船舶分油机控制系统的仿真设计与实现

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(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

在船舶事故发生的各种因素中，人为因素占80%以上[1]。因此，提高轮机管理人员的业务水平对于避免船舶事故的发生有着重要的意义。船舶轮机模拟器由于其物理真实性和具有便于培训的优点，已成为船员培训和教学实验的一种有效手段。分油机作为船舶辅机重要的一部分，其仿真模拟器的研发对轮机模拟器的发展有着重要的意义。现行的船舶分油机控制系统仿真模拟器已经落后于实船上先进的控制系统，并且成本高、体积大。为此，以实船上先进的Alfa Laval S系列分油机的EPC-50控制系统为母型，采用实物仿真与计算机软件仿真相结合的方式，设计贴近实船设备的分油机控制系统仿真模拟器。目前，分油机仿真模拟器的实物仿真部分多数采用PLC作为主控元件[2-3]，虽然可靠性很高，但是价格昂贵，增加了培训成本。单片机以其可靠性高、价格便宜等优点广泛应用于自动控制领域。因此，本文设计并研发了以单片机为主控元件的分油机仿真控制单元，并结合MIMIC屏管路系统图，构成分油机控制系统的实物仿真，辅以计算机软件仿真，实现分油机的仿真控制系统仿真模拟器。

1 控制系统仿真模拟器的总体设计

船舶分油机控制系统的仿真模拟器，将模拟实船使用的控制箱体，分油机系统设备及其操作的控制功能，通过此仿真模拟器可以实现对学员进行操作技能的训练，也可作为一种对船员操作熟练程度进行评估的装置。国际海事组织(IMO)在STCW78/95公约中已将其列入船员培训的必备条件之一[4]。分油机控制系统仿真模拟器的总体结构见图1，MIMIC屏主要用于展示分油机的燃油进出、蒸汽加热、控制水等管路系统,以便于将分油机控制系统的工作过程形象地展示在学员面前，达到良好的感性认识。分油机控制系统核心部分是以AT89S52单片机为主控元件的控制单元，它将完成系统输入信号的采集和控制信号的输出，以及通过以太网实现与轮机模拟器其它系统进行通信的功能。控制系统的软件仿真界面是在Visual Studio 2010平台下通过Visual C#编程语言实现。计算机软件仿真、仿真控制单元和MIMIC屏之间的通信通过以太网实现。

图1 总体结构设计

2 控制系统的硬件仿真设计与实现

控制系统的硬件仿真控制单元以AT89S52单片机为主控元件，其电路设计原理见图2。AT89S52单片机是一款低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k Flash和256字节RAM，并且支持ISP编程，下载程序方便[5]。

图2 控制系统硬件电路设计

分油机仿真控制系统的控制单元由模拟量输入信号采集、开关量控制信号输出、模拟量控制信号输出、按键和液晶显示、以太网通讯模块5个部分组成。

2.1 信号采集部分

仿真系统中的水分传感器、油压油温传感器和转速传感器等输出的模拟量信号，在经过信号变送器处理成0～5 V的标准直流电压信号后，与TLC0838芯片输入口相连接。TLC0838将这些模拟量信号转换成数字量信号后送入单片机的P1.0～P1.4口，从而实现了油温油压等模拟量信号的采集，仿真控制系统中每隔5 s采集一次外部信号。TLC0838是带有8路的8位串行A/D转换器，其分辨率为256，转换时间为32 μs。

2.2 信号输出部分

单片机的P0.0～P0.7用于输出各种开关量信号，控制各电磁阀和报警蜂鸣器的动作。由于单片机的IO口驱动能力有限，不足以驱动这些电磁阀，故采用ULN2803芯片来进行驱动。ULN2803芯片能够驱动8路大电流高电压的电磁阀、蜂鸣器等，其承受的灌电流可达500 mA，可以将单片机输出的控制信号进行放大，使其能够驱动电磁阀和蜂鸣器工作。

燃油在进行分离之前需要加热到一定的温度，因此控制系统应能够自动控制进油的温度。在仿真控制系统的控制单元中，单片机的P3.2～P3.5用于控制加热蒸汽流量调节阀的开度，以调节燃油进油的温度。在控制过程中，单片机根据检测到的进油温度，其P3端口的P3.2～P3.5输出不同大小的数字量，该数字量经TLV5614芯片后，比例地转换成0～2 V的直流电压模拟量输出，输出的电压模拟量经过AD694芯片[6]转换后，比例输出4～20 mA的直流信号作用在蒸汽流量调节阀的执行机构上，从而控制蒸汽流量的大小。TLV5614芯片是一个具有四线串行接口的4路12位电压输出型D/A转换器，其输出电压为

(1)

式中：Vref——基准电压，本系统采用Vref=1 V;

d——单片机输出的0～4 095的数字量信号[7]。

2.3 按键和显示部分

分油机仿真模拟器的控制面板见图3。控制面板上包括7个按键、19个指示灯和一个显示窗。控制面板左边一排的3个按键是用于参数设定的，右边一排的4个按键用于手动操作和报警复位的，单片机通过ZLG7290芯片控制和管理这些按键。ZLG7290是能够扫描管理多达64只按键的键盘扫描管理芯片，它与单片机之间采用I2C总线方式进行通信和数据传输。

图3 分油机控制面板

此外，分油机的仿真控制面板上设有19个指示灯和一个液晶显示窗。指示灯用于指示分油机及控制系统的工作状态。控制面板的左边有三排双色发光二极管，第一排发光二极管是各种输入信号的报警和状态指示，如进油温度、进油压力等。工作正常时，指示灯显示绿色，当某一处出现故障报警时，则指示灯显示红色。下面两排的5个双色发光二极管是正常输出信号指示，绿色表示工作正常，红色表示有报警。控制面板的右边的5个指示灯从上至下分别是加热器工作(绿色)、程序运行(绿色)、程序停止(红色)、不排渣报警(红色)和总报警指示(红色)。液晶显示窗由7个5×7的发光二极管点阵组成，用于显示运行过程中的报警信息和有关参数值。在分油机正常运行期间，左边两位用于显示净油中含水量的百分数，右边三位用于显示距离下次排渣的最大时间。单片机通过TM1640芯片控制这些指示灯的状态和液晶显示窗的显示内容。TM1640是一种发光二极管驱动控制专用芯片，它可以管理多达128个二极管，与单片机的通信采用两线串行方式。

2.4 以太网通信部分

单片机可通过以太网与上位机进行通信，将硬件仿真与上位机的软件仿真相结合，以便学员在计算机软件仿真界面对分油机进行启动、排渣、停止等操作时，可以同时在硬件仿真控制箱上看到相应的指示，使学员更加直观地理解分油机控制系统的工作过程。此外，还可以通过以太网与轮机模拟器的其它部分进行通信，使得分油机仿真模拟器既可以单独操作，又可以与轮机模拟器的其它系统相结合。单片机与上位机通信采用的是广州致远电子生产的IPORT-1嵌入式以太网转串口模块，该模块集成10/100M自适应以太网接口，具有TCP Server等多种工作模式，使单片机与上位机通信方便准确。

3 控制系统仿真实现

对分油机控制系统的各数学模型进行建模之后[8]，在微软Visual Studio 2010平台下通过Visual C#编程语言开发分油机控制系统的软件仿真界面。分油机控制系统的软件仿真不仅仿真界面友好，而且仿真模型具有准确的物理数学关系，保证了仿真的准确性。学员可以在计算机仿真界面上进行分油机控制系统的操作，并且在控制箱上也会有相应的状态显示。分油机的仿真界面见图4。

图4 分油机控制系统软件仿真界面

仿真界面包括分油机自动控制单元和分油机的油、水和蒸汽管路系统。分油机的自动控制单元与图4所示的仿真控制箱具有相同的功能，用于显示分油机的工作状态、报警信息等。分油机的油、水管路系统与MIMIC屏功能相同。通过软件与硬件仿真的结合，可以让学员更加深入地理解和掌握分油机控制系统的工作过程。

控制系统软件仿真除了给学员提供友好的操作界面之外，还可以进行仿真参数的设置，并且可以模拟船舶分油机的常见故障，如分油机排渣口跑油，这样既可以对学员进行基本操作的培训，还可以让学员深刻地理解分油机实际运行中出现的各种故障现象。

[1] 胡强生.船舶机损事故中人为失误的实证研究[J].船海工程,2006(05):36-39.

[2] 严 华.船舶分油机操作训练模拟系统的研制[J].机电工程技术,2012(10):42-44.

[3] 邹奔腾.船舶分油机的PLC控制及其仿真系统设计与实现[D].大连：大连海事大学,2007.

[4] LIN ZHIGUO,GAO XIAOHONG.The real-time technologies of marine engine room simulator[J].Ship & Ocean Engineering,2009(5):121-123，133.

[5] 陈京培,徐永梅.基于AT89S52单片机的液晶显示控制电路设计[J].现代电子技术,2008(22):22-25.

[6] 付金龙,朱林剑.电压/电流转换器AD694原理及应用[J].电测与仪表,2000(11):51-53.

[7] 樊向党,孙文林,王海军.TLV5614串行DA转换器与51内核单片机的接口设计[J].仪表技术,2006(1):67-68.

[8] 李世臣,甘辉兵,邹奔腾,等.船用分油机仿真系统的设计与实现[J].中国航海,2009(1):43-48.