謝木森， 李 賀

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

XIE Musen， LI He

基于ARM的貨油泵透平控制裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝木森， 李 賀

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是貨油泵系統(tǒng)的核心設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)報(bào)警及安全保護(hù)等功能的要求較高，透平控制裝置是其關(guān)鍵組成部分。通過(guò)對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行流程進(jìn)行介紹，分析透平驅(qū)動(dòng)控制裝置的功能需求；運(yùn)用ARM技術(shù)搭建透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制裝置的軟硬件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)保護(hù)。通過(guò)軟件、硬件調(diào)試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)貨油泵透平驅(qū)動(dòng)控制裝置的研發(fā)。該裝置的成功研發(fā)和實(shí)船應(yīng)用有利于我國(guó)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

船舶工程；ARM；透平控制裝置；μC/OS-II；透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

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

貨油泵系統(tǒng)是用來(lái)向外部泵送油船、化學(xué)品船和補(bǔ)給船等船舶液貨艙內(nèi)的液貨的設(shè)備，透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是其核心設(shè)備，主要用于貨油泵的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。透平控制裝置[1]是透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)報(bào)警和安全保護(hù)，實(shí)時(shí)性要求高。透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能多、技術(shù)難度大、需要監(jiān)測(cè)控制的情況復(fù)雜，目前我國(guó)對(duì)該系統(tǒng)的研發(fā)生產(chǎn)還處于起步階段。

上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所運(yùn)用ARM(Advanced RISC Machines)技術(shù)研制了一款針對(duì)大型貨油泵透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的透平控制裝置，完全能實(shí)現(xiàn)對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，并提供安全保護(hù)策略，迅速處理各種報(bào)警信息。該透平控制裝置已通過(guò)實(shí)船試驗(yàn)，完全符合實(shí)船應(yīng)用要求。

1 裝置概述

1.1透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理

透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由透平機(jī)、調(diào)速器(包括配速電動(dòng)機(jī)、齒輪泵等)、速關(guān)閥組件(包括速關(guān)調(diào)節(jié)閥、速關(guān)閥執(zhí)行油缸及速關(guān)閥控制電磁閥)、齒輪箱、潤(rùn)滑油系統(tǒng)(包括輔油泵、主油泵、油箱、液壓管路及冷卻器等)、蒸汽管路、超速保護(hù)裝置和電氣控制系統(tǒng)(包括透平控制模塊、機(jī)旁控制箱及控制面板)等組成[2]，其結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本運(yùn)行流程[3]見(jiàn)圖2，包括啟動(dòng)備機(jī)工況、升速運(yùn)行工況、恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況、透平轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)工況、正常停機(jī)減速工況和應(yīng)急停止減速工況。

圖1 透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

圖2 透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行流程

1.2透平控制裝置功能

通過(guò)梳理透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程可知，透平控制裝置需具備實(shí)時(shí)控制、安全保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能。[4]

1.2.1實(shí)時(shí)控制功能

實(shí)時(shí)控制包括對(duì)調(diào)速器、速關(guān)控制電磁閥和輔油泵等設(shè)備的控制[5]，以實(shí)現(xiàn)以下4種功能。

(1) 本地/遠(yuǎn)程切換功能：本地指透平控制裝置的控制面板，遠(yuǎn)程指延伸貨控室控制面板，本地控制的優(yōu)先級(jí)要高于遠(yuǎn)程控制。

(2) 啟動(dòng)功能：若滿足啟動(dòng)條件，則在收到啟動(dòng)指令后首先啟動(dòng)輔油泵；其次打開(kāi)速關(guān)控制電磁閥；最后微開(kāi)速關(guān)調(diào)節(jié)閥手輪，讓高壓熱蒸汽進(jìn)入汽缸進(jìn)行暖缸疏水，當(dāng)透平機(jī)轉(zhuǎn)速<700 r/min時(shí)保持輔油泵強(qiáng)制運(yùn)行。

(3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能：?jiǎn)?dòng)加速階段，當(dāng)透平機(jī)轉(zhuǎn)速≥700 r/min時(shí)，根據(jù)輔油泵滑油壓力的高低判斷是否運(yùn)行，通過(guò)調(diào)速器的配速電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制速關(guān)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)配速。

(4) 停止功能：當(dāng)有停機(jī)指令(正常停機(jī)、緊急停機(jī)和安保動(dòng)作停機(jī))時(shí)，立即關(guān)閉速關(guān)控制電磁閥，切斷速關(guān)調(diào)節(jié)閥，同時(shí)啟動(dòng)輔油泵并延時(shí)運(yùn)行0.5 h后停機(jī)。

1.2.2安全保護(hù)功能

安全保護(hù)包括對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，檢測(cè)一類故障，以保護(hù)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一類故障包括透平超速、輔油泵滑油壓力過(guò)低、排氣壓力過(guò)高和轉(zhuǎn)子軸向位移過(guò)大等故障，檢測(cè)到此類故障時(shí)執(zhí)行聲光報(bào)警，發(fā)出停機(jī)報(bào)警指令。

1.2.3狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能

狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，檢測(cè)二類故障，報(bào)警響應(yīng)及在控制面板上顯示相關(guān)信息。二類故障包括輔油泵滑油壓力低、輔油泵滑油及齒輪箱軸承溫度高和轉(zhuǎn)子軸向位移大等故障，檢測(cè)到此類故障時(shí)要求只執(zhí)行聲光報(bào)警。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件模塊簡(jiǎn)介

基于實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性考慮，透平控制裝置使用上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所自主研發(fā)的FCU01模塊及其拓展模塊EDDO。該模塊的安全性和可靠性高，搭配μC/OS-II操作系統(tǒng)表現(xiàn)卓越。[6-7]

基于LPC2378芯片的FCU01模塊提供了豐富的接口資源；LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微處理器， FCU01及EDDO模塊接口資源見(jiàn)表1。

2.2硬件結(jié)構(gòu)

透平控制裝置的控制中樞由控制模塊CU(Control Unit)和安保模塊ESU(Emergency Service Unit)組成，既可通過(guò)I/O讀取各傳感器的數(shù)據(jù)聯(lián)接控制面板和繼電器組，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，又可通過(guò)RS485通信接口進(jìn)行軟件調(diào)試。硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

ESU主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)、檢測(cè)故障、發(fā)出報(bào)警和報(bào)警應(yīng)答等。CU通過(guò)對(duì)調(diào)速器、輔油泵和速關(guān)控制電磁閥等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟停控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和報(bào)警處理。

表1 FCU01及EDDO模塊接口資源

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1μC/OS-II任務(wù)分配

1)移植μC/OS-II精簡(jiǎn)內(nèi)核到LPC2378芯片上。[8-9]μC/OS-II操作系統(tǒng)是一個(gè)完整、可移植、可固化和可裁剪的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II的絕大部分代碼是用ANSI的C語(yǔ)言編寫的，包含小部分匯編代碼，能在FCU01模塊上穩(wěn)定運(yùn)行，且源碼公開(kāi)，便于移植和維護(hù)。

2)初始化μC/OS-II系統(tǒng)并創(chuàng)建外設(shè)硬件驅(qū)動(dòng)程序BSP_Init()，建立1個(gè)開(kāi)始任務(wù)StartTask()，用來(lái)啟動(dòng)μC/OS-II操作系統(tǒng)；建立5個(gè)子任務(wù)，用來(lái)執(zhí)行處理主程序。[10-11]

3)調(diào)用OSStart()函數(shù)來(lái)開(kāi)啟μC/OS-II。

表2為任務(wù)屬性，給出需要執(zhí)行的任務(wù)及其優(yōu)先級(jí)、堆棧大小和分配的時(shí)間長(zhǎng)度。

3.2軟件運(yùn)行流程

安保和控制模塊軟件的運(yùn)行流程見(jiàn)圖4。

表2 任務(wù)屬性

a)安保模塊軟件b)控制模塊軟件

圖4 安保和控制模塊軟件的運(yùn)行流程

當(dāng)上電復(fù)位或按鍵復(fù)位時(shí)，軟件進(jìn)行初始化操作，包括對(duì)主程序變量、RS485通信及輸入輸出信息的初始化。

3.3控制軟件

以CU模塊的軟件為例，通過(guò)AnalogTask()任務(wù)中輔油泵和速關(guān)控制電磁閥等設(shè)備的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

3.3.1輔油泵控制

輔油泵自動(dòng)狀態(tài)下的控制源碼為

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; }

當(dāng)透平機(jī)轉(zhuǎn)速≥700 r/min時(shí)，Turb_over7=0x55，根據(jù)輔油泵滑油壓力的高低決定是否運(yùn)行輔油泵；當(dāng)透平機(jī)轉(zhuǎn)速<700 r/min時(shí)，Turb_over7=0xaa，保持輔油泵強(qiáng)制運(yùn)行。若輔油泵滑油壓力高和滑油壓力低2個(gè)信號(hào)同時(shí)觸發(fā)，則說(shuō)明出現(xiàn)傳感器故障，應(yīng)啟動(dòng)輔油泵。

3.3.2速關(guān)控制電磁閥

一類故障觸發(fā)停車報(bào)警時(shí)，CU模塊收到ESU模塊的停機(jī)指令，啟動(dòng)速關(guān)控制電磁閥。速關(guān)控制電磁閥的控制源碼如下。

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;}

當(dāng)一類報(bào)警A_alarm=0x55時(shí)，關(guān)斷速關(guān)控制電磁閥Turb_stop_valve=0x55；只有先執(zhí)行復(fù)位操作Reset_key=0x55，才能重新開(kāi)啟速關(guān)控制電磁閥。

4 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

4.1透平控制裝置的實(shí)現(xiàn)

軟件開(kāi)發(fā)運(yùn)用Keil軟件，使用U-Link II將軟件加載到透平控制裝置的控制中樞上進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。2個(gè)模塊軟件運(yùn)行流暢，能聯(lián)接控制面板和內(nèi)部繼電器組。透平控制裝置控制面板見(jiàn)圖5。

4.2軟件調(diào)試驗(yàn)證

計(jì)算機(jī)首先通過(guò)RS485通信接口連接到控制中樞的2個(gè)模塊，再外接輸入調(diào)試環(huán)境進(jìn)行軟件調(diào)試。軟件的調(diào)試環(huán)節(jié)采用北爾iX Developer 2.0軟件。該軟件既可輕松創(chuàng)建合理、靈活且高效的操作面板應(yīng)用軟件，提供良好的人機(jī)界面，還支持.NET組件等第三方組件，并通過(guò)C#腳本語(yǔ)言創(chuàng)建自定義功能。CU和ESU模塊的調(diào)試界面見(jiàn)圖6和圖7。

北爾iX Developer 2.0軟件可提供各種控制條件，模擬升降轉(zhuǎn)速、觸發(fā)各類報(bào)警、消聲定光、正?；蚓o急停車等透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，觀察燈的亮滅和繼電器的動(dòng)作等情況，判斷軟件的邏輯是否正確、動(dòng)作是否及時(shí)，并檢測(cè)軟件的容錯(cuò)能力。經(jīng)驗(yàn)證，各功能模塊運(yùn)行正常，能根據(jù)實(shí)船要求成功地對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行功能控制和監(jiān)測(cè)保護(hù)。

圖5 透平控制裝置控制面板

圖6 CU模塊調(diào)試界面

圖7 ESU模塊調(diào)試界面

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ARM技術(shù)，以ARM7核的FCU01模塊為硬件平臺(tái)，以μC/OS-II操作系統(tǒng)為軟件運(yùn)行平臺(tái)對(duì)貨油泵透平控制裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，充分利用ARM的高實(shí)時(shí)、多任務(wù)和高執(zhí)行效率等特點(diǎn)，注重實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，成功地實(shí)現(xiàn)透平控制裝置對(duì)透平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)。該控制裝置操作方便、準(zhǔn)確性高，在實(shí)船上的運(yùn)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和軟硬件的可靠性。

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DesignandImplementationofARM-BasedTurbineControllerforCargoOilPumpingSystem

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

U664.58

A

2016-01-26

謝木森(1991—)，男，山東淄博人，碩士生，主要從事嵌入式設(shè)備研發(fā)。E-mail:746947037@qq.com 李 賀(1988—)，男，江蘇徐州人，助理工程師，主要從事主機(jī)遙控監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)研究。E-mail:lhe881023@163.com

1000-4653(2016)02-0031-04