嵌入式船舶分油机控制系统的设计

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(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

1 控制系统硬件电路设计

分油机控制系统的硬件电路包括数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、以太网通信单元、双CAN冗余通信单元、触摸屏人机交互单元、声光报警单元。硬件电路的设计结构见图1。

图1 硬件电路设计

在硬件设计中选用ARM9架构的S3C2440芯片作为整个系统的逻辑控制单元，该芯片主频最高可达533 MHz，具有5级流水线的指令处理，具有内存管理单元(MMU)，可运行各主流的嵌入式系统[3]。此外，该芯片片内集成了丰富的外设，如自带10位A/D和D/A、LCD控制器等，可大大简化外围电路的设计，提高硬件电路的可靠性和抗干扰能力。SDRAM选用两片HY57V561620BT(共64 MB)，Nandflash选用一片K9F1G08(128 MB)，以太网控制器为DM9000，选用支持SPI模式的CAN控制器MCP2510。

在系统设计中，分油机与集控室和船舶机舱监测报警等部分的数据通信采用的是冗余双CAN通信，以提高其可靠性。此外，考虑到现代船舶通信中以太网通信使用越来越广泛，因此也预留出以太网通信接口，增加其通用性，在实际应用中可根据船舶的实际情况选择其中一种通信方式。在控制系统的硬件设计中加入了SD卡设备，分油机的各项报警信息和工作状态的关键信息都会实时地保存到SD卡中，船东或海事局可以通过读写SD卡中的数据获知船舶分油机的工作状态和参数信息，为防止轮机人员人为更改SD卡中的内容，可将SD卡设密。

2 分油机燃油进机温度控制

由于船舶燃油使用重油，为了降低其粘度以提高净化效果，在进入分油机之前需要对燃油进行加热。燃油加热一般使用蒸汽加热，分油机控制系统通过调节蒸汽阀的开度控制进机前燃油的温度，从而使燃油获得适宜的粘度，一般燃油的分油效果最佳的运动粘度约24 mm2/s[4]。为了更好地控制燃油进机温度，控制系统采用PID算法进行控制，图2为其控制模型，图3为PID控制原理。

图2 分油机加热器控制模型

图3 PID控制原理

PID控制根据设定值x(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，然后将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制，此处的偏差为燃油设定温度值与进机前温度值的差值，因此，蒸汽阀开度动态量与温度偏差e(t)的关系为

(1)

燃油进机前温度的动态方程由如下方式获得，根据加热器热量传递关系：单位时间内蒸汽蓄热量的变化等于单位时间内蒸汽热量单位时间内传递给燃油的热量，于是可以得到如下方程[5-6]。

慢性病患者的就医行为主要发生在门诊[13]和自购药品[14]上，高血压长期而频繁的门诊治疗和疾病管理所花费的医疗费用是因病致贫的主要原因[15]。研究证实，收入较低的患者面临着较高的门诊就诊经济风险，高血压患者的门诊自付费用对患者家庭发生CHE存在着显著影响。

(2)

(3)

(4)

式中:qms——蒸汽的质量流量,为PID控制环节的控制参数;

mb——换热器管束质量;

cs——饱和蒸汽比热容;

cb——换热器管束的比热容;

R——管束传热热阻;

tsi——蒸汽进口温度;

tso——蒸汽出口温度;

qmo——燃油质量流量;

co——燃油比热容;

toi——燃油进口温度;

too——燃油出口温度;

Δtm——加热器平均温差(此处采用的是算术平均温差)。

在流量控制阀采用线性流量特征的情况下，蒸汽调节阀的开度与蒸汽流量成正比[7]:

Ms=f×du(t)

(5)

式中：f——线性系数。

联立式(1)～(5)可得蒸汽质量流量控制的动态方程。

3 控制系统软件设计

3.1 嵌入式linux系统的搭建

为了更好地管理和调度控制系统中的各项任务，提高控制系统的实时性和高效性，需要在嵌入式微处理器S3C2440上搭建嵌入式操作系统。嵌入式Linux以其良好的可裁剪性和开源免费优势被广泛应用于消费电子领域以及工业控制等领域。嵌入式Linux操作系统的搭建包括U-boot的移植、Linux内核的裁剪定制、根文件系统的构建、驱动程序的编写等工作，每项内容都必须以控制系统中所用的嵌入式微处理器为对象进行裁剪定制，方可实现嵌入式系统的搭建。

3.2 分油机时序控制

分油机控制系统除检测系统各项参数、实现系统监测报警外，最主要的功能是按照一定的控制时序完成进机燃油的离心净化、自动排渣、分油机停止等工作，在控制系统的软件设计中，控制系统的控制时序设计见图4。

图4 分油机控制系统工作时序

3.3 人机交互界面的设计与实现

传统的分油机人机交互界面见图5。

图5 Alfa Laval EPC-50分油机界面

该界面存在着参数设置复杂麻烦，报警信息显示不直观等一系列缺点。为了提供更加友好直观的人机操作界面，分油机控制系统的人机交互界面选用800×400像素的177.8 mm(7 in)TFT液晶触摸屏，以嵌入式Linux操作系统为软件平台，在跨平台C++图形用户界面Qt编程环境下开发完成，最终的人机交互界面见图6～8。

图6 分油机工作状态界面

图7 分油机报警参数界面

图8 分油机参数设置界面

分油机主菜单界面共分为3个区域，从上至下分别为状态显示区、主界面区和界面选择区。状态显示区用于显示现在主界面位于哪个菜单中及当天的日期信息，主界面区显示该页面的详细信息，界面选择区用于快速进入到几个重要的界面中。

在触摸屏上点击各按钮可进入分油机主菜单中相应的菜单界面。

图6所示为分油机工作状态界面，该界面为默认界面，用于直观的显示现在分油机的工作状态。分油机进油口三通阀状态为绿色，表示三通阀通电打开，出油口电磁阀状态指示为红色，表示出油口电磁阀关闭。此外还可以从该界面中获知分油机控制系统中关键的参数和重要的报警信息，如进油口油温、油压、电机转速，若出现报警，则该处状态指示将会由正常状态的绿色变为红色。

图7所示为报警参数界面，在该界面中可以查看分油机运行过程中出现的详细报警信息，蓝色的报警信息表示已经处理过的报警信息，红色且闪烁的报警信息表示当前未作任何处理的报警信息。按下界面下方的Reply按钮，该报警信息会变为蓝色，表示轮机人员已经获知该报警信息，但是只有当故障解除之后报警信息才会停止闪烁，轮机人员也可按下Flash按钮来人为消除闪烁。此外，若出现报警，不管处于何种菜单界面中，都可以在下方的界面选择区中Alarm message按钮中看到其蓝色的指示灯变为红色，以便轮机人员能够在任何时刻任何界面都能清楚知道分油机是否有警报产生。

图8所示为参数信息设置界面，可通过界面中的“+”“-”按钮设置参数值，也可点击参数值处通过软键盘直接输入设定的参数值，按下ensure按键确认信息，放弃信息修改则按下exit按键。

4 结论

嵌入式分油机控制系统以嵌入式微处理器S3C2440为CPU，搭建Linux嵌入式系统，能够实现控制系统多任务的调度管理和外部重要事件的资源抢占，确保外部重要事件信号能够及时得以执行，提高分油机控制系统的实时性。该系统不仅能够实现分油机控制系统所需功能，而且其对外部事件响应速度更快、实时性更强。人机交互界面以触摸屏为基础，在跨平台编程软件Qt下开发完成，以触摸屏人机界面替代传统的按键+指示灯的人机交互方式，不仅使人机交互界面更加友好，操作更简单，参数及报警信息显示更直观，而且可简化外围硬件电路，使得硬件电路的可靠性和稳定性更高。该控制系统的设计研究对于改善船舶分油机的人机界面，提高控制系统的实时性和高效性有一定的参考价值。

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