第４２卷第５期 船海ｒ［程 Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．５ ２０１３年１０月 ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ０ｃｔ．２０１３ 船舶分油机控制系统的仿真设计与实现 陈长江，李世臣 （大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连１１６０２６） 摘要：针对国际海事组织对船员培训提出的要求，提出以Ａｌ￣ａ Ｌａｖａｌ Ｓ系列分油机的ＥＰＣ一５０控制系统 为母型的分油机控制系统的仿真设计，采用实物仿真与计算机仿结合的方式，设计以单片机为主控元件 的仿真控制箱，结合ＭＩＭＩＣ屏构成控制系统的实物仿真部分，采用Ｖｉｓｕａｌ ｃ＃编程语言实现仿真软件界面的开 发，实验结果表明该仿真设计完全能够实现学员培训和教学实验的功能。 关键词：仿真；分油机；控制；单片机 中图分类号：Ｕ６６４．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－７９５３（２０１３）０５－０１０９－０４ 在船舶事故发生的各种因素中，人为因素占 实船使用的控制箱体，分油机系统设备及其操 ８０％以上¨Ｊ。因此，提高轮机管理人员的业务水 作的控制功能，通过此仿真模拟器可以实现对 平对于避免船舶事故的发生有着重要的意义。船 学员进行操作技能的训练，也可作为一种对船 舶轮机模拟器由于其物理真实性和具有便于培训 员操作熟练程度进行评估的装置。国际海事组 的优点，已成为船员培训和教学实验的一种有效 织（ＩＭＯ）在ＳＴＣＷ７８／９５公约中已将其列入船员 手段。分油机作为船舶辅机重要的一部分，其仿 培训的必备条件之一ｌ４ｊ。分油机控制系统仿真 真模拟器的研发对轮机模拟器的发展有着重要的 模拟器的总体结构见图１，ＭＩＭＩＣ屏主要用于展 意义。现行的船舶分油机控制系统仿真模拟器已 示分油机的燃油进出、蒸汽加热、控制水等管路 经落后于实船上先进的控制系统，并且成本高、体 系统，以便于将分油机控制系统的工作过程形 积大。为此，以实船上先进的Ａｌｆａ Ｌａｖａｌ Ｓ系列分 象地展示在学员面前，达到良好的感性认识。 油机的ＥＰＣ一５０控制系统为母型，采用实物仿真 分油机控制系统核心部分是以ＡＴ８９Ｓ５２单片机 与计算机软件仿结合的方式，设计贴近实船 为主控元件的控制单元，它将完成系统输入信 设备的分油机控制系统仿真模拟器。目前，分油 号的采集和控制信号的输出，以及通过以太网 机仿真模拟器的实物仿真部分多数采用ＰＬＣ作 实现与轮机模拟器其它系统进行通信的功能。 为主控元件 引，虽然可靠性很高，但是价格昂贵， 控制系统的软件仿真界面是在Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ 增加了培训成本。单片机以其可靠性高、价格便 ２０１０平台下通过Ｖｉｓｕａｌ ｃ撑编程语言实现。计算 宜等优点广泛应用于自动控制领域。因此，本文 机软件仿真、仿真控制单元和ＭＩＭＩＣ屏之间的 设计并研发了以单片机为主控元件的分油机仿真 通信通过以太网实现。 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 图１总体结构设计 船舶分油机控制系统的仿真模拟器，将模拟 ２ 控制系统的硬件仿真设计与实现 收稿日期：２０１３—０４—０７ 控制系统的硬件仿真控制单元以ＡＴ８９Ｓ５２ 修回日期：２０１３—０４—２４ 单片机为主控元件，其电路设计原理见图２。 第一作者简介：陈长江（１９９０一），男，硕士生 ＡＴ８９Ｓ５２单片机是一款低功耗、高性能的８位微 研究方向：轮机自动化及智能化 控制器，具有８ｋ Ｆｌａｓｈ和２５６字节ＲＡＭ，并且支 Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｅｊ１９９００８０３＠１２６．ｃｏｍ 持ＩＳＰ编程，下载程序方便 Ｊ。 １０９ 第５期 船海工程 第４２卷 ＡＴ８９Ｓ５２ 水分传感器 — 补偿水电磁 待分油压力传感器卜＋ 开肩水电磁 待分油温度传感器１ Ｉ－－－－， 待分油温度传感器２ ＴＬＣ０８３８ －－－－－ －－－ － 置换水电磁阀 ｐ１ Ｏ～Ｐ１ ４ Ｐ０ ０～Ｐ０ ７ ＵＬＮ ｒ ２８０３ 进油电磁阀 净油出口压力传感器卜＋ 排水压力传感器卜＋ ＿＿叫净油出油电磁６ —１排水电磁阀 —．１ — — 分油机转速传感器卜÷ 蜂鸣器 ｌ指 煳 ＩＰＯＲＴ 以太网通信 Ｐ３ ０Ｐ３ １ Ｐ２ ０ ｒ—Ｐ２ ５ 一ｈ） … Ｉ加热蒸汽调节阀Ｈ ＴＬＶ５６１４ ＝ Ｐ３ ２～Ｐ３ ５ Ｐ２ ６～Ｐ２ ７ ｚＬＧ７２９０Ｆ 按键输入 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 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 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 ，， ｔ＝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芯片输人口相连接。ＴＬＣ０８３８将这些模 ２ ｒ （１） 式中： ——基准电压，本系统采用Ｖｒ ＝１ Ｖ； 拟量信号转换成数字量信号后送人单片机的 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，转换时问为３２ ｓ。 ２．２信号输出部分 ｄ——单片机输出的０～４ ０９５的数字量信 号 。 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 单片机的Ｐ０．０一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 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。 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 一最星导．＝ ｛｝｛ １ Ｏ Ｏ■圈一鲁ｎ Ｊ 一ｉ＇ｌ一 ｔｉｌ ——度，因此控制系统应能够自动控制进油的温度。 Ｊ ’一 ｏ 一 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 ｆ—ｌ ｆ●ｌ ｉ ｎｍ 一△一 图３分油机控制面板 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Ｐ３．２一Ｐ３．５输 出不同大小的数字量，该数字量经ＴＬＶ５６１４芯片 １１０ 此外，分油机的仿真控制面板上设有１９个指 船舶分油机控制系统的仿真设计与实现——陈长江，李世臣 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ＴＭＩ６４０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一１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 Ｊ，在微软Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２０１０平台下通过Ｖｉｓｕ－ ａｌ 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。 参考文献 ［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（１Ｏ）：４２４４． ［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 ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｏｍ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．Ｓｈｉｐ＆Ｏ・ ｃｅａｎ 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）：４３４８． （下转第ｌｌ４页） 第５期 船海工程 第４２卷 装工序和工艺相对之前有所改变。根据对涂装前 钢材表面可溶性盐的测量情况来看，可溶性盐含 统、润滑设备、液压导向系统、压缩空气设备、发电 机设备以及其它电气设备。 量均超过标准的要求。因此，该装置在钢材预处 理和二次除锈前钢材表面的淡水清洗必不可少， ５ 结束语 广州中船龙穴造船有限公司建造的国内第一 台１００ ｋＷ鸭式波浪能发电装置，已顺利投入海 上试验性发电阶段，并成功地在海上进行了发电 作业。该装置实际造价为４万元／ｋＷ，远远低于 陆上或岸边固定式装置的造价（约１５万 ｋＷ）。 清洗工序的设置和工艺制定，也增加了预处理和 分段的抽水和干燥程序除锈工作。 另外从下料、小合拢、中合拢到大合拢分阶段 实行跟踪结构处理和检查，避免了除锈后才进行 大量的结构处理工作，减少对涂装周期和劳动力 的耗费造成的影响。根据工艺要求，涂装采用表 面打磨和冲砂的处理方式（表面处理等级需达到 Ｓａ２．５），经报油漆商代表确认合格后，才开始涂油 漆，且三度油漆都要对油漆商进行报验。 该装置解决了目前鸭式发电装置存在的主要问 题：即施工和加工困难，大幅降低了发电成本。据 估算，该波浪能发电系统的发电成本约为１．５ 元／（ｋＷ・ｈ），而我国边远的沿海地区、岛屿、海 上孤立场所的发电成本超过２．０ （ｋＷ・ｈ）， 施工中坚持推行结构组合、封闭曲面体密试、 设备预装完整性、工序完整性检查、总段组合后涂 装、跟踪补涂和涂层保护，每个环节都制定专人进 行跟踪协调，尽最大的可能减少对涂层的损坏，确 保了涂层的质量。 以电价２．０元／度计，年平均发电功率１００ ｋＷ的 海洋波浪能发电系统每年可盈利４３．８万元。 参考文献 ４ 其它系统 除了上述基本构造，该装置还根据需要配备 了电气控制系统、自动调整压载系统、数据采集系 ［１］高大晓，王方杰，史宏达，等．国外波浪能发电装置的 研究进展［Ｊ］．海洋开发与管理，２０１２（１１）：２１—２６． ［２］明浩，谭祺，石世宁，等．摆式海洋波浪发电原理 与事例［Ｊ］．流体传动与控制，２０１２（５）：５－９． Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｒｕｃｅｓ ｏｆ １００ ｋＷ Ｃａｎａｒｄ Ｏｃｅａｎ Ｗａｖｅ・－ｅｎｅｒｇｙ Ｄｙｎａｍｏｔｏｒ ＹＡＮＧ Ｑｉａｎｇ，ＫＯＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｘｕｎ （ＣＳＳＣ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｌｏｎｇｘｕｅ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ １４６２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃａｎａｒｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｏｃｅａｎ ｗａｖｅ—ｅｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ １０１３ ｋＷ ｃａｎａｒｄ ｏｃｅａｎ ｗａｖｅ—ｅｎｅｒｇｙ ｄｙｎａｍｏｔｏｒ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎｄ ｂｕｉｈ ｂｙ ＣＳＳＣ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｌｏｎｇｘｕｅ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ ａｎｄ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｒｕｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍａｔｔｅｒｓ ｎｅｅｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｎａｒｄ；ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｒｕｃｅｓ （上接第１１１页） Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｐｕｒｉｆｉｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＣＨＥＮ Ｃｈａｎｇ－ｊｉａｎｇ，ＬＩ Ｓｈｉ－ｃｈｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１６０２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｍａｒｉｔｉｍｅ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｒｅｗ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｒｅｑｕｅｓｔ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｉｌ ｐｕｒｉｉｆｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＥＰＣ一５０ ｏｆ Ａｌｆａ Ｌａｖａｌ ｏｉｌ Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｐｕｒｉｆｉｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｅｄ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｏｘ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｃｏｎ－ ｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＭＩＭＩＣ ｐａｎｅｌ ｐａｒｔ ｔｏ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＃ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｌａｎｇｕａｇｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｉｌ ｐｕｒｉｉｆｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ １１４
