeładunkowego. 
b)  stabilizacji kołysań statku i regulacji temperatury. 
c)  prowadzenia statku oraz elektroenergetycznego. 
d)  nawigacji, energetycznego, ładunkowego oraz administracji i zarządzania. 
 

14.  Element na którym prezentuje się w formie graficznej poziomy wartości regulowanych to 

a)  sterownik PLC. 
b)  pulpit operatorski. 
c)  przetwornik standaryzujący. 
d)  przetwornik pomiarowy. 
 

15.  Przetwornik A/C realizuje 

a)  przetwarzanie wartości analogowych na cyfrowe. 
b)  przetwarzanie wartości cyfrowych na analogowe.  
c)  przetwarzanie wartości analogowych na binarne. 
d)  przetwarzanie wartości binarnych na analogowe. 

 

16.  W celu zwiększenia niezawodności systemów regulacji i sterowania 

a)  dubluje się przewody łączące elementy pomiarowe ze sterownikami. 
b)  dubluje się sterowniki PLC. 
c)  dubluje się urządzenia kluczowe. 
d)  dubluje się przetworniki pomiarowe. 
 

17.  System sprężonego powietrza w silniku głównym odpowiada za 

a)  chłodzenie silnika. 
b)  smarowanie silnika. 
c)  podgrzewanie silnika. 
d)  rozruch silnika. 
 

18.  Układ sterowania silnika głównego odpowiada za 

a)  regulacje prędkości obrotowej silnika głównego przy zmiennych obciążeniach. 
b)  kontrolę warunków pracy silnika.  
c)  sygnalizację przekroczenia dopuszczalnych warunków pracy silnika. 
d)  zatrzymania silnika w przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych. 
 

19.  Zaprezentowany symbol reprezentuje na schematach 

a)  element proporcjonalny. 
b)  element dwustanowy. 
c)  element trójstanowy. 
d)  element całkujący. 
 

20.  Wartość wyjściowa w obiekcie przybiera kształt taki jak zaprezentowano obok, określ jaki 

regulator realizuje regulację 
a)  regulator dwustanowy. 
b)  regulator ciągły P. 
c)  regulator ciągły I. 
d)  regulator ciągły PI. 
 

T

m

 

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 57 

KARTA ODPOWIEDZI 

 

Imię i nazwisko.......................................................................................... 

 
Użytkowanie układów automatyki okrętowej 
 

Zakreśl poprawną odpowiedź

.

 

 

Nr 

zadania 

Odpowiedź 

Punkty 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10   

 

11   

 

12   

 

13   

 

14   

 

15   

 

16   

 

17   

 

18   

 

19   

 

20   

 

Razem:   

background image

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 

 58 

6.  LITERATURA 
 

1.  Barlik  R.,  Nowak  M.:  Układy  sterowania  i  regulacji  urządzeń  energoelektronicznych. 

WSiP, Warszawa 1998 

2.  Bolkowski S.: Podstawy elektrotechniki. WSiP, Warszawa 1999 
3.  Bohdanowicz  J.  Kostecki  M.:  Podstawy  automatyki  dla  oficerów  statków  morskich. 

Wydawnictwo Morskie Gdańsk, Gdańsk 1980 

4.  Goźlińska E.: Maszyny elektryczne. WSiP, Warszawa 1998 
5.  Górski  Z.,  Perepeczko  A.:  Okrętowe  maszyny  i  urządzenia  pomocnicze.  TRADEMAR, 

Gdynia 1997 

6.  Jabłoński W, Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa 2006 
7.  Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 2006 
8.  Markiewicz A.: Zbiór zadań z elektrotechniki. WSiP, Warszawa 2006  
9.  Konwencja SOLAS Tekst ujednolicony. PRS 199 8 
2.  Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. TRADEMAR, Gdynia 1997 
3.  Płoszajski G.: Automatyka. WSiP, Warszawa 1995 
4.  Wyszkowski S.: Elektrotechnika okrętowa. Wydawnictwo Morskie Gdańsk, Gdańsk 1991