熊正華，鳳 勇，向 波

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611130)

船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的形成與發(fā)展和機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展是緊密相連的［1］，ME型柴油機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)采用PID調(diào)速的電子調(diào)速系統(tǒng)［2］，利用控制系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)或程序確保柴油機(jī)正常工作，如啟動閥的啟停、排氣閥啟停、柴油機(jī)的正反轉(zhuǎn)、發(fā)火順序、噴油正時和噴射模式選擇、汽缸潤滑油的供給等控制功能，主要包括 ACU、CCU、ECU、EICU、SCU、CWCU、MOP以及ECS等模塊。

1 ME型主機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文采用容積法實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程計算模型，主要做如下假設(shè)。

工質(zhì)在缸內(nèi)壓力、溫度和成分均勻，工質(zhì)的流入和流出當(dāng)作準(zhǔn)恒定流過程，不考慮動能，循環(huán)流入汽缸的氣體與缸內(nèi)廢氣可以看作為瞬時完全混合［3］;從高壓油泵噴射入缸內(nèi)的燃油與空氣完全混合，充分燃燒;忽略工質(zhì)在柴油機(jī)工作時缸內(nèi)發(fā)生泄漏所造成的損失。

除了傳統(tǒng)柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型外，ME型柴油機(jī)還包括高壓油泵、共軌管和噴油器模型。

1)高壓油泵模型。在主機(jī)整個供油系統(tǒng)過程的高壓油泵模型，與物理參數(shù)有關(guān)的表達(dá)式如式 (1):

2)共軌管模型。共軌管為燃油提供一個穩(wěn)定的油壓，共軌管中燃油的壓力變化的表達(dá)式如式 (2):

3)噴油器模型。當(dāng)ECU接受到反饋信號后把最優(yōu)的噴油量、噴油率以及噴油時間的信號發(fā)送給電控噴油器。噴油器的模型公式如式 (3):

式中:mf為噴油器所控制電磁閥的噴油量;Km是一個常數(shù);ti為連續(xù)噴油的時間;ρ為主機(jī)中燃油的密度;Pg為共軌系統(tǒng)中燃油的壓力。

2 ME型主機(jī)遙控系統(tǒng)仿真設(shè)計

2.1 主機(jī)遙控系統(tǒng)功能與仿真設(shè)計

圖1所示，智能柴油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)集控臺、駕控臺和機(jī)旁臺3種控制位控制;同時，在集控臺和駕控臺上有4臺計算機(jī)實(shí)現(xiàn)ME型主機(jī)的智能監(jiān)測和控制，通過控制軟件MOP實(shí)現(xiàn)主機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定與監(jiān)測。

圖1 主機(jī)遙控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

柴油機(jī)主控仿真系統(tǒng)有3套網(wǎng)絡(luò):集控臺上4臺計算機(jī)、駕控臺計算機(jī)以及服務(wù)器 (教練員)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1組成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)教練員數(shù)學(xué)模型與監(jiān)控計算機(jī)軟件的實(shí)時數(shù)據(jù)交換。集控臺、駕控臺、機(jī)旁臺等半實(shí)物模塊與服務(wù)器由交換機(jī)2組成分布式網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制計算機(jī) (A/D和D/A轉(zhuǎn)換)與服務(wù)器上位機(jī)通訊。另外，集控臺上的煙霧探測系統(tǒng)、船舶速度指示、主輔機(jī)燃油黏度控制面板、主機(jī)透平增壓器轉(zhuǎn)速指示、主機(jī)轉(zhuǎn)速計數(shù)器、側(cè)推控制單元、主機(jī)安保系統(tǒng)、主機(jī)性能監(jiān)測顯示單元、主機(jī)延伸報警單元和火警復(fù)示報警器等10個主機(jī)輔助控制模塊采用了CAN總線方式實(shí)現(xiàn)了與服務(wù)器的上位機(jī)軟件之間的實(shí)時通訊。服務(wù)器上運(yùn)行仿真平臺 (數(shù)學(xué)模型)程序和上位機(jī)軟件采用進(jìn)程通訊。

2.2 主機(jī)輔助控制模塊CAN通訊

10個輔助控制模塊與服務(wù)器上位機(jī)軟件采用CAN盒實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上行和下行雙工通訊，CAN通訊的上下行是一個逆過程，本文以數(shù)據(jù)的上行為例進(jìn)行分析。控制模塊上行分為嵌入式模塊、CAN總線和服務(wù)器3層結(jié)構(gòu)，控制面板的按鍵、開關(guān)等響應(yīng)經(jīng)過嵌入式模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，發(fā)送線程定時將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議ID控制幀地址向上位機(jī)發(fā)送本控制模塊數(shù)據(jù)。上位機(jī)程序初始化運(yùn)行便啟動接收線程，采用輪詢的方式輪流接受各控制幀發(fā)送的數(shù)據(jù)并緩存到內(nèi)存映射文件中，程序設(shè)計流程如圖2所示。

3 主機(jī)遙控系統(tǒng)MOP設(shè)計

ME型智能柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)測主要在控制軟件MOP上實(shí)現(xiàn)。MOP軟件采用了模塊化思想和動態(tài)鏈接庫技術(shù)，如圖3所示。MOP軟件包括報警單元、主機(jī)單元、輔助單元、維護(hù)單元、管理單元和輪機(jī)長權(quán)限單元等多個模塊，每個模塊又包括具體的子模塊，如報警模塊包括報警列表、報警記錄、手動剪切報警、報警通道等子模塊。

3.1 MOP軟件數(shù)據(jù)庫及動態(tài)鏈接庫

本文采用了Access數(shù)據(jù)庫設(shè)計報警列表數(shù)據(jù)庫設(shè)計、報警記錄數(shù)據(jù)庫設(shè)計、手動剪切報警數(shù)據(jù)庫設(shè)計、報警通道列表數(shù)據(jù)庫設(shè)計、報警模塊關(guān)系數(shù)據(jù)庫。主要通過Visual C++的DAO提供的添加、刪除、查詢和修改等API函數(shù)實(shí)時管理后臺數(shù)據(jù)庫RecordSet記錄集。表1為報警列表數(shù)據(jù)庫字段設(shè)計描述。

圖2 CAN總線數(shù)據(jù)上行流程

圖3 主控軟件MOP子模塊

表1 報警列表數(shù)據(jù)庫設(shè)計

續(xù)表1 報警列表數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.2 主機(jī)控制單元ECU仿真

主機(jī)控制單元ECU具有以下功能:啟停邏輯、主機(jī)速度控制與限制、發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式控制等，在MOP的程序設(shè)計過程中，由Engine模塊中的Operation、Status、Process Information等模塊構(gòu)成。

主機(jī)啟動需滿足啟動條件、正常的運(yùn)行狀態(tài)、盤車機(jī)位置、啟動空氣壓力、控制空氣壓力、鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、曲柄轉(zhuǎn)角的位置、液壓油的壓力等參數(shù)時方可啟動，當(dāng)主機(jī)啟動失敗時，可進(jìn)行2次重啟動。