基于ARM的货油泵透平控制装置的设计与实现

2016-10-12谢木森

中国航海 2016年2期

关键词：实时控制油泵电磁阀

谢木森，李贺

(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

XIE Musen， LI He

基于ARM的货油泵透平控制装置的设计与实现

谢木森，李贺

(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

透平驱动系统是货油泵系统的核心设备，结构复杂，对实时控制、监测报警及安全保护等功能的要求较高，透平控制装置是其关键组成部分。通过对透平驱动系统的工作原理和运行流程进行介绍，分析透平驱动控制装置的功能需求；运用ARM技术搭建透平驱动系统控制装置的软硬件环境，实现对透平驱动系统的实时控制和监测保护。通过软件、硬件调试验证，实现货油泵透平驱动控制装置的研发。该装置的成功研发和实船应用有利于我国透平驱动系统技术的发展。

船舶工程；ARM；透平控制装置；μC/OS-II；透平驱动系统

XIEMusen，LIHe

Abstract: The principle and operation of the turbine controller, the core of the turbine drive system of the cargo oil pump system, are introduced and the function requirements for the controller are analyzed. The controller is designed based on the Advanced RISC Machines(ARM) technology to ensure the stability, the safety and the real-time responses. The implementation process is presented, covering hardware and software debugging testing. The development experience is noteworthy because of the comprehensive and strict requirements for the turbine controller.

Keywords: ship engineering; ARM; turbine controller; μC/OS-II; turbine drive system

货油泵系统是用来向外部泵送油船、化学品船和补给船等船舶液货舱内的液货的设备，透平驱动系统是其核心设备，主要用于货油泵的动力驱动。透平控制装置[1]是透平驱动系统的关键组成部分，主要对透平驱动系统进行实时控制、监测报警和安全保护，实时性要求高。透平驱动系统功能多、技术难度大、需要监测控制的情况复杂，目前我国对该系统的研发生产还处于起步阶段。

上海船舶运输科学研究所运用ARM(Advanced RISC Machines)技术研制了一款针对大型货油泵透平驱动系统的透平控制装置，完全能实现对透平驱动系统的实时控制，实时在线监测其工作状态，并提供安全保护策略，迅速处理各种报警信息。该透平控制装置已通过实船试验，完全符合实船应用要求。

1 装置概述

1.1透平驱动系统工作原理

透平驱动系统主要由透平机、调速器(包括配速电动机、齿轮泵等)、速关阀组件(包括速关调节阀、速关阀执行油缸及速关阀控制电磁阀)、齿轮箱、润滑油系统(包括辅油泵、主油泵、油箱、液压管路及冷却器等)、蒸汽管路、超速保护装置和电气控制系统(包括透平控制模块、机旁控制箱及控制面板)等组成[2]，其结构组成见图1。

透平驱动系统基本运行流程[3]见图2，包括启动备机工况、升速运行工况、恒转速运行工况、透平转速闭环调节工况、正常停机减速工况和应急停止减速工况。

图1 透平驱动系统组成

图2 透平驱动系统运行流程

1.2透平控制装置功能

通过梳理透平驱动系统结构和运行流程可知，透平控制装置需具备实时控制、安全保护和状态监测报警等功能。[4]

1.2.1实时控制功能

实时控制包括对调速器、速关控制电磁阀和辅油泵等设备的控制[5]，以实现以下4种功能。

(1) 本地/远程切换功能：本地指透平控制装置的控制面板，远程指延伸货控室控制面板，本地控制的优先级要高于远程控制。

(2) 启动功能：若满足启动条件，则在收到启动指令后首先启动辅油泵；其次打开速关控制电磁阀；最后微开速关调节阀手轮，让高压热蒸汽进入汽缸进行暖缸疏水，当透平机转速<700 r/min时保持辅油泵强制运行。

(3) 转速调节功能：启动加速阶段，当透平机转速≥700 r/min时，根据辅油泵滑油压力的高低判断是否运行，通过调速器的配速电动机正反转控制速关调节阀的开度实现配速。

(4) 停止功能：当有停机指令(正常停机、紧急停机和安保动作停机)时，立即关闭速关控制电磁阀，切断速关调节阀，同时启动辅油泵并延时运行0.5 h后停机。

1.2.2安全保护功能

安全保护包括对透平驱动系统运行参数的监测，检测一类故障，以保护透平驱动系统。一类故障包括透平超速、辅油泵滑油压力过低、排气压力过高和转子轴向位移过大等故障，检测到此类故障时执行声光报警，发出停机报警指令。

1.2.3状态监测报警功能

状态监测包括对各项运行参数的监测，检测二类故障，报警响应及在控制面板上显示相关信息。二类故障包括辅油泵滑油压力低、辅油泵滑油及齿轮箱轴承温度高和转子轴向位移大等故障，检测到此类故障时要求只执行声光报警。

2 硬件设计

2.1硬件模块简介

基于实时性、安全性和稳定性考虑，透平控制装置使用上海船舶运输科学研究所自主研发的FCU01模块及其拓展模块EDDO。该模块的安全性和可靠性高，搭配μC/OS-II操作系统表现卓越。[6-7]

基于LPC2378芯片的FCU01模块提供了丰富的接口资源；LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微处理器， FCU01及EDDO模块接口资源见表1。

2.2硬件结构

透平控制装置的控制中枢由控制模块CU(Control Unit)和安保模块ESU(Emergency Service Unit)组成，既可通过I/O读取各传感器的数据联接控制面板和继电器组，实现各项功能，又可通过RS485通信接口进行软件调试。硬件结构见图3。

ESU主要负责监测运行参数、检测故障、发出报警和报警应答等。CU通过对调速器、辅油泵和速关控制电磁阀等进行控制，实现透平驱动系统的启停控制、转速调节和报警处理。

表1 FCU01及EDDO模块接口资源

图3 硬件结构

3 软件设计

3.1μC/OS-II任务分配

1)移植μC/OS-II精简内核到LPC2378芯片上。[8-9]μC/OS-II操作系统是一个完整、可移植、可固化和可裁剪的抢占式实时多任务内核。μC/OS-II的绝大部分代码是用ANSI的C语言编写的，包含小部分汇编代码，能在FCU01模块上稳定运行，且源码公开，便于移植和维护。

2)初始化μC/OS-II系统并创建外设硬件驱动程序BSP_Init()，建立1个开始任务StartTask()，用来启动μC/OS-II操作系统；建立5个子任务，用来执行处理主程序。[10-11]

3)调用OSStart()函数来开启μC/OS-II。

表2为任务属性，给出需要执行的任务及其优先级、堆栈大小和分配的时间长度。

3.2软件运行流程

安保和控制模块软件的运行流程见图4。

表2 任务属性

a)安保模块软件b)控制模块软件

图4 安保和控制模块软件的运行流程

当上电复位或按键复位时，软件进行初始化操作，包括对主程序变量、RS485通信及输入输出信息的初始化。

3.3控制软件

以CU模块的软件为例，通过AnalogTask()任务中辅油泵和速关控制电磁阀等设备的动作，实现对透平驱动系统的实时控制。

3.3.1辅油泵控制

辅油泵自动状态下的控制源码为

if(Turb_over7==0x55)

{

if(Pump_lower==0x55)

{ Pump_start=0x55; }

else

if(Pump_higher==0x55)

{ Pump_start=0xaa; }

if(Pump_lower==0x55&&Pump_higher==0x55)

{Psensor_error=0x55;

Pump_start=0x55; }

}

else if(Turb_over7==0xaa)

{ Pump_start=0x55; }

当透平机转速≥700 r/min时，Turb_over7=0x55，根据辅油泵滑油压力的高低决定是否运行辅油泵；当透平机转速<700 r/min时，Turb_over7=0xaa，保持辅油泵强制运行。若辅油泵滑油压力高和滑油压力低2个信号同时触发，则说明出现传感器故障，应启动辅油泵。

3.3.2速关控制电磁阀

一类故障触发停车报警时，CU模块收到ESU模块的停机指令，启动速关控制电磁阀。速关控制电磁阀的控制源码如下。

if(alarm_status1[10]==0x55)

{A_alarm=0x55; Turb_stop_valve =0x55;}

else {A_alarm=0xaa;}

if(alarm_status1[10]==0xaa&&LED_statusx==0x55&&Reset_key==0x55)

{ Turb_stop_valve =0xaa;}

当一类报警A_alarm=0x55时，关断速关控制电磁阀Turb_stop_valve=0x55；只有先执行复位操作Reset_key=0x55，才能重新开启速关控制电磁阀。

4 实现与验证

4.1透平控制装置的实现

软件开发运用Keil软件，使用U-Link II将软件加载到透平控制装置的控制中枢上进行运行测试。2个模块软件运行流畅，能联接控制面板和内部继电器组。透平控制装置控制面板见图5。

4.2软件调试验证

计算机首先通过RS485通信接口连接到控制中枢的2个模块，再外接输入调试环境进行软件调试。软件的调试环节采用北尔iX Developer 2.0软件。该软件既可轻松创建合理、灵活且高效的操作面板应用软件，提供良好的人机界面，还支持.NET组件等第三方组件，并通过C#脚本语言创建自定义功能。CU和ESU模块的调试界面见图6和图7。

北尔iX Developer 2.0软件可提供各种控制条件，模拟升降转速、触发各类报警、消声定光、正常或紧急停车等透平驱动系统的运行状况，观察灯的亮灭和继电器的动作等情况，判断软件的逻辑是否正确、动作是否及时，并检测软件的容错能力。经验证，各功能模块运行正常，能根据实船要求成功地对透平驱动系统进行功能控制和监测保护。

图5 透平控制装置控制面板

图6 CU模块调试界面

图7 ESU模块调试界面

5 结束语

基于ARM技术，以ARM7核的FCU01模块为硬件平台，以μC/OS-II操作系统为软件运行平台对货油泵透平控制装置进行设计。在设计和实现过程中，充分利用ARM的高实时、多任务和高执行效率等特点，注重实时性设计细节，成功地实现透平控制装置对透平驱动系统的实时控制、状态监测和安全保护。该控制装置操作方便、准确性高，在实船上的运用验证了设计的可行性和软硬件的可靠性。

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DesignandImplementationofARM-BasedTurbineControllerforCargoOilPumpingSystem