船舶分油機(jī)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃小松，王冬捷，劉泊江，郭 蒙

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

船舶分油機(jī)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃小松，王冬捷，劉泊江，郭 蒙

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

針對(duì)分油機(jī)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)落后于當(dāng)前先進(jìn)控制系統(tǒng)的問(wèn)題，提出了一種以Alfa Laval S系列分油機(jī)的EPC-60控制系統(tǒng)為母型的分油機(jī)模擬控制系統(tǒng);介紹了分油機(jī)模擬器的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了以ARM為主控元件的仿真控制箱，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信、液晶顯示、按鍵掃描等功能;采用Visual C#編程語(yǔ)言在PC機(jī)上設(shè)計(jì)出仿真控制界面;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于EPC-60為母型控制系統(tǒng)的分油機(jī)模擬器具有功能全、運(yùn)行穩(wěn)定、和實(shí)物相似度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和海員培訓(xùn)的功能。

分油機(jī)；仿真；嵌入式；以太網(wǎng)

0 引言

在船舶事故發(fā)生的各因素中，人為因素占80%以上，船舶航行安全很大程度上依賴于輪機(jī)管理人員的經(jīng)驗(yàn)和能力[1]。因此，對(duì)船員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，提高輪機(jī)管理人員的能力對(duì)于船舶安全航行有著重要的意義。由于船舶的特殊性，在實(shí)船上培訓(xùn)具有風(fēng)險(xiǎn)高，培訓(xùn)費(fèi)用高，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。實(shí)物仿真的船舶輪機(jī)模擬器可以提供給學(xué)員良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和較高的機(jī)艙環(huán)境沉浸感，使用輪機(jī)模擬器進(jìn)行船員的教學(xué)培訓(xùn)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。我國(guó)輪機(jī)模擬器研制以大連海事大學(xué)的DMS系列最具有代表性，然而DMS-2016系列的分油機(jī)模擬器依然是以Alfa Laval分油機(jī)的EPC-50控制系統(tǒng)為母型控制系統(tǒng)，這已經(jīng)落后于實(shí)船上先進(jìn)的控制系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)了以Alfa Laval分油機(jī)EPC-60為母型控制系統(tǒng)的分油機(jī)模擬控制器。當(dāng)前分油機(jī)模擬器的控制面板設(shè)計(jì)大多采用PLC或者51單片機(jī)，前者雖然可靠性高，但是價(jià)格高、體積大；后者價(jià)格便宜、可靠性也高，但是片上資源有限，不能完成較復(fù)雜的處理任務(wù)，處理速度也比較慢。STM32控制器具有256 K的片上Flash和56 K的片內(nèi)RAM空間，并且當(dāng)外部晶振為8 M的情況下就可以達(dá)到72 M的運(yùn)行速度，運(yùn)行速度快，處理任務(wù)多。因此本設(shè)計(jì)以穩(wěn)定性高、價(jià)格便宜的STM32芯片為MCU，配合鍵盤掃描芯片，網(wǎng)絡(luò)通信芯片、LCD液晶屏以及EEPROM存儲(chǔ)芯片完成硬件設(shè)計(jì)。

1 模擬控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

船舶分油機(jī)模擬控制器是將實(shí)船上的分油機(jī)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)物仿真的方法設(shè)計(jì)出來(lái)的一套船員訓(xùn)練學(xué)習(xí)系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

分油機(jī)模擬控制面板就相當(dāng)于船舶上的EPC-60控制箱，MINIC屏上畫出了分油機(jī)油、水、汽的管路圖，PC機(jī)上運(yùn)行的分油機(jī)模擬控制系統(tǒng)的軟件模型。PC機(jī)、模擬控制面板和MINIC屏三者通過(guò)交換機(jī)和以太網(wǎng)連接起來(lái)。模擬控制面板與實(shí)物的外形相似，按鍵和儀表都與實(shí)物一一對(duì)應(yīng)，學(xué)員操作這樣的模擬器就像是在操作實(shí)物一般。MINIC屏上依據(jù)通用的分油機(jī)燃油、滑油、水和蒸汽系統(tǒng)構(gòu)建了控制分油機(jī)油水汽通斷的閥件以及設(shè)備，比如加熱器，燃油供給泵。各個(gè)管路在MINIC屏上一目了然，讓學(xué)員很清楚地了解當(dāng)前分油機(jī)所處的狀態(tài)。PC機(jī)上用C#語(yǔ)言編寫了和實(shí)物相同的控制面板界面以及和MINIC屏相同的分油機(jī)系統(tǒng)管路圖界面。PC機(jī)軟件可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以和MINIC屏，控制面板聯(lián)合運(yùn)行。

2 控制面板的硬件設(shè)計(jì)

分油機(jī)模擬控制面板的硬件電路包括電源電路、網(wǎng)絡(luò)通信電路、液晶顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和鍵盤掃描電路。在硬件設(shè)計(jì)中選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6作為整個(gè)模擬面板的主控制器，該芯片具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，他依托于Cortex-M3內(nèi)核，有256Kb的片上Flash和48Kb的內(nèi)部RAM，這極大地方便了嵌入式操作系統(tǒng)的移植，使控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。包含有16路ADC和兩路DAC，三路SPI和兩路IIC等豐富的外設(shè)，驅(qū)動(dòng)程序的編寫非常方便。以太網(wǎng)通信芯片采用具有固化TCP/IP協(xié)議的W5100芯片，鍵盤掃描芯片采用ZLG7290，存儲(chǔ)器芯片選用Atmel公司的AT24C02。

2.1 電源模塊

為了和整個(gè)DMS系列輪機(jī)模擬器外接電源相統(tǒng)一，本設(shè)計(jì)供電電源為24 V直流電，24 V直流電通過(guò)防反接二極管M7引入到TI公司的LM2575-5.0開關(guān)電源芯片上，輸出5 V直流電。在輸入端選用一個(gè)47 uF大電容濾出低頻噪聲，選用0.1 uF的陶瓷電容濾除高頻噪聲，選擇電容時(shí)要注意引腳一定要短；在輸出端接5 V的穩(wěn)壓二極管，和330 uH的功率電感使電壓穩(wěn)定在5 V，輸出端同樣接一個(gè)大的電解電容和一個(gè)0.1 uF的陶瓷電容濾出紋波，使輸出電源穩(wěn)定。5 V直流電可供LCD2004使用，然而主控芯片STM32和網(wǎng)卡芯片工作電壓都是3.3 V，因此將得到的5 V直流電電通過(guò) AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換得到穩(wěn)定的3.3 V直流電。電路連接如圖2所示。

圖2 電源電路圖

2.2 以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)必須滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸足夠快且滿足信號(hào)的確定性，對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)要求準(zhǔn)確及時(shí)刷新。工業(yè)以太網(wǎng)可以滿足輪機(jī)系統(tǒng)仿真中的大量數(shù)據(jù)交互需求，保證通信的確定性和實(shí)時(shí)性[2]。因此本設(shè)計(jì)中主控制器通過(guò)以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將學(xué)員在硬件實(shí)物模擬器上的操作和在上位機(jī)軟件上的操作結(jié)合起來(lái)。以太網(wǎng)通信芯片采用的是WIZnet公司生產(chǎn)的W5100，該集成電路內(nèi)部集成有10/100 M以太網(wǎng)控制器，并且集成了全硬件的、經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗(yàn)證的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層和物理層。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口(Socket)編程[3]。W5100提供3種與單片機(jī)的接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。直接總線和間接總線借口都需要8位數(shù)據(jù)線和若干個(gè)地址線，占用的MCU IO引腳較多，本設(shè)計(jì)的主控制器需要驅(qū)動(dòng)的外設(shè)較多，IO資源緊張，因此選用SPI總線接口。此種連接方法只需要4個(gè)引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這4個(gè)引腳分別定義為串行時(shí)鐘SCLK、從設(shè)備選擇SS、主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入MOSI、主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出MISO。此外還需一個(gè)GPIO作為W5100的硬件復(fù)位引腳，配置一個(gè)外部中斷來(lái)響應(yīng)W5100的中斷。使用SPI模式時(shí)需要在W5100的SPI_EN管腳上接一個(gè)10 K的電阻上拉至高電平。W5100與主控MCU的連接如圖3所示。

圖3 W5100 SPI連接模式圖

在SPI模式下，W5100使用“完整32位數(shù)據(jù)流”。完整的32位數(shù)據(jù)流包括一個(gè)字節(jié)的操作碼、兩個(gè)字節(jié)的地址碼和一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。W5100使用兩種操作代碼——讀代碼(0xf0)和寫代碼(0x0f)，其他的操作都不響應(yīng)。下面是讀寫W5100的程序。

向W5100指定地址寫數(shù)據(jù):

void WRITE_W5100(u16 Addr,u8 Dat)

{

SPI_CS_L;//拉低片選電平選中W5100。

SPI1_ReadWriteByte(0xf0);

//向W5100發(fā)送寫數(shù)據(jù)功能碼。

SPI1_ReadWriteByte(Addr/256);

//向W5100發(fā)送寫入數(shù)據(jù)地址的高字節(jié)。

SPI1_ReadWriteByte(Addr);

// 向W5100發(fā)送寫入數(shù)據(jù)地址的低字節(jié)。

SPI1_ReadWriteByte(Dat);

// 向W5100發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)。

SPI_CS_H;

// 拉高片選電平，釋放W5100。

}

從W5100寄存器讀取數(shù)據(jù):

u8 READ_W5100(u16 Addr)

{u8dat;

SPI_CS_L;

// 拉低片選電平，選中W5100。

SPI1_ReadWriteByte(0x0f);

// 向W5100發(fā)送讀數(shù)據(jù)功能碼。

SPI1_ReadWriteByte(Addr/256);

// 向W5100發(fā)送讀取數(shù)據(jù)地址的高字節(jié)。

SPI1_ReadWriteByte(Addr);

// 向W5100發(fā)送讀取數(shù)據(jù)地址的低字節(jié)。

dat = SPI1_ReadWriteByte(0x00);

// 發(fā)送啞讀信號(hào)，讀取值存放到dat中

SPI_CS_H;

// 拉高片選電平，釋放W5100。

returndat;

}

2.3 LCD2004與主控制器的連接

液晶顯示模塊選用價(jià)格便宜、穩(wěn)定性高的LCD2004，此顯示器和Alfa Laval公司生產(chǎn)的EPC60所使用的顯示器非常相似，都可以顯示4*20字符。圖4是液晶屏與主控制器的電路連接圖。

圖4 LCD2004電路圖

由于LCD2004所需的電壓為DC5V，STM32的管腳電壓為3.3 V，因此不能直接使用MCU的管腳來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD。在本設(shè)計(jì)中通過(guò)使用16路雙向電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC164245來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如圖4所示，SN74ALVC164245芯片A管腳統(tǒng)一和主控制器接在一起、電平為3.3 V，B管腳與LCD接在一起、電平為5 V。顯示器對(duì)比度是通過(guò)調(diào)整Vo腳的電平來(lái)改變的，設(shè)計(jì)中在LCD的Vo管腳接一個(gè)滑動(dòng)變阻器上，通過(guò)改變變阻器阻值來(lái)改變管腳電平。LCD第15腳背光正極，第16腳背光負(fù)極。為了讓操作者可以控制LCD背光的開啟的關(guān)閉，本設(shè)計(jì)中使用主控MCU的一個(gè)GPIO和光耦隔離器件來(lái)控制是否給LCD背光送電。

2.4 鍵盤掃描電路

因?yàn)榭刂泼姘宓陌存I較多，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用矩陣鍵盤模式，鍵盤掃描芯片采用周立功公司的ZLG7290。該鍵盤掃描芯片可以外接64個(gè)按鍵，并有8個(gè)復(fù)用功能按鍵。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，ZLG7290的中斷引腳會(huì)拉低電平，將此引腳和MCU的中斷引腳相連，配置MCU中斷為低電平有效，ZLG7290引腳拉低電平時(shí)，MCU就會(huì)產(chǎn)生中斷，捕獲到按鍵動(dòng)作。MCU和ZLG7290通過(guò)IIC總線通信，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，鍵值將存在ZLG7290的一個(gè)寄存器中，MCU通過(guò)IIC從ZLG7290讀取鍵值來(lái)判斷是哪個(gè)按鍵被按下。使用ZLG7290作為按鍵掃描芯片，MCU不再需要循環(huán)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性，并節(jié)約了CPU資源。

3 面板功能展示

分油機(jī)仿真模擬器的控制面板如圖5所示，控制面板上包括26個(gè)按鍵、10個(gè)指示燈和一個(gè)可顯示4*20字符的液晶顯示屏。最左邊的兩個(gè)按鈕綠色的是啟動(dòng)按鈕、紅色的為停止按鈕，用于啟動(dòng)和停止分油機(jī)。HEATER、SEPARATOR、FEDD PUMP 、SLUDGE PUMP用于啟動(dòng)和停止加熱器、馬達(dá)和泵。啟動(dòng)后對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)亮，停止后對(duì)應(yīng)指示燈熄滅。三角符號(hào)表示的是報(bào)警，當(dāng)有報(bào)警時(shí)報(bào)警按鈕右上方的紅燈會(huì)不停地閃爍，按下一次報(bào)警按鈕確認(rèn)報(bào)警，指示燈停止閃爍，當(dāng)報(bào)警復(fù)位時(shí)，指示燈熄滅。右邊的向上向下鍵用于液晶屏顯示的翻頁(yè)功能，返回鍵用于返回到上一層菜單。最右邊的i字按鈕作用是查看參數(shù)或者報(bào)警的詳細(xì)信息。數(shù)字按鈕功能是直接輸入數(shù)字用于設(shè)置參數(shù)。

圖5 控制面板實(shí)物圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用C#編寫，主要作用是分油機(jī)的界面展示和模型的建立。船舶分油機(jī)仿真設(shè)備設(shè)計(jì)的主要目的是為了讓學(xué)員在一個(gè)舒適的環(huán)境中熟悉并掌握分油機(jī)工作的原理和過(guò)程。這就要求要給學(xué)員提供友好的人機(jī)交互界面平臺(tái)。上位機(jī)軟件以育鯤輪分油機(jī)系統(tǒng)和EPC60控制系統(tǒng)為母型進(jìn)行仿真建模型。界面包括控制箱、管路、閥件、泵、加熱器、分油機(jī)等設(shè)備。用不同顏色的線表示不同的管道，仿真界面直觀、逼真。除了要設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，還要對(duì)分油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)建模。建立的數(shù)學(xué)模型要嚴(yán)格按照實(shí)際分油機(jī)的工作情況進(jìn)行，才能全面逼真地反應(yīng)真實(shí)分油機(jī)的工作原理[4]。分油機(jī)系統(tǒng)模型的建立包括管道模型、加熱器模型、水箱模型、分油機(jī)本體模型、分油機(jī)時(shí)序控制模型和故障監(jiān)測(cè)報(bào)警模型[5]。

圖6 C#仿真界面圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分油機(jī)模擬器屬于仿真類教學(xué)設(shè)備，對(duì)分油機(jī)模擬器的測(cè)試主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和模擬器運(yùn)行邏輯的正確性進(jìn)行測(cè)試。

5.1 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試

分油機(jī)模擬器控制面板(下位機(jī))與PC機(jī)軟件(上位機(jī))通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，分油機(jī)的每個(gè)動(dòng)作和狀態(tài)都通過(guò)按照預(yù)定協(xié)議打包成UDP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送EF 04 01 05這4個(gè)字節(jié)的指令時(shí)，下位機(jī)就會(huì)把包括IP地址、MAC地址的網(wǎng)絡(luò)地址信息發(fā)送給上位機(jī)，共18個(gè)字節(jié)。在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)讓上位機(jī)以10ms一幀的速度發(fā)送EF 04 01 05指令，一段時(shí)間后停止發(fā)送。從圖7可以看出上位機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的比例為2:9，說(shuō)明有發(fā)送就會(huì)有回復(fù)，沒(méi)有丟包現(xiàn)象。

圖7 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試圖

5.2 PC機(jī)和控制面板聯(lián)合調(diào)試

將PC機(jī)和模擬控制面板通過(guò)以太網(wǎng)連接到同一個(gè)交換機(jī)上，控制面板上顯示的分油機(jī)狀態(tài)和PC機(jī)上一致。按照正確的分油機(jī)啟動(dòng)流程操作模擬器，分油機(jī)模擬器正常啟動(dòng)。按照EPC60故障報(bào)警表設(shè)置故障，模擬器能正確的反映報(bào)警信息。

本設(shè)計(jì)已加入DMS2016系列輪機(jī)模擬器進(jìn)行綜合調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分油機(jī)模擬器運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行邏輯正確、仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。完全可以是實(shí)現(xiàn)輪機(jī)教學(xué)培訓(xùn)的功能。

6 結(jié)語(yǔ)

分油機(jī)模擬器以育鯤輪燃油分油機(jī)系統(tǒng)和Alfa Laval S系列分油機(jī)的EPC-60控制系統(tǒng)為母型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。以ARM為主控制器對(duì)分油機(jī)控制箱進(jìn)行了實(shí)物仿真，采用C#語(yǔ)言在PC機(jī)上對(duì)分油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型建立。使學(xué)員能夠?qū)Υ胺钟蜋C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)既有感性的認(rèn)識(shí)，又能深刻的理解[6]。以EPC-60控制系統(tǒng)為母型的分油機(jī)模擬器克服了當(dāng)前分油機(jī)模擬控制系統(tǒng)落后于實(shí)船的問(wèn)題，促進(jìn)了輪機(jī)模擬器的發(fā)展。該仿真模擬器不但能夠滿足國(guó)際海事組織對(duì)船員培訓(xùn)的要求，而且貼近實(shí)船操作，培訓(xùn)環(huán)境比實(shí)船優(yōu)越。以穩(wěn)定性高、運(yùn)行速度快、價(jià)格便宜的ARM微處理器作為主控元件的仿真控制箱，與采用價(jià)格昂貴的PLC相比，降低了分油機(jī)仿真模擬器的成本。該仿真模擬器已經(jīng)投入實(shí)際的生產(chǎn)使用中，結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

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[2] 王榮莉,雷 斌.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].自動(dòng)化博覽,2004,22(4):63-65.

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Oil Purifier Simulator Design and Implementation for Ship

Huang Xiaosong,Wang Dongjie,Liu Bojiang,Guo Meng

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to solve the problem that the simulation design of oil purifier control system falls behind the current advanced control system, put forward a kind of oil purifier control system simulation design based on EPC-60 of Alfa Laval oil S series purifier control system. Introduced the overall structure of the oil purifier simulator, designed a simulation control box with ARM as the master components, realized the network communication, LCD display, button scanning, etc. Using Visual C# programming language designed an interface on PC. The experimental results show that the oil purifier simulator based on EPC - 60 has the advantages of full-featured, stable operation and exactly similar with prototype.It can be achieved turbines teaching experiments and training of seafarers function.

oil purifier simulator; simulation; embedded; Ethernet

2016-06-28；

2016-07-27。

黃小松(1991-)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化與智能化方向的研究。

1671-4598(2016)12-0165-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.047

U664.5+6

A