李衛(wèi)強(qiáng), 曹 輝,, 張均東,, 賈寶柱,, 何琪文

(大連海事大學(xué) a.輪機(jī)工程學(xué)院;b.無人船協(xié)同創(chuàng)新研究院， 遼寧 大連 116026)

輪機(jī)模擬器半實(shí)物仿真技術(shù)平臺(tái)在培訓(xùn)、考核和發(fā)證中發(fā)揮著無可替代的重要作用[1]，輪機(jī)模擬器的應(yīng)用與科研教學(xué)的開發(fā)受到國內(nèi)國際相關(guān)條約的制約和相關(guān)科技發(fā)展的影響。在船舶機(jī)艙系統(tǒng)及功能最全且有交互能力的模擬器中，半實(shí)物輪機(jī)模擬器分油機(jī)控制單元作為模擬船舶燃油和滑油凈化系統(tǒng)的核心部分，具有模擬完成分離油中的水分和機(jī)械雜質(zhì)的功能。劣質(zhì)燃油的使用會(huì)增加燃油凈化系統(tǒng)的故障概率，這對輪機(jī)員在了解分油機(jī)的工作原理,掌握故障診斷與維護(hù)等方面的技能提出更高的要求。[2]

現(xiàn)有的輪機(jī)模擬器分油機(jī)系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式，上位機(jī)服務(wù)器完成船舶輪機(jī)系統(tǒng)的所有仿真模型與運(yùn)算邏輯，李世臣等[3]完成包括分油機(jī)分離過程、分離筒轉(zhuǎn)速、供油加熱器和供油泵等系統(tǒng)建模。下位機(jī)設(shè)備作為通信板卡通過以太網(wǎng)接收上位機(jī)通信數(shù)據(jù)并解析響應(yīng)，實(shí)訓(xùn)人員將下位機(jī)的操作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。這一特點(diǎn)嚴(yán)重依賴上位機(jī)服務(wù)器的性能，任何一個(gè)模塊單元功能的實(shí)現(xiàn)，只有通過與上位機(jī)聯(lián)機(jī)才能完成。另外,如果需要增加新的控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，必須對上位機(jī)仿真模型進(jìn)行大量修改才能實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)所提出的分布式分油機(jī)仿真面板能夠獨(dú)立完成母型Alfa Laval分油機(jī)操作仿真功能，分油機(jī)仿真面板上的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至32IO8AO通用板卡并經(jīng)其轉(zhuǎn)發(fā)，最終通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)被PC監(jiān)視分油機(jī)仿真面板的工作狀態(tài)。

1 分油機(jī)運(yùn)行邏輯分析

分油機(jī)工作的運(yùn)行邏輯見圖1，啟動(dòng)分油機(jī)前顯示屏警告檢查電壓和供電頻率是否正確，檢查儲(chǔ)油槽油位，汽、水、油閥和加熱單元等信息。啟動(dòng)分油機(jī)后EPC-60控制單元會(huì)根據(jù)分離筒轉(zhuǎn)速及進(jìn)口油溫進(jìn)行判斷是否進(jìn)入分離程序。選擇手動(dòng)/自動(dòng)排渣以停止進(jìn)油，排渣結(jié)束分離桶減速停止啟動(dòng)自鎖程序，手動(dòng)停止加熱單元、供給泵供油，等待下一次啟動(dòng)。[4]

2 控制單元系統(tǒng)架構(gòu)

分油機(jī)仿真面板的系統(tǒng)架構(gòu)見圖2，由上位機(jī)PC監(jiān)視器和CAN總線系統(tǒng)上掛接的多個(gè)分油機(jī)分布式仿真節(jié)點(diǎn)組成，因?yàn)镻C監(jiān)視器本身不支持CAN通信，通過32IO8AO通用板卡將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)并經(jīng)以太網(wǎng)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信。

各個(gè)分油機(jī)仿真節(jié)點(diǎn)由主控芯片及其運(yùn)行環(huán)境組成，主控芯片完成分油機(jī)實(shí)體的數(shù)學(xué)模型運(yùn)算求解并在TFTLCD液晶屏上產(chǎn)生結(jié)果控制請求信息。[5]分油機(jī)工作狀態(tài)通過10路不同顏色的LED燈指示?？刂泼姘迳系陌存I用于控制分油機(jī)狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)。上位機(jī)PC周期性地向CAN總線上發(fā)送報(bào)文請求獲得分油機(jī)仿真面板的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息。[6-7]

3 控制單元的實(shí)現(xiàn)

3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.2 PCB圖布局布線的設(shè)計(jì)

分油機(jī)仿真面板的原理圖設(shè)計(jì)在完成之后，借助Altium Designer板卡設(shè)計(jì)軟件繪制原理圖并給原理圖中的每一個(gè)元件編號，在將原理圖導(dǎo)入到PCB圖之前需要對原理圖以及PCB圖進(jìn)行編譯(Compile)。受安裝環(huán)境的影響，PCB板的大小不得超過110 mm×120 mm，設(shè)計(jì)為雙層板，通過螺柱固定在控制箱上，設(shè)計(jì)的板卡PCB見圖4。

3.3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

分油機(jī)板卡控制單元的軟件設(shè)計(jì)采取搶占式任務(wù)添加并按照優(yōu)先級進(jìn)行處理的方式[8]。分油機(jī)板卡上電后任務(wù)的添加和跳轉(zhuǎn)關(guān)系見圖5。

利用C語言編寫程序即算法，每個(gè)算法的成員包括方法名、返回類型以及傳值類型。程序分為3層分別為用戶層、鏈路層以及底層代碼，其中底層代碼為ST官方給出的啟動(dòng)自舉程序、中斷服務(wù)函數(shù)程序等，鏈路層主要是CAN、LCD、LED及ZLG7290外設(shè)的初始化引腳配置和內(nèi)存映射的位帶操作。用戶層提供具體的服務(wù)函數(shù)，如CAN控制器、LCD顯示、沉淀柜液位高度及溫度變化數(shù)學(xué)模型、供油泵流量模型、PID溫度控制器調(diào)節(jié)蒸汽閥開度等模型運(yùn)算函數(shù)。[9-10]

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

上位機(jī)通過CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)視仿真面板的工作狀態(tài)，包含32IO8AO通用板卡與上位機(jī)PC服務(wù)器關(guān)于分油機(jī)的以太網(wǎng)通信協(xié)議、32IO8AO通用板卡與分油機(jī)板卡控制單元的CAN協(xié)議。[11]通用版卡向分油機(jī)板卡發(fā)送數(shù)據(jù)幀由7個(gè)段構(gòu)成,見圖6。

因設(shè)計(jì)的分油機(jī)板卡控制單元是寄宿在通用板卡之下的，且任意一個(gè)宿主只有一張分油機(jī)板卡，CAN總線上只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)即一主一從站,那么可以規(guī)定如下:

1) 分油機(jī)仿真單元向通用板卡發(fā)送報(bào)文的起始幀F(xiàn)E。

2) 仲裁場段位表示該幀優(yōu)先級別，在圖5中規(guī)定總線中斷任務(wù)優(yōu)先級>LCD顯示任務(wù)>10路LED狀態(tài)指示>按鍵中斷控制優(yōu)先級。

3) 控制段表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，在通用板卡向分油機(jī)板卡的數(shù)據(jù)發(fā)送中，LED狀態(tài)指示的數(shù)據(jù)以及LCD顯示數(shù)據(jù)是包含在一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文中的，其中液晶顯示為20個(gè)字符用ASCII碼表示，每個(gè)字符占用一個(gè)字節(jié)，另加顯示的第幾行占用一個(gè)字節(jié)，10只LED狀態(tài)指示占用一個(gè)字節(jié)，因此控制段此時(shí)為22個(gè)字節(jié)。

4) 數(shù)據(jù)場即為液晶屏顯示的字符所對應(yīng)的ASCII碼及狀態(tài)指示數(shù)據(jù)。

5) CRC場放棄復(fù)雜的循環(huán)校驗(yàn)碼，因CAN總線上僅分油機(jī)板卡控制單元一個(gè)節(jié)點(diǎn)而使用經(jīng)“變異”了的CRC場即亦或校驗(yàn)。

6) ACK應(yīng)答段位為2個(gè)位信息即應(yīng)答間隔和應(yīng)答界定符，分油機(jī)控制單元正確接收到來自通用板卡的報(bào)文后會(huì)在幀間時(shí)間向宿主發(fā)送一個(gè)位的邏輯高電平。

7) 規(guī)定結(jié)尾幀為FF。

分油機(jī)板卡向通用板卡發(fā)送按鍵控制的報(bào)文中不同之處在于字節(jié)數(shù)不同即控制場以及數(shù)據(jù)場格式，其他段沒有差別。

4 試驗(yàn)操作與測試

硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)以及PCB制圖的完成只在理論上具有可行性，在分油機(jī)仿真面板設(shè)計(jì)完成之后須對其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試與可靠性分析，如長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行、猛烈碰撞以及按鍵測試、程序穩(wěn)定性測試等。

對設(shè)計(jì)的分布式分油機(jī)仿真試驗(yàn)內(nèi)容包括分油機(jī)程序測試見圖7。LCD顯示的3行分油機(jī)運(yùn)行的邏輯判斷，中間部分為需要受訓(xùn)人員回答的問題，最上一行部分為上一個(gè)已經(jīng)回答的問題，最后一行在LCD中以黑色字體顯示的問題為尚未回答的問題。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送信息請求指令時(shí)，分油機(jī)仿真面板將定義好的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給通用板卡，經(jīng)其在CAN總線上廣播，通用板卡接收并轉(zhuǎn)發(fā)，借助以太網(wǎng)調(diào)試助手第3方軟件在PC監(jiān)視器屏上顯示指定格式的數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)束語

分油機(jī)方面面板單元在硬件關(guān)鍵技術(shù)分析、原理圖設(shè)計(jì)、PCB布局布線及軟件設(shè)計(jì)時(shí)，對系統(tǒng)信號的完整性、抗干擾設(shè)計(jì)做了充分的考量。原理圖各個(gè)模塊設(shè)計(jì)了必要的去耦電容[12]，PCB布局布線過程中根據(jù)電氣規(guī)則檢查結(jié)果進(jìn)行大量的修改直到?jīng)]有任何錯(cuò)誤，分油機(jī)控制面板軟件設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)精簡、性能可靠和省時(shí)易改等優(yōu)點(diǎn)。[13]

輪機(jī)模擬器分油機(jī)控制系統(tǒng)是輪機(jī)仿真領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，分油機(jī)仿真面板單元涉及的CAN通信技術(shù)、算法程序化、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和按鍵控制交互技術(shù)等與工業(yè)控制技術(shù)、綜合監(jiān)控技術(shù)密切相關(guān)，分油機(jī)控制單元可為船舶燃油、滑油凈化系統(tǒng)的故障診斷與修復(fù)訓(xùn)練提供良好的實(shí)踐平臺(tái)。目前對分油機(jī)控制單元的研究還停留在人工操作層面，借助人工智能及自學(xué)習(xí)應(yīng)用分油機(jī)等領(lǐng)域還需做深層次的研究。