船舶分油機(jī)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

在船舶事故發(fā)生的各種因素中，人為因素占80%以上[1]。因此，提高輪機(jī)管理人員的業(yè)務(wù)水平對于避免船舶事故的發(fā)生有著重要的意義。船舶輪機(jī)模擬器由于其物理真實(shí)性和具有便于培訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)，已成為船員培訓(xùn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種有效手段。分油機(jī)作為船舶輔機(jī)重要的一部分，其仿真模擬器的研發(fā)對輪機(jī)模擬器的發(fā)展有著重要的意義。現(xiàn)行的船舶分油機(jī)控制系統(tǒng)仿真模擬器已經(jīng)落后于實(shí)船上先進(jìn)的控制系統(tǒng)，并且成本高、體積大。為此，以實(shí)船上先進(jìn)的Alfa Laval S系列分油機(jī)的EPC-50控制系統(tǒng)為母型，采用實(shí)物仿真與計算機(jī)軟件仿真相結(jié)合的方式，設(shè)計貼近實(shí)船設(shè)備的分油機(jī)控制系統(tǒng)仿真模擬器。目前，分油機(jī)仿真模擬器的實(shí)物仿真部分多數(shù)采用PLC作為主控元件[2-3]，雖然可靠性很高，但是價格昂貴，增加了培訓(xùn)成本。單片機(jī)以其可靠性高、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。因此，本文設(shè)計并研發(fā)了以單片機(jī)為主控元件的分油機(jī)仿真控制單元，并結(jié)合MIMIC屏管路系統(tǒng)圖，構(gòu)成分油機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)物仿真，輔以計算機(jī)軟件仿真，實(shí)現(xiàn)分油機(jī)的仿真控制系統(tǒng)仿真模擬器。

1 控制系統(tǒng)仿真模擬器的總體設(shè)計

船舶分油機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模擬器，將模擬實(shí)船使用的控制箱體，分油機(jī)系統(tǒng)設(shè)備及其操作的控制功能，通過此仿真模擬器可以實(shí)現(xiàn)對學(xué)員進(jìn)行操作技能的訓(xùn)練，也可作為一種對船員操作熟練程度進(jìn)行評估的裝置。國際海事組織(IMO)在STCW78/95公約中已將其列入船員培訓(xùn)的必備條件之一[4]。分油機(jī)控制系統(tǒng)仿真模擬器的總體結(jié)構(gòu)見圖1，MIMIC屏主要用于展示分油機(jī)的燃油進(jìn)出、蒸汽加熱、控制水等管路系統(tǒng),以便于將分油機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程形象地展示在學(xué)員面前，達(dá)到良好的感性認(rèn)識。分油機(jī)控制系統(tǒng)核心部分是以AT89S52單片機(jī)為主控元件的控制單元，它將完成系統(tǒng)輸入信號的采集和控制信號的輸出，以及通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與輪機(jī)模擬器其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的功能?？刂葡到y(tǒng)的軟件仿真界面是在Visual Studio 2010平臺下通過Visual C#編程語言實(shí)現(xiàn)。計算機(jī)軟件仿真、仿真控制單元和MIMIC屏之間的通信通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 控制系統(tǒng)的硬件仿真設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)的硬件仿真控制單元以AT89S52單片機(jī)為主控元件，其電路設(shè)計原理見圖2。AT89S52單片機(jī)是一款低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k Flash和256字節(jié)RAM，并且支持ISP編程，下載程序方便[5]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

分油機(jī)仿真控制系統(tǒng)的控制單元由模擬量輸入信號采集、開關(guān)量控制信號輸出、模擬量控制信號輸出、按鍵和液晶顯示、以太網(wǎng)通訊模塊5個部分組成。

2.1 信號采集部分

仿真系統(tǒng)中的水分傳感器、油壓油溫傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等輸出的模擬量信號，在經(jīng)過信號變送器處理成0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號后，與TLC0838芯片輸入口相連接。TLC0838將這些模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號后送入單片機(jī)的P1.0～P1.4口，從而實(shí)現(xiàn)了油溫油壓等模擬量信號的采集，仿真控制系統(tǒng)中每隔5 s采集一次外部信號。TLC0838是帶有8路的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為256，轉(zhuǎn)換時間為32 μs。

2.2 信號輸出部分

單片機(jī)的P0.0～P0.7用于輸出各種開關(guān)量信號，控制各電磁閥和報警蜂鳴器的動作。由于單片機(jī)的IO口驅(qū)動能力有限，不足以驅(qū)動這些電磁閥，故采用ULN2803芯片來進(jìn)行驅(qū)動。ULN2803芯片能夠驅(qū)動8路大電流高電壓的電磁閥、蜂鳴器等，其承受的灌電流可達(dá)500 mA，可以將單片機(jī)輸出的控制信號進(jìn)行放大，使其能夠驅(qū)動電磁閥和蜂鳴器工作。

燃油在進(jìn)行分離之前需要加熱到一定的溫度，因此控制系統(tǒng)應(yīng)能夠自動控制進(jìn)油的溫度。在仿真控制系統(tǒng)的控制單元中，單片機(jī)的P3.2～P3.5用于控制加熱蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的開度，以調(diào)節(jié)燃油進(jìn)油的溫度。在控制過程中，單片機(jī)根據(jù)檢測到的進(jìn)油溫度，其P3端口的P3.2～P3.5輸出不同大小的數(shù)字量，該數(shù)字量經(jīng)TLV5614芯片后，比例地轉(zhuǎn)換成0～2 V的直流電壓模擬量輸出，輸出的電壓模擬量經(jīng)過AD694芯片[6]轉(zhuǎn)換后，比例輸出4～20 mA的直流信號作用在蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，從而控制蒸汽流量的大小。TLV5614芯片是一個具有四線串行接口的4路12位電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓為

(1)

式中：Vref——基準(zhǔn)電壓，本系統(tǒng)采用Vref=1 V;

d——單片機(jī)輸出的0～4 095的數(shù)字量信號[7]。

2.3 按鍵和顯示部分

分油機(jī)仿真模擬器的控制面板見圖3?？刂泼姘迳习?個按鍵、19個指示燈和一個顯示窗?？刂泼姘遄筮呉慌诺?個按鍵是用于參數(shù)設(shè)定的，右邊一排的4個按鍵用于手動操作和報警復(fù)位的，單片機(jī)通過ZLG7290芯片控制和管理這些按鍵。ZLG7290是能夠掃描管理多達(dá)64只按鍵的鍵盤掃描管理芯片，它與單片機(jī)之間采用I2C總線方式進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 分油機(jī)控制面板

此外，分油機(jī)的仿真控制面板上設(shè)有19個指示燈和一個液晶顯示窗。指示燈用于指示分油機(jī)及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)?？刂泼姘宓淖筮呌腥烹p色發(fā)光二極管，第一排發(fā)光二極管是各種輸入信號的報警和狀態(tài)指示，如進(jìn)油溫度、進(jìn)油壓力等。工作正常時，指示燈顯示綠色，當(dāng)某一處出現(xiàn)故障報警時，則指示燈顯示紅色。下面兩排的5個雙色發(fā)光二極管是正常輸出信號指示，綠色表示工作正常，紅色表示有報警?？刂泼姘宓挠疫叺?個指示燈從上至下分別是加熱器工作(綠色)、程序運(yùn)行(綠色)、程序停止(紅色)、不排渣報警(紅色)和總報警指示(紅色)。液晶顯示窗由7個5×7的發(fā)光二極管點(diǎn)陣組成，用于顯示運(yùn)行過程中的報警信息和有關(guān)參數(shù)值。在分油機(jī)正常運(yùn)行期間，左邊兩位用于顯示凈油中含水量的百分?jǐn)?shù)，右邊三位用于顯示距離下次排渣的最大時間。單片機(jī)通過TM1640芯片控制這些指示燈的狀態(tài)和液晶顯示窗的顯示內(nèi)容。TM1640是一種發(fā)光二極管驅(qū)動控制專用芯片，它可以管理多達(dá)128個二極管，與單片機(jī)的通信采用兩線串行方式。

2.4 以太網(wǎng)通信部分

單片機(jī)可通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，將硬件仿真與上位機(jī)的軟件仿真相結(jié)合，以便學(xué)員在計算機(jī)軟件仿真界面對分油機(jī)進(jìn)行啟動、排渣、停止等操作時，可以同時在硬件仿真控制箱上看到相應(yīng)的指示，使學(xué)員更加直觀地理解分油機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程。此外，還可以通過以太網(wǎng)與輪機(jī)模擬器的其它部分進(jìn)行通信，使得分油機(jī)仿真模擬器既可以單獨(dú)操作，又可以與輪機(jī)模擬器的其它系統(tǒng)相結(jié)合。單片機(jī)與上位機(jī)通信采用的是廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的IPORT-1嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，該模塊集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，具有TCP Server等多種工作模式，使單片機(jī)與上位機(jī)通信方便準(zhǔn)確。

3 控制系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

對分油機(jī)控制系統(tǒng)的各數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模之后[8]，在微軟Visual Studio 2010平臺下通過Visual C#編程語言開發(fā)分油機(jī)控制系統(tǒng)的軟件仿真界面。分油機(jī)控制系統(tǒng)的軟件仿真不僅仿真界面友好，而且仿真模型具有準(zhǔn)確的物理數(shù)學(xué)關(guān)系，保證了仿真的準(zhǔn)確性。學(xué)員可以在計算機(jī)仿真界面上進(jìn)行分油機(jī)控制系統(tǒng)的操作，并且在控制箱上也會有相應(yīng)的狀態(tài)顯示。分油機(jī)的仿真界面見圖4。

圖4 分油機(jī)控制系統(tǒng)軟件仿真界面

仿真界面包括分油機(jī)自動控制單元和分油機(jī)的油、水和蒸汽管路系統(tǒng)。分油機(jī)的自動控制單元與圖4所示的仿真控制箱具有相同的功能，用于顯示分油機(jī)的工作狀態(tài)、報警信息等。分油機(jī)的油、水管路系統(tǒng)與MIMIC屏功能相同。通過軟件與硬件仿真的結(jié)合，可以讓學(xué)員更加深入地理解和掌握分油機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程。

控制系統(tǒng)軟件仿真除了給學(xué)員提供友好的操作界面之外，還可以進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置，并且可以模擬船舶分油機(jī)的常見故障，如分油機(jī)排渣口跑油，這樣既可以對學(xué)員進(jìn)行基本操作的培訓(xùn)，還可以讓學(xué)員深刻地理解分油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象。

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