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(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

分油機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路包括數(shù)字量輸入單元、數(shù)字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、以太網(wǎng)通信單元、雙CAN冗余通信單元、觸摸屏人機(jī)交互單元、聲光報(bào)警單元。硬件電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 硬件電路設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中選用ARM9架構(gòu)的S3C2440芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制單元，該芯片主頻最高可達(dá)533 MHz，具有5級(jí)流水線的指令處理，具有內(nèi)存管理單元(MMU)，可運(yùn)行各主流的嵌入式系統(tǒng)[3]。此外，該芯片片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，如自帶10位A/D和D/A、LCD控制器等，可大大簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)，提高硬件電路的可靠性和抗干擾能力。SDRAM選用兩片HY57V561620BT(共64 MB)，Nandflash選用一片K9F1G08(128 MB)，以太網(wǎng)控制器為DM9000，選用支持SPI模式的CAN控制器MCP2510。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分油機(jī)與集控室和船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警等部分的數(shù)據(jù)通信采用的是冗余雙CAN通信，以提高其可靠性。此外，考慮到現(xiàn)代船舶通信中以太網(wǎng)通信使用越來(lái)越廣泛，因此也預(yù)留出以太網(wǎng)通信接口，增加其通用性，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)船舶的實(shí)際情況選擇其中一種通信方式。在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中加入了SD卡設(shè)備，分油機(jī)的各項(xiàng)報(bào)警信息和工作狀態(tài)的關(guān)鍵信息都會(huì)實(shí)時(shí)地保存到SD卡中，船東或海事局可以通過(guò)讀寫(xiě)SD卡中的數(shù)據(jù)獲知船舶分油機(jī)的工作狀態(tài)和參數(shù)信息，為防止輪機(jī)人員人為更改SD卡中的內(nèi)容，可將SD卡設(shè)密。

2 分油機(jī)燃油進(jìn)機(jī)溫度控制

由于船舶燃油使用重油，為了降低其粘度以提高凈化效果，在進(jìn)入分油機(jī)之前需要對(duì)燃油進(jìn)行加熱。燃油加熱一般使用蒸汽加熱，分油機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開(kāi)度控制進(jìn)機(jī)前燃油的溫度，從而使燃油獲得適宜的粘度，一般燃油的分油效果最佳的運(yùn)動(dòng)粘度約24 mm2/s[4]。為了更好地控制燃油進(jìn)機(jī)溫度，控制系統(tǒng)采用PID算法進(jìn)行控制，圖2為其控制模型，圖3為PID控制原理。

圖2 分油機(jī)加熱器控制模型

圖3 PID控制原理

PID控制根據(jù)設(shè)定值x(t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，然后將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，此處的偏差為燃油設(shè)定溫度值與進(jìn)機(jī)前溫度值的差值，因此，蒸汽閥開(kāi)度動(dòng)態(tài)量與溫度偏差e(t)的關(guān)系為

(1)

燃油進(jìn)機(jī)前溫度的動(dòng)態(tài)方程由如下方式獲得，根據(jù)加熱器熱量傳遞關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)蒸汽蓄熱量的變化等于單位時(shí)間內(nèi)蒸汽熱量單位時(shí)間內(nèi)傳遞給燃油的熱量，于是可以得到如下方程[5-6]。

慢性病患者的就醫(yī)行為主要發(fā)生在門(mén)診[13]和自購(gòu)藥品[14]上，高血壓長(zhǎng)期而頻繁的門(mén)診治療和疾病管理所花費(fèi)的醫(yī)療費(fèi)用是因病致貧的主要原因[15]。研究證實(shí)，收入較低的患者面臨著較高的門(mén)診就診經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，高血壓患者的門(mén)診自付費(fèi)用對(duì)患者家庭發(fā)生CHE存在著顯著影響。

(2)

(3)

(4)

式中:qms——蒸汽的質(zhì)量流量,為PID控制環(huán)節(jié)的控制參數(shù);

mb——換熱器管束質(zhì)量;

cs——飽和蒸汽比熱容;

cb——換熱器管束的比熱容;

R——管束傳熱熱阻;

tsi——蒸汽進(jìn)口溫度;

tso——蒸汽出口溫度;

qmo——燃油質(zhì)量流量;

co——燃油比熱容;

toi——燃油進(jìn)口溫度;

too——燃油出口溫度;

Δtm——加熱器平均溫差(此處采用的是算術(shù)平均溫差)。

在流量控制閥采用線性流量特征的情況下，蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度與蒸汽流量成正比[7]:

Ms=f×du(t)

(5)

式中：f——線性系數(shù)。

聯(lián)立式(1)～(5)可得蒸汽質(zhì)量流量控制的動(dòng)態(tài)方程。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式linux系統(tǒng)的搭建

為了更好地管理和調(diào)度控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)任務(wù)，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高效性，需要在嵌入式微處理器S3C2440上搭建嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式Linux以其良好的可裁剪性和開(kāi)源免費(fèi)優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的搭建包括U-boot的移植、Linux內(nèi)核的裁剪定制、根文件系統(tǒng)的構(gòu)建、驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)等工作，每項(xiàng)內(nèi)容都必須以控制系統(tǒng)中所用的嵌入式微處理器為對(duì)象進(jìn)行裁剪定制，方可實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的搭建。

3.2 分油機(jī)時(shí)序控制

分油機(jī)控制系統(tǒng)除檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警外，最主要的功能是按照一定的控制時(shí)序完成進(jìn)機(jī)燃油的離心凈化、自動(dòng)排渣、分油機(jī)停止等工作，在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的控制時(shí)序設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 分油機(jī)控制系統(tǒng)工作時(shí)序

3.3 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的分油機(jī)人機(jī)交互界面見(jiàn)圖5。

圖5 Alfa Laval EPC-50分油機(jī)界面

該界面存在著參數(shù)設(shè)置復(fù)雜麻煩，報(bào)警信息顯示不直觀等一系列缺點(diǎn)。為了提供更加友好直觀的人機(jī)操作界面，分油機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面選用800×400像素的177.8 mm(7 in)TFT液晶觸摸屏，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，在跨平臺(tái)C++圖形用戶界面Qt編程環(huán)境下開(kāi)發(fā)完成，最終的人機(jī)交互界面見(jiàn)圖6～8。

圖6 分油機(jī)工作狀態(tài)界面

圖7 分油機(jī)報(bào)警參數(shù)界面

圖8 分油機(jī)參數(shù)設(shè)置界面

分油機(jī)主菜單界面共分為3個(gè)區(qū)域，從上至下分別為狀態(tài)顯示區(qū)、主界面區(qū)和界面選擇區(qū)。狀態(tài)顯示區(qū)用于顯示現(xiàn)在主界面位于哪個(gè)菜單中及當(dāng)天的日期信息，主界面區(qū)顯示該頁(yè)面的詳細(xì)信息，界面選擇區(qū)用于快速進(jìn)入到幾個(gè)重要的界面中。

在觸摸屏上點(diǎn)擊各按鈕可進(jìn)入分油機(jī)主菜單中相應(yīng)的菜單界面。

圖6所示為分油機(jī)工作狀態(tài)界面，該界面為默認(rèn)界面，用于直觀的顯示現(xiàn)在分油機(jī)的工作狀態(tài)。分油機(jī)進(jìn)油口三通閥狀態(tài)為綠色，表示三通閥通電打開(kāi)，出油口電磁閥狀態(tài)指示為紅色，表示出油口電磁閥關(guān)閉。此外還可以從該界面中獲知分油機(jī)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的參數(shù)和重要的報(bào)警信息，如進(jìn)油口油溫、油壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速，若出現(xiàn)報(bào)警，則該處狀態(tài)指示將會(huì)由正常狀態(tài)的綠色變?yōu)榧t色。

圖7所示為報(bào)警參數(shù)界面，在該界面中可以查看分油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的詳細(xì)報(bào)警信息，藍(lán)色的報(bào)警信息表示已經(jīng)處理過(guò)的報(bào)警信息，紅色且閃爍的報(bào)警信息表示當(dāng)前未作任何處理的報(bào)警信息。按下界面下方的Reply按鈕，該報(bào)警信息會(huì)變?yōu)樗{(lán)色，表示輪機(jī)人員已經(jīng)獲知該報(bào)警信息，但是只有當(dāng)故障解除之后報(bào)警信息才會(huì)停止閃爍，輪機(jī)人員也可按下Flash按鈕來(lái)人為消除閃爍。此外，若出現(xiàn)報(bào)警，不管處于何種菜單界面中，都可以在下方的界面選擇區(qū)中Alarm message按鈕中看到其藍(lán)色的指示燈變?yōu)榧t色，以便輪機(jī)人員能夠在任何時(shí)刻任何界面都能清楚知道分油機(jī)是否有警報(bào)產(chǎn)生。

圖8所示為參數(shù)信息設(shè)置界面，可通過(guò)界面中的“+”“-”按鈕設(shè)置參數(shù)值，也可點(diǎn)擊參數(shù)值處通過(guò)軟鍵盤(pán)直接輸入設(shè)定的參數(shù)值，按下ensure按鍵確認(rèn)信息，放棄信息修改則按下exit按鍵。

4 結(jié)論

嵌入式分油機(jī)控制系統(tǒng)以嵌入式微處理器S3C2440為CPU，搭建Linux嵌入式系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)多任務(wù)的調(diào)度管理和外部重要事件的資源搶占，確保外部重要事件信號(hào)能夠及時(shí)得以執(zhí)行，提高分油機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)分油機(jī)控制系統(tǒng)所需功能，而且其對(duì)外部事件響應(yīng)速度更快、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。人機(jī)交互界面以觸摸屏為基礎(chǔ)，在跨平臺(tái)編程軟件Qt下開(kāi)發(fā)完成，以觸摸屏人機(jī)界面替代傳統(tǒng)的按鍵+指示燈的人機(jī)交互方式，不僅使人機(jī)交互界面更加友好，操作更簡(jiǎn)單，參數(shù)及報(bào)警信息顯示更直觀，而且可簡(jiǎn)化外圍硬件電路，使得硬件電路的可靠性和穩(wěn)定性更高。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究對(duì)于改善船舶分油機(jī)的人機(jī)界面，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高效性有一定的參考價(jià)值。

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