分布式分油机仿真面板的设计与实现

李卫强, 曹 辉,, 张均东,, 贾宝柱,, 何琪文

(大连海事大学 a.轮机工程学院;b.无人船协同创新研究院， 辽宁 大连 116026)

轮机模拟器半实物仿真技术平台在培训、考核和发证中发挥着无可替代的重要作用[1]，轮机模拟器的应用与科研教学的开发受到国内国际相关条约的制约和相关科技发展的影响。在船舶机舱系统及功能最全且有交互能力的模拟器中，半实物轮机模拟器分油机控制单元作为模拟船舶燃油和滑油净化系统的核心部分，具有模拟完成分离油中的水分和机械杂质的功能。劣质燃油的使用会增加燃油净化系统的故障概率，这对轮机员在了解分油机的工作原理,掌握故障诊断与维护等方面的技能提出更高的要求。[2]

现有的轮机模拟器分油机系统采用客户端/服务器模式，上位机服务器完成船舶轮机系统的所有仿真模型与运算逻辑，李世臣等[3]完成包括分油机分离过程、分离筒转速、供油加热器和供油泵等系统建模。下位机设备作为通信板卡通过以太网接收上位机通信数据并解析响应，实训人员将下位机的操作数据实时上传至上位机。这一特点严重依赖上位机服务器的性能，任何一个模块单元功能的实现，只有通过与上位机联机才能完成。另外,如果需要增加新的控制系统节点，必须对上位机仿真模型进行大量修改才能实现。

设计所提出的分布式分油机仿真面板能够独立完成母型Alfa Laval分油机操作仿真功能，分油机仿真面板上的数据通过CAN总线发送至32IO8AO通用板卡并经其转发，最终通过以太网发送到上位机被PC监视分油机仿真面板的工作状态。

1 分油机运行逻辑分析

分油机工作的运行逻辑见图1，启动分油机前显示屏警告检查电压和供电频率是否正确，检查储油槽油位，汽、水、油阀和加热单元等信息。启动分油机后EPC-60控制单元会根据分离筒转速及进口油温进行判断是否进入分离程序。选择手动/自动排渣以停止进油，排渣结束分离桶减速停止启动自锁程序，手动停止加热单元、供给泵供油，等待下一次启动。[4]

2 控制单元系统架构

分油机仿真面板的系统架构见图2，由上位机PC监视器和CAN总线系统上挂接的多个分油机分布式仿真节点组成，因为PC监视器本身不支持CAN通信，通过32IO8AO通用板卡将数据流转发并经以太网与上位机数据通信。

各个分油机仿真节点由主控芯片及其运行环境组成，主控芯片完成分油机实体的数学模型运算求解并在TFTLCD液晶屏上产生结果控制请求信息。[5]分油机工作状态通过10路不同颜色的LED灯指示。控制面板上的按键用于控制分油机状态和设置参数。上位机PC周期性地向CAN总线上发送报文请求获得分油机仿真面板的实时运行状态信息。[6-7]

3 控制单元的实现

3.1 人机交互界面设计

3.2 PCB图布局布线的设计

分油机仿真面板的原理图设计在完成之后，借助Altium Designer板卡设计软件绘制原理图并给原理图中的每一个元件编号，在将原理图导入到PCB图之前需要对原理图以及PCB图进行编译(Compile)。受安装环境的影响，PCB板的大小不得超过110 mm×120 mm，设计为双层板，通过螺柱固定在控制箱上，设计的板卡PCB见图4。

3.3 软件设计流程图

分油机板卡控制单元的软件设计采取抢占式任务添加并按照优先级进行处理的方式[8]。分油机板卡上电后任务的添加和跳转关系见图5。

利用C语言编写程序即算法，每个算法的成员包括方法名、返回类型以及传值类型。程序分为3层分别为用户层、链路层以及底层代码，其中底层代码为ST官方给出的启动自举程序、中断服务函数程序等，链路层主要是CAN、LCD、LED及ZLG7290外设的初始化引脚配置和内存映射的位带操作。用户层提供具体的服务函数，如CAN控制器、LCD显示、沉淀柜液位高度及温度变化数学模型、供油泵流量模型、PID温度控制器调节蒸汽阀开度等模型运算函数。[9-10]

3.4 网络通信协议

上位机通过CAN总线实时监视仿真面板的工作状态，包含32IO8AO通用板卡与上位机PC服务器关于分油机的以太网通信协议、32IO8AO通用板卡与分油机板卡控制单元的CAN协议。[11]通用版卡向分油机板卡发送数据帧由7个段构成,见图6。

因设计的分油机板卡控制单元是寄宿在通用板卡之下的，且任意一个宿主只有一张分油机板卡，CAN总线上只有两个节点即一主一从站,那么可以规定如下:

1) 分油机仿真单元向通用板卡发送报文的起始帧FE。

2) 仲裁场段位表示该帧优先级别，在图5中规定总线中断任务优先级>LCD显示任务>10路LED状态指示>按键中断控制优先级。

3) 控制段表示数据的字节数，在通用板卡向分油机板卡的数据发送中，LED状态指示的数据以及LCD显示数据是包含在一个数据报文中的，其中液晶显示为20个字符用ASCII码表示，每个字符占用一个字节，另加显示的第几行占用一个字节，10只LED状态指示占用一个字节，因此控制段此时为22个字节。

4) 数据场即为液晶屏显示的字符所对应的ASCII码及状态指示数据。

5) CRC场放弃复杂的循环校验码，因CAN总线上仅分油机板卡控制单元一个节点而使用经“变异”了的CRC场即亦或校验。

6) ACK应答段位为2个位信息即应答间隔和应答界定符，分油机控制单元正确接收到来自通用板卡的报文后会在帧间时间向宿主发送一个位的逻辑高电平。

7) 规定结尾帧为FF。

分油机板卡向通用板卡发送按键控制的报文中不同之处在于字节数不同即控制场以及数据场格式，其他段没有差别。

4 试验操作与测试

硬件电路原理图的设计以及PCB制图的完成只在理论上具有可行性，在分油机仿真面板设计完成之后须对其相关指标进行测试与可靠性分析，如长时间连续运行、猛烈碰撞以及按键测试、程序稳定性测试等。

对设计的分布式分油机仿真试验内容包括分油机程序测试见图7。LCD显示的3行分油机运行的逻辑判断，中间部分为需要受训人员回答的问题，最上一行部分为上一个已经回答的问题，最后一行在LCD中以黑色字体显示的问题为尚未回答的问题。当上位机发送信息请求指令时，分油机仿真面板将定义好的数据格式发送给通用板卡，经其在CAN总线上广播，通用板卡接收并转发，借助以太网调试助手第3方软件在PC监视器屏上显示指定格式的数据信息。

5 结束语

分油机方面面板单元在硬件关键技术分析、原理图设计、PCB布局布线及软件设计时，对系统信号的完整性、抗干扰设计做了充分的考量。原理图各个模块设计了必要的去耦电容[12]，PCB布局布线过程中根据电气规则检查结果进行大量的修改直到没有任何错误，分油机控制面板软件设计具有结构精简、性能可靠和省时易改等优点。[13]

轮机模拟器分油机控制系统是轮机仿真领域研究的重点，分油机仿真面板单元涉及的CAN通信技术、算法程序化、数据可视化技术和按键控制交互技术等与工业控制技术、综合监控技术密切相关，分油机控制单元可为船舶燃油、滑油净化系统的故障诊断与修复训练提供良好的实践平台。目前对分油机控制单元的研究还停留在人工操作层面，借助人工智能及自学习应用分油机等领域还需做深层次的研究。