林 炎

(中鐵福船海洋工程有限責(zé)任公司，福建 福州350015)

0 引言

最初船用閥門的控制系統(tǒng)主要依賴作業(yè)人員現(xiàn)場手控，操作簡單，精度較低，只有打開、暫停、關(guān)閉三種狀態(tài)，甚至沒有遠(yuǎn)距離遙控的概念，僅能滿足船舶簡單的裝載或卸載需要。隨著我國工業(yè)化水平的提高，船舶技術(shù)迅速發(fā)展，為滿足運(yùn)載需要，船舶的吃水深度越來越高，噸位越來越大，尤其在化學(xué)品船、大型油船等有特殊用途的船舶類型中，閥門控制系統(tǒng)已經(jīng)成為影響裝載和卸載效率的限制因素。為滿足新時代船舶發(fā)展的需求，船舶設(shè)計部門提出“閥門遙控技術(shù)”的概念，將其應(yīng)用于大型、超大型的船舶中，并與監(jiān)控系統(tǒng)緊密結(jié)合，成為現(xiàn)代船舶重要的組成部分。因此，研究船舶遙控系統(tǒng)對于我國船舶及其相關(guān)工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

船舶遙控系統(tǒng)經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)由模擬控制面板轉(zhuǎn)向計算機(jī)控制平臺。傳統(tǒng)模擬控制面板遙控系統(tǒng)獨(dú)立于船舶內(nèi)其他控制系統(tǒng)，有單獨(dú)的軟件系統(tǒng)和處理單元，安全可靠，但自動化水平較低，無法與現(xiàn)代化船舶新型艙室控制體系進(jìn)行協(xié)調(diào)自洽，于是計算機(jī)控制平臺開始出現(xiàn)，并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)遙控系統(tǒng)成為新一代船用閥門控制系統(tǒng)的核心。計算機(jī)控制平臺的空間要求更小，與船舶內(nèi)其他控制系統(tǒng)的結(jié)合更加方便，能夠更好地實(shí)現(xiàn)整個船艙內(nèi)的資源共享，為船舶艙內(nèi)系統(tǒng)的完全集成化提供了研究方向和技術(shù)基礎(chǔ)。

本文闡述了船用閥門控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，詳細(xì)分析了船舶閥門控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，并從間接式閥位指示技術(shù)和電液集成式閥門遙控技術(shù)兩個方面研究船舶閥門遙控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，旨在推動國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究，使得我國能夠自行掌握該系統(tǒng)的核心技術(shù)，突破國外對該領(lǐng)域的壟斷，提高國產(chǎn)化船舶設(shè)備的裝船率。

1 船用閥門控制系統(tǒng)總體設(shè)計

船用閥門控制系統(tǒng)分兩個主要部分：上位機(jī)、現(xiàn)場控制器，這兩部分的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 雙CAN總線閥門控制系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖

上機(jī)位主要為控制單元，包括遠(yuǎn)程控制板和現(xiàn)場控制板。遠(yuǎn)程控制板安裝在控制室或者機(jī)艙集控室的控制臺上，并配有模擬管系圖的人機(jī)交互界面，用來顯示和管理閥門的狀態(tài)和參數(shù)，從而使用戶能更直觀地了解系統(tǒng)運(yùn)行情況并方便控制。當(dāng)然，也可以在現(xiàn)場控制板上進(jìn)行控制。而現(xiàn)場控制器的微控制器裝置能夠遵從上機(jī)位指令進(jìn)行閥門控制，并反饋上傳現(xiàn)場信息，保證上位機(jī)與閥門現(xiàn)場的通訊聯(lián)系。

操作人員在上位機(jī)位置對閥門的開閉狀態(tài)進(jìn)行控制，現(xiàn)場控制器將船艙閥門的實(shí)際狀態(tài)和信息參數(shù)反饋給上位機(jī)，這之間主要通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)總線進(jìn)行通信。CAN是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是多絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：傳輸更隱蔽；信號傳輸?shù)亩處Y(jié)構(gòu)傳輸時間短，受干擾率低；總線信號傳遞速率快，傳輸距離遠(yuǎn)，可掛接設(shè)備數(shù)多，節(jié)點(diǎn)控制靈活。CAN總線在出現(xiàn)故障時會自動切換至備用主線系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保整個船艙系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 船用閥門控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)系統(tǒng)的硬件包括計算機(jī)控制系統(tǒng)和CAN總線接口卡兩個主要部分。將集成了CAN通道的適配卡通過采集卡插槽與主機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制系統(tǒng)與CAN總線的數(shù)據(jù)通訊，對下游控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

2.2 現(xiàn)場控制器設(shè)計

現(xiàn)場控制器的核心元件為微控制器，微控制器是由各種型號的芯片核心組成的工控模塊，其內(nèi)部包括CAN總線控制模塊。目前船用閥門遙控系統(tǒng)多采用ARM(Advanced RISC Machine，ARM)處理器作為其可編程智能微型控制器。ARM處理器采用了精簡指令集計算機(jī)(Reduced Instruction Set Computer, RISC)指令結(jié)構(gòu)，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計算機(jī)要簡單得多，具有高指令吞吐量、出色的實(shí)時中斷響應(yīng)、小且高性價比的處理器宏單元等特點(diǎn)。ARM處理器具有優(yōu)異的性能，不僅功耗低，使用門的數(shù)量還很少，很適合用于對于功耗要求嚴(yán)格的船用閥門控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場控制器除微控制器外，還包含小型電機(jī)、液壓缸及相關(guān)配套設(shè)備、傳感器、電流檢測裝置等。

整個現(xiàn)場控制器的硬件系統(tǒng)如圖2所示。

上位機(jī)通過CAN總線傳遞指令到微控制器，微控制器控制電機(jī)、液壓缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來執(zhí)行指令，并通過傳感器測量閥門旋轉(zhuǎn)角度對實(shí)際開閉程度進(jìn)行監(jiān)控；通過電流檢測裝置對電機(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)反饋到上機(jī)位。

3 船用閥門控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

與硬件設(shè)計一樣，我國現(xiàn)代船舶閥門遙控系統(tǒng)的軟件設(shè)計也包括兩個部分：上位機(jī)軟件系統(tǒng)和現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測各閥門狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制閥門運(yùn)行。目前常用的上位機(jī)軟件系統(tǒng)界面多是由VB6.0進(jìn)行開發(fā)的。在軟件啟動后，系統(tǒng)首先會自動進(jìn)行初始化設(shè)置，然后形成監(jiān)控界面，進(jìn)入運(yùn)行模式。現(xiàn)場控制器軟件獨(dú)立于上位機(jī)軟件系統(tǒng)，應(yīng)用C語言編程進(jìn)行開發(fā)，這種設(shè)計方式可以有效提高現(xiàn)場控制器軟件的程序可讀性和可移植性。現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)的主要功能包括閥門狀態(tài)和運(yùn)行過程信息的采集和監(jiān)測、閥門控制動作的執(zhí)行、與上位機(jī)系統(tǒng)的連接與通訊等?，F(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計包括主程序的設(shè)計和CAN通信設(shè)計，以及相關(guān)連接程序的設(shè)計。主程序負(fù)責(zé)各閥門數(shù)據(jù)信息的采集、接受上位機(jī)系統(tǒng)信號、執(zhí)行運(yùn)行指令等?，F(xiàn)場控制器包括現(xiàn)場和遠(yuǎn)程兩種控制方式。在現(xiàn)場控制模式下，操作人員通過手動操作對閥門進(jìn)行控制，上位機(jī)只能通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；在遠(yuǎn)程遙控模式下，上位機(jī)能夠通過下達(dá)指令，經(jīng)由現(xiàn)場控制軟件對閥門進(jìn)行控制。CAN通信設(shè)計負(fù)責(zé)CAN總線相關(guān)的各條數(shù)據(jù)信息的整合和維護(hù)，功能較為單一，程序設(shè)計較為簡單。

圖2 船用閥門遙控系統(tǒng)現(xiàn)場控制器框架圖

4 船用閥門遙控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 間接式閥位指示技術(shù)

間接式閥位指示技術(shù)的核心是指示閥門的設(shè)計和研發(fā)。指示閥門需要通過測量元件對閥門因每次驅(qū)動引起的機(jī)械誤差和溫度變化導(dǎo)致的管路容積變化進(jìn)行測量，對閥門實(shí)際開閉狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)控。指示閥門的技術(shù)元件包括計量油缸型閥位指示器和壓力溫度補(bǔ)償模塊。閥位指示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括位控閥、旋轉(zhuǎn)芯軸、螺釘銷軸、導(dǎo)向銷軸、測顯機(jī)構(gòu)、缸體、端蓋、活塞等。閥位指示器串聯(lián)于低壓控制回路，由流經(jīng)其中的液體通過活塞進(jìn)行驅(qū)動，以保持閥門的開閉狀態(tài)。壓力溫度補(bǔ)償模塊可以保證間接測量的結(jié)果不會因管路長度、油溫變化等原因受到影響，模塊由阻尼孔、換向閥、單向閥、閥芯、閥體等結(jié)構(gòu)組成。閥芯可對油路的連通情況進(jìn)行控制，保證在工作過程中油路內(nèi)油壓始終處于低壓水平，避免管路過長和油溫變化帶來的誤差影響；模塊底部的連接面多采用圓形槽，以保證油路的密封性；換向閥能夠通過壓力油的流向?qū)﹂y門開閉進(jìn)行控制。壓力溫度補(bǔ)償模塊在組建完成后需要對其換向性能、滑閥技能、耐壓性等性能進(jìn)行測試，還要經(jīng)過內(nèi)、外泄漏試驗(yàn)和壓力損失試驗(yàn)等才能正式投入使用。

4.2 電液集成式閥門遙控技術(shù)

電液集成式船用閥門的遙控技術(shù)在最近幾年得到得到快速發(fā)展，并迅速應(yīng)用于現(xiàn)代船舶的遙控閥門控制系統(tǒng)。電液集成式遙控閥門的核心組件包括閥門驅(qū)動裝置和控制模塊。閥門驅(qū)動裝置的原理為：在接到上位機(jī)指令后閥門驅(qū)動裝置的泵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力油輸出并流入活塞腔推動齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，控制閥門的開閉。電液集成式閥門驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)的閥門驅(qū)動裝置相比，增添了閥位指示器、控制閥板、電液集成式液壓泵機(jī)組等組件，通過控制閥板改變壓力油的泵出流向，實(shí)現(xiàn)閥門的轉(zhuǎn)動。閥位指示器通過現(xiàn)場微型感受器對閥門開閉狀態(tài)和位置信息進(jìn)行監(jiān)控和指示。電液集成式船用閥門驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單、元件較少、控制精準(zhǔn)，近年來在國內(nèi)外遠(yuǎn)航船舶中應(yīng)用較為廣泛?？刂颇K主要用于各裝置信息的整合和分析，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)信息對各閥門運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。目前最常用的控制模塊是各種型號的嵌入式工程控制模塊，這種控制模塊可通過C語言函數(shù)實(shí)現(xiàn)對各種操作指令的編寫和下達(dá)，并與CAN總線系統(tǒng)相連，完成數(shù)據(jù)通訊。新型迷你可編程智能系統(tǒng)能耗大幅度降低，硬件結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更完善，用戶程序更簡潔，已經(jīng)應(yīng)用于電液集成式船用閥門遙控系統(tǒng)之中。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，船用閥門的控制系統(tǒng)為滿足現(xiàn)代船舶的實(shí)際需求不斷進(jìn)行更新?lián)Q代，新型遙控系統(tǒng)依托計算機(jī)技術(shù)與船艙監(jiān)控系統(tǒng)相互結(jié)合，成為新型船舶系統(tǒng)中重要的一環(huán)。然而，船用閥門的遙控系統(tǒng)自主研發(fā)難度大，需要突破的科技難題較多，經(jīng)濟(jì)附加值巨大，核心技術(shù)被國外船舶制造企業(yè)壟斷，一直是制約我國現(xiàn)代船舶自動化裝卸載技術(shù)發(fā)展的重要原因。當(dāng)前，我國船用閥門遙控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過多年努力已經(jīng)取得部分突破，電液集成技術(shù)、遙控技術(shù)等新型控制技術(shù)獲得發(fā)展，國產(chǎn)設(shè)備在現(xiàn)代船舶的裝船率正在不斷提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王良武,李瑋,謝承利,等. 船用電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)潛水性能試驗(yàn)研究[J]. 船海工程, 2014，43(6):48-51,54.

[2] 黃自瑩,吳建國,章智敏. 基于冗余 CAN總線的船用閥門嵌入式控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù), 2011(10):7-12.

[3] 盛巍巍,吳建國,杜文靜. 基于CAN總線的船用閥門控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 工業(yè)控制計算機(jī), 2010(8):36-37.

[4] 衛(wèi)少克. 船用閥門遙控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 船舶工程, 2013，35(3):76-77,93.