姜應(yīng)戰(zhàn)，吳猛猛，孫 團(tuán)，趙冬冬(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜應(yīng)戰(zhàn)，吳猛猛，孫 團(tuán)，趙冬冬
(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

文章提出了一種基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，給出了系統(tǒng)的組成及軟硬件設(shè)計(jì)，為制冷裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的手段。

制冷裝置；模擬系統(tǒng)；微控制器

遠(yuǎn)洋船舶的制冷裝置控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制冷裝置的自動測量、控制、報(bào)警和保護(hù)等功能，通常有傳統(tǒng)的繼電接觸器控制以及PLC控制等。

1 船舶制冷裝置設(shè)備組成

船舶制冷裝置多采用1機(jī)2庫模式，即1臺制冷壓縮機(jī)控制低溫庫和高溫庫，高溫庫庫溫維持在1～5 ℃，低溫庫庫溫維持在-16～-20 ℃。裝置主要有壓縮冷凝機(jī)組、冷藏室、自動控制元件、高低溫庫冷風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、過濾干燥器、回?zé)崞骷爸评溲b置控制系統(tǒng)等[1]，如圖1。

圖1 制冷裝置組成布置圖

制冷循環(huán)工作過程為：冷凝貯液器中液體氟利昂經(jīng)過過濾干燥器，后進(jìn)入回?zé)崞?，在回?zé)崞髦信c來自高低溫冷風(fēng)機(jī)的氣體進(jìn)行熱交換，使液體氟利昂過冷，而后分成2路，一路進(jìn)入低溫庫熱力膨脹閥，節(jié)流到低溫庫的蒸發(fā)壓力，在低溫庫進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，降低低溫庫庫溫；另一路進(jìn)入高溫庫熱力膨脹閥，節(jié)流到高溫庫的蒸發(fā)壓力，在高溫庫進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，降低高溫庫庫溫。蒸發(fā)的氣體氟利昂經(jīng)過回?zé)崞魑雺嚎s機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)將壓縮，進(jìn)入油分離器進(jìn)行油氣分離后進(jìn)入冷凝貯液器完成制冷循環(huán)。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制冷庫溫度、操縱控制信號及制冷系統(tǒng)工作狀態(tài)，以進(jìn)行制冷系統(tǒng)庫溫控制以及系統(tǒng)的故障報(bào)警及保護(hù)。

2 制冷裝置控制系統(tǒng)硬件及軟件組成

制冷裝置控制系統(tǒng)電路如圖2，軟件設(shè)計(jì)原理如圖3。

2.1硬件組成

制冷裝置控制系統(tǒng)采用微控制器進(jìn)行控制，主要用于制冷壓縮機(jī)的啟?？刂?、冷卻水泵的啟停控制、工作方式控制、融霜控制、溫度檢測等，使低溫庫和高溫庫維持在規(guī)定的溫度范圍，同時(shí)對壓縮機(jī)電機(jī)過流、吸入壓力過低、排氣溫度高、滑油溫度高、滑油壓力低及排氣壓力過高等故障報(bào)警或停車等進(jìn)行控制。

2.1.1 微控制器

C8051F060是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型微控制器，具有59個數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成了2個16位、1Msps(采樣百萬次每秒)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。下面列出ADC主要特性[2]：①高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核；②2個16位、1 Msps(采樣百萬次每秒)的ADC，帶存儲器直接訪問(DMA)控制器；③局域網(wǎng)(CAN2.0B)控制器，具有32個消息對象，每個消息對象有其自己的標(biāo)識掩碼；④全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；⑤768 字節(jié)片內(nèi) RAM；⑥10位、200 ksps(采樣千次每秒)的ADC，帶8通道模擬多路開關(guān)；⑦2個12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；⑧64 kB可系統(tǒng)編程的FLASH存儲器；⑨4 352 (4 k+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；⑩可尋址64 kB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。

圖2 制冷裝置控制電路圖

圖3 制冷裝置軟件設(shè)計(jì)原理圖

2.1.2 控制系統(tǒng)信號輸入電路

控制系統(tǒng)輸入信號直接送至MCU端口P0.0～P0.7、P2.0～P2.7、P4.0～P4.2，當(dāng)無輸入信號時(shí)，端口輸入高電平；當(dāng)有輸入信號時(shí)，相應(yīng)端口輸入低電平，以控制制冷裝置的運(yùn)行。

1)控制方式及冷庫選擇?？刂品绞叫盘枌?shí)現(xiàn)制冷裝置的手動或自動控制方式的選擇；冷庫選擇信號，實(shí)現(xiàn)對高溫庫、低溫庫的單獨(dú)控制或者自動運(yùn)行。

2)壓縮機(jī)及水泵控制。手動控制時(shí)，通過壓縮機(jī)及水泵控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對制冷壓縮機(jī)和冷卻水泵的啟、?？刂?。

3)潤滑油加熱器及融霜控制。潤滑油加熱器及融霜控制信號控制潤滑油加熱和冷庫融霜；冷庫融霜時(shí)，制冷循環(huán)停止。

4)保護(hù)及聯(lián)鎖控制。當(dāng)吸入壓力低、排出壓力高、壓縮機(jī)電機(jī)過流、滑油溫度高及滑油壓力低時(shí)，相應(yīng)壓力或溫度繼電器輸出信號送至微控制器，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行保護(hù)；冷卻水流開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)制冷壓縮機(jī)和冷卻水泵的運(yùn)行連鎖，即當(dāng)無冷卻水流動時(shí)，制冷壓縮機(jī)不能啟動。

5)電子型溫度控制器。電子型高溫庫溫控器與低溫庫溫控器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①高、低溫庫的溫度測量和顯示；②溫度下限、上限的設(shè)定,被控設(shè)備的開、?？刂?；③用于壓縮機(jī)停機(jī)延時(shí)時(shí)間的設(shè)定和控制；④溫度傳感器故障顯示(開路或短路)；⑤對測溫采用軟件校正，保證測溫精度。

2.1.3 壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、供液電磁閥、滑油加熱器及融霜控制電路

通過微控制器輸出端口P1.0～P1.6，經(jīng)達(dá)林頓驅(qū)動芯片2803及固態(tài)繼電器(SSR)，實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、供液電磁閥、蜂鳴器、滑油加熱器及融霜控制。

2.1.4 指示燈及蜂鳴器控制電路

通過微控制器輸出端口P3.1～P3.7，經(jīng)達(dá)林頓驅(qū)動芯片2803及固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行指示、壓縮機(jī)運(yùn)行指示、高溫庫運(yùn)行指示、低溫庫運(yùn)行指示、故障指示、融霜指示、蜂鳴器報(bào)警等。

2.1.5 CAN總線

微控制器內(nèi)部CAN微控制器的收發(fā)端通過IS 01050收發(fā)驅(qū)動電路，變換成CAN總線電平標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)制冷裝置控制系統(tǒng)與船舶集控室的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)集控室對制冷裝置的遙控控制與制冷裝置參數(shù)的集中指示。

2.2軟件組成

制冷裝置軟件設(shè)計(jì)原理如圖3。

制冷裝置控制系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)制冷裝置的狀態(tài)指示、參數(shù)顯示、工作方式選擇、泵的啟停控制、壓縮機(jī)的啟?？刂啤櫥图訜崛谒刂埔约肮收巷@示與處置等。

3 結(jié)束語

本文提出的基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)方案合理、經(jīng)濟(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

[1] 高翔.艦船輔助機(jī)械[M].北京:國防工業(yè)出版社，2005.

[2] 潘琢金．C8051F060/1/2/3/4/5/6/7混合信號ISP FLASH 微控制器數(shù)據(jù)手冊[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

In this paper,design and realization of marine refrigerating plant control system are given based on microcontroller C8051F060,together with the systematic composition and soft/hard wares,which offers an effective measure for designing the control system of the refrigerating plant.

refrigerating plant;control system;microcontroller

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.012

姜應(yīng)戰(zhàn)(1962-)，男，山東文登人，副教授，碩士，研究方向?yàn)榕灤姎饪刂啤?/p>

2015-07-06