電噴柴油機(jī)試車臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉林華， 馮 寧， 陳玉沖， 蘇 芝

(1. 上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部， 上海 200135;2. 渤船造船廠集團(tuán)設(shè)計院， 遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

隨著環(huán)境日益惡劣和能源供應(yīng)日益緊張，國際社會對船舶節(jié)能和污染物排放控制的要求不斷提高。國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)已于2011年實施TierⅡ排放標(biāo)準(zhǔn)，并于2016年強(qiáng)制要求船用柴油機(jī)NOx排放符合Tier Ⅲ的要求。面對日益嚴(yán)苛的主機(jī)運營成本要求和排放法規(guī)，大型船舶低速柴油機(jī)電控智能化成為低速船用柴油機(jī)發(fā)展的必然趨勢。

滬東重機(jī)股份有限公司聯(lián)合上海船舶運輸科學(xué)研究所(以下簡稱“上海船研所”)等多家科研機(jī)構(gòu)自主研發(fā)出船用大功率低速電噴柴油機(jī)，其中上海船研所承研的電噴控制系統(tǒng)是柴油機(jī)的大腦和神經(jīng)中樞，對柴油機(jī)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運行起到?jīng)Q定性作用。經(jīng)過5 a的聯(lián)合研制，先后完成電噴控制系統(tǒng)仿真試驗、硬件在環(huán)試驗(HIL)、單缸臺架試驗和第三方環(huán)境試驗。為開展國產(chǎn)化電噴柴油機(jī)整機(jī)、液壓驅(qū)動及燃油噴射系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)、功能性能試驗，設(shè)計開發(fā)一套能滿足電噴柴油機(jī)整機(jī)試驗需求的電噴柴油機(jī)試車臺監(jiān)控系統(tǒng)。

1 電噴柴油機(jī)主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

隨著電噴柴油機(jī)和電控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，電噴柴油機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提出的功能需求不斷演變。下面以MAIN的電噴主機(jī)的接口和配套的主機(jī)遙控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能為例進(jìn)行分析。

配套MAN B&W ME系列電噴柴油機(jī)的主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)見圖1，其中：氣缸控制單元實施對燃油噴射閥、排氣閥、啟動控制閥的控制及對曲軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的測量；輔助控制單元實施對輔助鼓風(fēng)機(jī)、機(jī)帶共軌伺服油泵和電動共軌伺服油泵等輔助設(shè)備的控制；柴油機(jī)控制單元實施對氣缸滑油電磁閥的控制，為氣缸提供潤滑。柴油機(jī)數(shù)據(jù)交換接口單元A與柴油機(jī)數(shù)據(jù)交換接口單元B互相冗余，是ME電噴柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)對外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口控制模塊。

圖1 配套MAN B&W 系列電噴柴油機(jī)的主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

主機(jī)遙控系統(tǒng)通過柴油機(jī)數(shù)據(jù)交換接口單元向ME電噴柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)發(fā)啟動、停車和調(diào)速等指令，控制主機(jī)啟動、停車和變速。安全保護(hù)系統(tǒng)通過柴油機(jī)數(shù)據(jù)交換接口單元接收ME電噴柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)和ME電噴柴油機(jī)重要的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在發(fā)生嚴(yán)重故障時執(zhí)行安保動作(故障降速、故障停車和緊急停車)，保證主機(jī)安全運行。

2 試車臺監(jiān)控對象

試車臺監(jiān)控對象為滬東重機(jī)股份有限公司研制的高壓共軌小缸徑低速柴油機(jī)和上海船研所研制的SRI-VC2110ECS電噴柴油機(jī)控制系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)備。試驗現(xiàn)場環(huán)境為電噴柴油機(jī)控制系統(tǒng)控制主機(jī)，主機(jī)通過軸系聯(lián)接水力測功儀進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)(見圖2)。

SRI-VC2110ECS電噴柴油機(jī)控制系統(tǒng)中的氣缸控制單元(CCU)為整套系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)對各氣缸啟動閥、燃油增壓閥、燃油噴射閥和排氣閥等氣缸設(shè)備的控制及對伺服油共軌壓力和輔助鼓風(fēng)機(jī)等輔助系統(tǒng)的控制。機(jī)旁控制單元(LCU)實現(xiàn)對機(jī)旁指令的邏輯處理；柴油機(jī)控制單元(DCU)通過CCU實現(xiàn)對柴油機(jī)的啟動、停車和調(diào)速等控制功能及機(jī)旁控制時對柴油機(jī)的各種限制保護(hù)。

LCU和DCU均為電控系統(tǒng)與外部通信的接口模塊，通信功能互為備份。遠(yuǎn)程遙控功能的控制指令、安全保護(hù)功能的數(shù)據(jù)監(jiān)測和安保指令、電噴柴油機(jī)控制系統(tǒng)運行狀態(tài)及實時參數(shù)監(jiān)測均通過LCU和DCU與電噴柴油機(jī)試車臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)。

高壓共軌小缸徑低速柴油機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)為：缸數(shù)6 缸；氣缸沖程1 600 mm；額定轉(zhuǎn)速157 r/min；可換向。

3 功能需求分析

電噴柴油機(jī)試車臺監(jiān)控系統(tǒng)需實現(xiàn)主機(jī)遙控功能、安全保護(hù)功能、監(jiān)測報警功能和車鐘管理功能。與傳統(tǒng)的柴油機(jī)相比，電噴柴油機(jī)取消了凸輪軸驅(qū)動燃油閥開閉、排氣閥開閉和啟動空氣分配等操作的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過電控閥件對氣缸啟動閥、燃油增壓閥、燃油噴射閥和排氣閥等設(shè)備進(jìn)行直接控制。監(jiān)控系統(tǒng)主要通過電噴柴油機(jī)控制系統(tǒng)對主機(jī)進(jìn)行控制，同時實時監(jiān)測主機(jī)的運行狀態(tài)。

圖2 試車臺監(jiān)控系統(tǒng)組成

3.1 控制功能

1) 選擇控制部位。該系統(tǒng)具有機(jī)旁和集控臺2個控制部位，其中：機(jī)旁控制具高優(yōu)先權(quán)，控制部位轉(zhuǎn)換只能在機(jī)旁進(jìn)行；集控臺控制部位轉(zhuǎn)換開關(guān)僅實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)功能(操作部位不一致時輸出報警)。

2) 啟動聯(lián)鎖。當(dāng)主機(jī)停機(jī)、主機(jī)控制模塊采集到任一啟動聯(lián)鎖故障信號時發(fā)生啟動聯(lián)鎖，主機(jī)不允許啟動并發(fā)出啟動聯(lián)鎖報警，當(dāng)且僅當(dāng)故障排除或通過復(fù)位清除故障報警時才可啟動主機(jī)。

3) 遙控啟動。當(dāng)主機(jī)處于備車完畢狀態(tài)、控制部位在集控臺時，將集控臺車鐘手柄從停車位置扳向正車(或倒車)任意位置，系統(tǒng)向電噴控制系統(tǒng)發(fā)出正車(或倒車)啟動指令，由電噴控制系統(tǒng)控制主機(jī)正轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))啟動。

4) 遙控停車。當(dāng)主機(jī)運行、控制部位在集控臺時，將集控臺上的車鐘手柄扳至停車位置，系統(tǒng)向電噴控制系統(tǒng)發(fā)出停車指令，由電噴控制系統(tǒng)控制主機(jī)停機(jī)。

5) 換向。當(dāng)車鐘手柄從非海上全速正車位置直接扳到倒車任意位置時，主機(jī)轉(zhuǎn)速下降到制動轉(zhuǎn)速，輸出停車指令控制主機(jī)停機(jī)，待主機(jī)停機(jī)之后反向啟動主機(jī)。

6) 應(yīng)急換向。該操作是將車鐘手柄從海上全速正車位置直接扳到倒車任意位置時的一種緊急操作。在應(yīng)急換向情況下，主機(jī)轉(zhuǎn)速下降到制動轉(zhuǎn)速，輸出空氣剎車指令控制主機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降，待主機(jī)停機(jī)之后反向啟動主機(jī)。

7) 主機(jī)調(diào)速。當(dāng)主機(jī)運行時，根據(jù)主車鐘令和速度調(diào)節(jié)曲線計算出給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)向電噴控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)速設(shè)定指令，由電噴控制系統(tǒng)控制主機(jī)調(diào)速。

8) 限制保護(hù)。該控制功能包括最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制、最大轉(zhuǎn)速限制和臨界轉(zhuǎn)速限制。

9) 越控。當(dāng)控制位置在集控臺時，按下集控臺上的“越控”按鈕，取消遙控系統(tǒng)相關(guān)限制保護(hù)功能，同時向電噴控制系統(tǒng)發(fā)出越控指令。

3.2 安全保護(hù)功能

1) 故障降速。若主機(jī)安保模塊在電噴柴油機(jī)運行過程中檢測到故障降速故障信號，即刻發(fā)出故障降速聲光報警；同時，若系統(tǒng)工作在非應(yīng)急狀態(tài)下，按設(shè)計要求即刻或延時輸出故障降速，控制主機(jī)降速。

2) 故障停車。若安?？刂颇K在電噴柴油機(jī)運行過程中檢測到故障停車故障信號，即刻發(fā)出故障停車聲光報警；同時，按設(shè)計要求即刻或延時輸出故障停車報警，控制主機(jī)停車。主機(jī)停機(jī)之后，需在排除故障、將車鐘手柄扳到停車位置并清除報警之后重新啟動主機(jī)。

3) 緊急停車。機(jī)旁控制面板和集控臺上均設(shè)有“緊急停車”按鈕，當(dāng)電噴柴油機(jī)在運行過程中發(fā)生緊急情況時，可直接使柴油機(jī)停機(jī)。

3.3 監(jiān)測報警功能

1) 數(shù)據(jù)采集與傳輸。通過數(shù)據(jù)采集模塊采集主機(jī)及相關(guān)輔助設(shè)備的傳感器信號(PT100、4～20 mA、開關(guān)量等)，并通過雙冗余CAN網(wǎng)將其發(fā)送至上位管理微機(jī)，進(jìn)行集中顯示和報警處理；此外，上位管理微機(jī)還通過雙冗余CAN網(wǎng)接收電控系統(tǒng)LCU和DCU轉(zhuǎn)發(fā)的電控系統(tǒng)測量參數(shù)及控制狀態(tài)參數(shù)，對其進(jìn)行集中顯示和報警處理。

2) 參數(shù)顯示與報警。上位管理微機(jī)按分系統(tǒng)和類型對所有測點進(jìn)行分類，實時對所有參數(shù)進(jìn)行列表顯示，顯示的內(nèi)容包括測點名稱、測點量程和報警上下限等；同時，對各測點進(jìn)行故障判定和傳感器故障檢查。當(dāng)發(fā)生測點越線報警或傳感器故障時，在輸出聲光報警的同時對該故障進(jìn)行突出顯示。

3) 圖形顯示。對主機(jī)和電控系統(tǒng)內(nèi)部的重要參數(shù)(如主機(jī)轉(zhuǎn)速、各缸排氣溫度等)進(jìn)行圖形顯示。

4) 數(shù)據(jù)記錄和查詢。能自動定時或手動對所有顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和報警、消警記錄保存；既可查詢某一時刻所有測點的數(shù)據(jù)、控制狀態(tài)信息及指令、安保狀態(tài)信息，又可查詢當(dāng)天和某一時段的報警、消警記錄。

5) 故障自診斷。實時判定所有通信模塊的通信狀態(tài)信息，并對其進(jìn)行集中顯示，突出顯示故障模塊。

6) 二次儀表顯示。對一些重要的參數(shù)(主機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油壓力等)進(jìn)行二次儀表顯示。

3.4 車鐘管理功能

集控臺上和機(jī)旁控制面板上均設(shè)有車鐘顯示板，用于使機(jī)旁試車工作人員及時掌握主機(jī)的運行狀態(tài)(車令復(fù)示功能)和與集控臺操作人員的通信(輔車鐘通信功能)。

4 試車監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計

電噴柴油機(jī)試車臺監(jiān)控系統(tǒng)按通用化、系列化和組合化的要求設(shè)計，選用SRI-VC2100標(biāo)準(zhǔn)的控制器，主要由集控臺、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集箱和車鐘復(fù)示箱組成(見圖3)。該系統(tǒng)主要配置的模塊是遙控控制模塊、安?？刂颇K和數(shù)據(jù)測量模塊等(見表1)。

a) 集控臺

b) 數(shù)據(jù)采集箱

圖3 集控臺和數(shù)據(jù)采集箱

4.2 功能實現(xiàn)

4.2.1 遙控功能實現(xiàn)

遙控控制模塊和安?？刂颇K均選用FCU01模塊。FCU01模塊是上海船研所根據(jù)民用船舶三大主力船型的實際需求，綜合應(yīng)用信息技術(shù)和自動化技術(shù)開發(fā)的新型船舶機(jī)艙現(xiàn)場控制模塊，提供豐富的接口資源，通過與擴(kuò)展I/O模塊靈活組合，可滿足主動力控制、電站控制和監(jiān)測報警等大部分現(xiàn)場監(jiān)控功能。

遙控控制原理圖見圖4，遙控控制模塊在采集車鐘電流、控制指令(正倒車啟動、停車等)、安保輸出和主機(jī)轉(zhuǎn)速等信號之后，首先根據(jù)主機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行內(nèi)部控制邏輯處理，然后向電噴控制系統(tǒng)中的LCU和DCU發(fā)送指令，最后由DCU通過各缸的CCU驅(qū)動各電磁閥件完成對主機(jī)的控制。

圖4 遙控控制原理圖

4.2.2 安保功能實現(xiàn)

安保系統(tǒng)實現(xiàn)故障降速、故障停車和緊急停車功能。出于安全性考慮，系統(tǒng)中安保控制模塊與其他模塊的通信主要通過雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，同時重要的安保輸出(故障降速、故障停車)通過硬線連接作為備份。

1) 故障降速功能。主機(jī)運行過程中，當(dāng)安?？刂颇K檢測到故障降速故障時，即刻輸出聲光報警，同時通過CAN網(wǎng)絡(luò)將故障降速信號發(fā)送至電控系統(tǒng)LCU、DCU和遙控控制模塊。當(dāng)控制部位在集控臺時，由遙控控制模塊向DCU發(fā)送指令，使主機(jī)轉(zhuǎn)速降至設(shè)定值；當(dāng)控制部位在機(jī)旁時，由DCU直接控制，使主機(jī)轉(zhuǎn)速降至設(shè)定值。

2) 故障停車功能。主機(jī)運行過程中，當(dāng)安?？刂颇K檢測到故障停車故障時，即刻輸出聲光報警，同時通過CAN網(wǎng)絡(luò)將故障停車信號發(fā)送至電控系統(tǒng)LCU、DCU和遙控控制模塊；遙控控制模塊執(zhí)行停車邏輯，由DCU向各缸CCU發(fā)送指令，控制主機(jī)停機(jī)。與傳統(tǒng)柴油機(jī)的安保系統(tǒng)不同，該安保系統(tǒng)需實時監(jiān)測電控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電控系統(tǒng)有嚴(yán)重故障時需立即執(zhí)行故障停車功能。故障停車信號包括推力塊溫度高、主軸承滑油進(jìn)口低壓、曲柄油霧高濃度、增壓器軸承滑油進(jìn)口低壓、氣缸冷卻水進(jìn)口低壓、輔助風(fēng)機(jī)壓力低、緊急停車-機(jī)旁、緊急停車-集控和電控系統(tǒng)嚴(yán)重故障。

3) 緊急停車功能。當(dāng)發(fā)生緊急情況需立即停車時，按下“緊急停車”按鈕，輸出故障停車信號至遙控控制模塊、LCU和DCU控制主機(jī)停機(jī)，同時直接控制燃油泄放閥動作，確保主機(jī)快速停止轉(zhuǎn)動。

為提高系統(tǒng)的可靠性，選用開關(guān)量采集模塊EDDI-W對重要的安保信號進(jìn)行采集。EDDI-W具有斷線檢測功能，當(dāng)檢測信號發(fā)生斷線故障時，輸出斷線報警，同時屏蔽該點的安保功能。EDDI-W與主控制器通過SPI總線連接，方便拓展。

4.2.3 轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)速測量對保證主機(jī)遙控系統(tǒng)和安保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。測量轉(zhuǎn)速波動可能導(dǎo)致遙控系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯混亂、控制指令誤動作，更嚴(yán)重時可能直接導(dǎo)致安保系統(tǒng)誤判主機(jī)超速，觸發(fā)緊急停車誤動作。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量采用雙冗余霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器(歐姆龍E2E1-X5)設(shè)計。該型轉(zhuǎn)速傳感器采用免接觸式磁電原理，接近開關(guān)式傳感器，輸出波形信號的一致性好，無抖動和回跳，具有體積小、重量輕、安裝方便、易于維護(hù)、無磨損、使用壽命長、抗振動和抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點；同時，雙冗余霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計可方便測量柴油機(jī)轉(zhuǎn)動的方向。測速電路原理框圖見圖5。

圖5 測速電路原理框圖

4.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計編程環(huán)境為keil uvision4 + μC/OS-II。keil uvision4采用C語言編程，提供強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，便于開發(fā)調(diào)試。移植并采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，主要好處是能屏蔽底層硬件的差別，給上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口，并管理進(jìn)程調(diào)度和資源分配等；同時，可根據(jù)任務(wù)的重要程度(優(yōu)先級)優(yōu)先執(zhí)行重要的任務(wù)，確保最重要的數(shù)據(jù)能得到及時處理，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。

遙控控制模塊程序任務(wù)流程見圖6。任務(wù)調(diào)度通過嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II核心調(diào)度器實現(xiàn)。系統(tǒng)時鐘節(jié)拍設(shè)置為1 ms事件，核心調(diào)度器被事件觸發(fā)之后遍歷任務(wù)塊鏈表，檢索到處于就緒態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)執(zhí)行。

b) 控制主任務(wù)處理流程

遙控控制模塊主要實現(xiàn)的控制功能包括主機(jī)啟動、主機(jī)停車、主機(jī)調(diào)速和換向，主要功能流程見圖7。主機(jī)正常換向時，程序控制主機(jī)降速至制動轉(zhuǎn)速之后輸出停車指令至電控系統(tǒng)DCU，待主機(jī)停機(jī)穩(wěn)定之后輸出啟動指令至電控系統(tǒng)DCU反向啟動主機(jī)。當(dāng)主機(jī)應(yīng)急換向時，與主機(jī)正常換向不同，主機(jī)轉(zhuǎn)速降至制動轉(zhuǎn)速以下，同時輸出停車指令和空氣剎車指令，快速制動主機(jī)。

a) 啟動功能流程

b) 停車功能流程

c) 主機(jī)調(diào)速功能流程

5 結(jié) 語

大型船舶低速柴油機(jī)電控智能化是低速船用柴油機(jī)發(fā)展的趨勢，相應(yīng)的電噴柴油機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)逐漸成為開發(fā)設(shè)計的主流。通過分析電噴柴油機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計思路和電噴柴油機(jī)試車臺監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，可為以后開發(fā)設(shè)計和維護(hù)以低速電噴柴油機(jī)為主推進(jìn)設(shè)備的主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供一定的參考。