胡俊　余峰　李加剛　張斯其　張義科

摘要：船舶燃油供油單元是船舶動力系統(tǒng)中最重要的組成部分，隨著重油在商船中的廣泛使用，設(shè)計合理的供油單元以及提高輪機管理人員的專業(yè)技能十分關(guān)鍵。設(shè)計并實現(xiàn)了基于單片機的供油單元的實訓裝置，該裝置基于MCS80C51單片機，仿真了供油單元的相關(guān)設(shè)備，同時設(shè)計了人機交互界面，提高了該裝置的實用性，滿足了廣大航海院校師生教學需求。

關(guān)鍵詞：船舶;供油單元;實訓裝置;單片機

中圖分類號：U665

文獻標識碼：A

DOI：10.1591 3/j .cnki.kjycx.2019.09.013

目前，幾乎所有的船舶都設(shè)置了燃油供油單元，目的在于高效地利用好燃用重油，便于控制和管理。供油單元可以對燃油的粘度和溫度進行自動控制，主要對燃油粘度進行控制。船舶柴油機燃油粘度控制是一種較復雜的動態(tài)系統(tǒng)，具有一定的非線性、時變不確定性、時滯特性等特點。同時，燃油受到一些環(huán)境、人為因素的影響，其粘度變化也是隨機的，這使控制系統(tǒng)的過程參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化。為了使輪機管理人員和航海類院校的學生更好地理解燃油系統(tǒng)的工作原理和控制過程，本課題根據(jù)國際海事組織機構(gòu)相關(guān)要求，設(shè)計并實現(xiàn)了一套適合于船員評估和實驗教學的實驗室仿真“基于單片機的供油單元”，以方便理論授課與實踐操作相結(jié)合，讓學員更好地理解實船的系統(tǒng)及設(shè)備的運行原理、維修保養(yǎng)及故障分析，提高分析問題、解決問題的能力[1]。

1 阿法拉伐供油單元供油系統(tǒng)組成

阿法拉伐原創(chuàng)的燃油供油單元如圖1所示，該燃油供油單元具有較高的強度和靈活性，因此，滿足當今的船舶的需求。阿法拉伐新推出的燃油供油單元不僅整合了加熱和冷卻功能，而且實現(xiàn)了同一控制器驅(qū)動同一模塊。

該裝置不僅可以精確地匹配不同規(guī)格的發(fā)動機，而且能夠?qū)Χ喾N燃油進行處理，對燃油進行混合，對重油與輕油之間的自動切換進行控制，還可以使輪機管理人員根據(jù)具體情況，靈活地選擇燃油，使燃油滿足相關(guān)的要求和提高能源效率。對于燃燒殘油和蒸餾油的船舶來說，阿法拉伐供油單元還擁有更加安全和快捷的轉(zhuǎn)換功能。該燃油供油單元的控制系統(tǒng)可以確保燃油參數(shù)平穩(wěn)，使燃油有序升溫，而不受柴油機負荷的影響。它實現(xiàn)這個目標的原因是基于燃油的粘度在溫度變化的同時維持在很小的范圍內(nèi)，這樣可以避免因為粘度波動觸發(fā)報警，使處理速度加快，這將有效地縮短燃油轉(zhuǎn)換時間，消耗更少的蒸餾油[2]。

2 阿法拉伐供油單元供油控制系統(tǒng)

為了解決現(xiàn)代商船上的燃油供給和自動控制，阿法拉伐公司專門設(shè)計的供油單元FCM可對燃油系統(tǒng)自動監(jiān)視和對燃油的粘度控制，實現(xiàn)這些功能的核心是控制器EPC-50B。供油單元組成如圖2所示。

燃油從混合桶進入高壓級，其中包括循環(huán)泵、燃油加熱器、溫度傳感器PTIOO、壓力傳感器和粘度傳感器EVT20。為了防止燃料噴油器干轉(zhuǎn)，流量在此階段總是設(shè)置為多于實際油耗率。系統(tǒng)中流量和壓力由主機制造商決定。粘度傳感器測量燃油粘度并發(fā)送一個信號到控制器，它的粘度值與主機造商粘度值進行比較。根據(jù)粘度要求，控制器使加熱器使燃油加熱到相應的粘度值。系統(tǒng)中的壓力由回油管路上背壓閥決定。如果燃油系統(tǒng)壓力下降，系統(tǒng)自動激活備用泵和觸發(fā)器“泵轉(zhuǎn)變”報警，指示燈顯示哪一個泵在運行。

3 阿法拉伐供油單元控制系統(tǒng)分析

同一種燃油的溫度變化要比粘度變化敏感一些，所以供油單元采用溫度和粘度的定值控制。這二種控制可以互為備用，來提高控制系統(tǒng)的可靠性。溫度傳感器PTIOO和粘度傳感器EVT-20分別監(jiān)測燃油的出口溫度和粘度，并將溫度和粘度大小轉(zhuǎn)換成標準的電流信號和電壓信號。EPC50設(shè)有PI調(diào)節(jié)器，可以對輕油進行溫度控制，而對重油進行溫度或粘度定值控制。粘度或溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出是控制蒸汽加熱器的調(diào)壓閥或者電加熱器的接觸器，來達到控制燃油粘度和溫度的目的[3]。

系統(tǒng)除了溫度和粘度的定制控制之外，還有燃油供給泵的運行備用功能、燃油循環(huán)泵的運行備用功能、DO/HFO的自動切換功能、濾器的自動控制、回油的自動脫氣控制、遠程控制等功能。主機供油單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 燃油粘度溫度控制

主機供油單元可以實現(xiàn)燃油的溫度控制和粘度控制。溫度控制系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)器、蒸汽調(diào)節(jié)閥等，粘度控制系統(tǒng)主要包括測粘計、粘度調(diào)節(jié)器、霧化加熱器、蒸汽調(diào)節(jié)閥等。主機燃用輕油時主機供油單元對輕油進行輕油定值控制，此時粘度報警被抑制。主機燃用重油時主機供油單元對其進行燃油粘度溫度綜合控制方案，當燃油粘度值在設(shè)定范圍內(nèi)時，溫度調(diào)節(jié)器對粘度值對應的溫度值進行定值控制，燃油粘度值超出設(shè)定值時粘度調(diào)節(jié)器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度將燃油粘度維持在設(shè)定范圍內(nèi)[4]。在進行輕、重油切換時，三通轉(zhuǎn)換閥按照溫度調(diào)節(jié)器和粘度調(diào)節(jié)器的程序動作，完成輕、重油的自動轉(zhuǎn)換。

3.2 DO/HFO的轉(zhuǎn)換控制

該供油單元設(shè)有不同的控制模式，在控制柜上設(shè)有重油控制模式HFO和輕油控制模式DO，EPC50相應設(shè)有2套設(shè)置和報警參數(shù)，并有相應的LED顯示。

3.2.1 DO控制模式

當控制器為DO（柴油）模式時，EPC-50B自動選擇為溫度控制模式，加熱程序由溫升參數(shù)控制。溫升參數(shù)可以是燃油在規(guī)定的時間內(nèi)加熱到設(shè)定的溫度。在這個時期，低粘度和低溫報警是無效的。在此期間設(shè)置了一個最長時間，如果超過了最長時間，控制系統(tǒng)則會報警。

3.2.2 從OFF轉(zhuǎn)換到HFO或者從DO轉(zhuǎn)換到HFO

當控制器為HFO（重油）模式時，或者從DO轉(zhuǎn)換為HFO時，燃油的粘度和溫度被監(jiān)測和顯示。加熱程序按重油的溫升參數(shù)控制。一旦從DO轉(zhuǎn)換到HFO，則EPC-50B可以檢測到粘度的增加，表明系統(tǒng)已經(jīng)進入了重油，則重油將會被加熱。在加熱期間，如果檢測到燃油的粘度降低，則加熱將會停止。當溫度已經(jīng)低于重油溫度設(shè)定值3℃時，控制器自動切換到粘度控制。在此切換的過程中，低粘度和低溫度也是無效的。系統(tǒng)也設(shè)置了最長的加熱時間，如果加熱超過了最長的加熱時間，系統(tǒng)則會報警。

3.2.3 HFO轉(zhuǎn)換到DO

從重油轉(zhuǎn)換到柴油時，控制器繼續(xù)控制燃油粘度，同時降低重油和柴油的混合溫度保持粘度值。當溫度達到柴油的設(shè)定值時，控制模式自動的轉(zhuǎn)換為柴油模式即溫度模式。

3.2.4 HFO和DO自動轉(zhuǎn)換

如果加熱器故障，系統(tǒng)自動延時2 min轉(zhuǎn)換為柴油。該系統(tǒng)電動或氣動轉(zhuǎn)換閥，系統(tǒng)設(shè)置了主機最大燃油消耗量，如果出現(xiàn)燃油消耗量小于參數(shù)值2 nun后，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到DO控制模式。由于換油過程中繼續(xù)保持燃油的粘度控制，所以一旦需要加熱情況，系統(tǒng)在此由DO到HFO模式，即保持加熱到設(shè)定溫度后，新一輪的粘度控制開始。

4 供油單元實訓裝置的設(shè)計

4.1 主控單元

本系統(tǒng)采用Intel公司生產(chǎn)的MCS80C51系列單片機，它是8048的升級。改進了8048的缺點，增加了如乘MUL、除DIV、減SUBB、比較CMP、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運算等指令以及串行通信能力和5個中斷源。80C51有2個16位定時計數(shù)器、2個外中斷、2個定時計數(shù)中斷和1個串行中斷，4個8位并行接口，采用40引腳雙列直插式。內(nèi)有128個RAM單元及4K的ROM。由于80C51系列單片機的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且應用也很成熟，目前已經(jīng)廣泛作為控制系統(tǒng)的核心。

4.2 粘度模擬電位器

由于系統(tǒng)中沒有真實燃油，測粘計齒輪不能干轉(zhuǎn)，所以測粘計馬達電源未接。為了模擬燃油粘度的變化，本系統(tǒng)利用了一個粘度模擬電位器，但是此電位器在本系統(tǒng)的實驗過程中只能手動，當控制器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥動作或系統(tǒng)進行“輕油一重油”轉(zhuǎn)換時，需要手動調(diào)節(jié)粘度模擬電位器使之與相應粘度變化匹配。這一點會給我們的模擬過程帶來誤差，但是對實訓裝置的控制影響可以忽略不計[4]。

4.3 溫度模擬電位器

由于本實驗系統(tǒng)中用的燃油加熱器是蒸汽加熱器模型，所以當控制器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥動作時，PTIOO的阻值并不改變。為此，系統(tǒng)中采用溫度模擬電位器來模擬PTIOO阻值隨溫度的變化并送人電流變送器轉(zhuǎn)換為標準電流信號，反映實際測量溫度值。但本模擬系統(tǒng)中，溫度模擬電位器只能手動，這需要操作人員能根據(jù)實際升溫或降溫情況，來模擬阻值大小，當然與實際系統(tǒng)相比會有一定的誤差。

4.4 溫度粘度控制方式

EPC-50B其實是一個單片機微處理器，可以同時實現(xiàn)控制、監(jiān)視、顯示燃油的溫度粘度，主要由溫度調(diào)節(jié)器和粘度調(diào)節(jié)器組成，顯示和控制來自粘度傳感器和溫度傳感器的輸入信號，輸出控制信號到蒸汽加熱裝置的蒸汽調(diào)節(jié)閥或者電加熱器的接觸器?？梢詫p油（DO）進行溫度控制，對重油（ HFO）進行溫度或者粘度控制，2種控制方式在升溫或者降溫的過程中有升溫速率的程序和降溫粘度的定值控制，另外設(shè)有手動控制蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方式。各種控制方式均有粘度和溫度的顯示。

4.5 溫度粘度控制系統(tǒng)程序設(shè)計

為了滿足主機燃油噴射要求需要對燃油加熱使其粘度符合使用要求，燃油的溫度和粘度控制主要分為以下三種模式：①當主機供油單元從停止工作到燃用輕油，首先按照預定速率規(guī)律對輕油進行加熱，使其油溫呈線性增加，在加熱過程中低溫、低粘度報警被抑制。當輕油被加熱至溫度定值控制設(shè)定溫度以下3℃時，加熱過程結(jié)束轉(zhuǎn)入溫度定值控制。轉(zhuǎn)入溫度定值控制后粘度報警被抑制。設(shè)置最長加熱時間，超出后沒有達到指定溫度則發(fā)生報警。燃用輕油工作邏輯如圖4所示。②當由停止工作或輕油轉(zhuǎn)換為重油時，控制蒸汽閥的開度，對輕油加熱使輕油溫度呈線性上升，此時燃油低溫、低粘度報警抑制。當輕油溫度達到燃油切換溫度時，三通轉(zhuǎn)換閥開始動作，此時控制器使燃油的溫度維持在切換油溫，大概1 min的時間三通閥切換完畢，油溫的控制由PI控制轉(zhuǎn)為線性控制，使燃油溫度呈線性化上升。當燃油溫度達到設(shè)定溫度時，加溫過程結(jié)束轉(zhuǎn)入溫度定值或者粘度定值控制。燃用重油工作邏輯如圖5所示。③當豐機燃用重油時，主機供油單元對燃油進行PI控制，此時可選擇粘度控制模式或者溫度控制模式。當選擇粘度控制模式時，通過控制蒸汽閥的開度使其粘度維持在設(shè)定粘度范圍內(nèi);當選擇溫度控制模式時，控制蒸汽閥的開度使燃油溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)，當粘度值超過設(shè)定范圍時粘度控制程序會引發(fā)中斷對燃油進行粘度控制。

5 結(jié)論

本文通過研究實際船用供油單元，設(shè)計出供輪機管理師生和輪機管理從業(yè)者的供油單元實訓裝置，提供了一個實訓操作平臺，通過該裝置可提高實踐操作技能水平。

參考文獻：

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[2] TAYLOR D A.lntroduction to marine engineering[M] .London： Butterworth-Heinemann， 1996.

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[5]姜淑翠.基于單片機的船舶主機燃油黏度控制[D].大連：大連海事大學，2010.