嵌入式船舶分油機控制系統的設計

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(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

1 控制系統硬件電路設計

分油機控制系統的硬件電路包括數字量輸入單元、數字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、以太網通信單元、雙CAN冗余通信單元、觸摸屏人機交互單元、聲光報警單元。硬件電路的設計結構見圖1。

圖1 硬件電路設計

在硬件設計中選用ARM9架構的S3C2440芯片作為整個系統的邏輯控制單元，該芯片主頻最高可達533 MHz，具有5級流水線的指令處理，具有內存管理單元(MMU)，可運行各主流的嵌入式系統[3]。此外，該芯片片內集成了豐富的外設，如自帶10位A/D和D/A、LCD控制器等，可大大簡化外圍電路的設計，提高硬件電路的可靠性和抗干擾能力。SDRAM選用兩片HY57V561620BT(共64 MB)，Nandflash選用一片K9F1G08(128 MB)，以太網控制器為DM9000，選用支持SPI模式的CAN控制器MCP2510。

在系統設計中，分油機與集控室和船舶機艙監測報警等部分的數據通信采用的是冗余雙CAN通信，以提高其可靠性。此外，考慮到現代船舶通信中以太網通信使用越來越廣泛，因此也預留出以太網通信接口，增加其通用性，在實際應用中可根據船舶的實際情況選擇其中一種通信方式。在控制系統的硬件設計中加入了SD卡設備，分油機的各項報警信息和工作狀態的關鍵信息都會實時地保存到SD卡中，船東或海事局可以通過讀寫SD卡中的數據獲知船舶分油機的工作狀態和參數信息，為防止輪機人員人為更改SD卡中的內容，可將SD卡設密。

2 分油機燃油進機溫度控制

由于船舶燃油使用重油，為了降低其粘度以提高凈化效果，在進入分油機之前需要對燃油進行加熱。燃油加熱一般使用蒸汽加熱，分油機控制系統通過調節蒸汽閥的開度控制進機前燃油的溫度，從而使燃油獲得適宜的粘度，一般燃油的分油效果最佳的運動粘度約24 mm2/s[4]。為了更好地控制燃油進機溫度，控制系統采用PID算法進行控制，圖2為其控制模型，圖3為PID控制原理。

圖2 分油機加熱器控制模型

圖3 PID控制原理

PID控制根據設定值x(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，然后將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量對被控對象進行控制，此處的偏差為燃油設定溫度值與進機前溫度值的差值，因此，蒸汽閥開度動態量與溫度偏差e(t)的關系為

(1)

燃油進機前溫度的動態方程由如下方式獲得，根據加熱器熱量傳遞關系：單位時間內蒸汽蓄熱量的變化等于單位時間內蒸汽熱量單位時間內傳遞給燃油的熱量，于是可以得到如下方程[5-6]。

慢性病患者的就醫行為主要發生在門診[13]和自購藥品[14]上，高血壓長期而頻繁的門診治療和疾病管理所花費的醫療費用是因病致貧的主要原因[15]。研究證實，收入較低的患者面臨著較高的門診就診經濟風險，高血壓患者的門診自付費用對患者家庭發生CHE存在著顯著影響。

(2)

(3)

(4)

式中:qms——蒸汽的質量流量,為PID控制環節的控制參數;

mb——換熱器管束質量;

cs——飽和蒸汽比熱容;

cb——換熱器管束的比熱容;

R——管束傳熱熱阻;

tsi——蒸汽進口溫度;

tso——蒸汽出口溫度;

qmo——燃油質量流量;

co——燃油比熱容;

toi——燃油進口溫度;

too——燃油出口溫度;

Δtm——加熱器平均溫差(此處采用的是算術平均溫差)。

在流量控制閥采用線性流量特征的情況下，蒸汽調節閥的開度與蒸汽流量成正比[7]:

Ms=f×du(t)

(5)

式中：f——線性系數。

聯立式(1)～(5)可得蒸汽質量流量控制的動態方程。

3 控制系統軟件設計

3.1 嵌入式linux系統的搭建

為了更好地管理和調度控制系統中的各項任務，提高控制系統的實時性和高效性，需要在嵌入式微處理器S3C2440上搭建嵌入式操作系統。嵌入式Linux以其良好的可裁剪性和開源免費優勢被廣泛應用于消費電子領域以及工業控制等領域。嵌入式Linux操作系統的搭建包括U-boot的移植、Linux內核的裁剪定制、根文件系統的構建、驅動程序的編寫等工作，每項內容都必須以控制系統中所用的嵌入式微處理器為對象進行裁剪定制，方可實現嵌入式系統的搭建。

3.2 分油機時序控制

分油機控制系統除檢測系統各項參數、實現系統監測報警外，最主要的功能是按照一定的控制時序完成進機燃油的離心凈化、自動排渣、分油機停止等工作，在控制系統的軟件設計中，控制系統的控制時序設計見圖4。

圖4 分油機控制系統工作時序

3.3 人機交互界面的設計與實現

傳統的分油機人機交互界面見圖5。

圖5 Alfa Laval EPC-50分油機界面

該界面存在著參數設置復雜麻煩，報警信息顯示不直觀等一系列缺點。為了提供更加友好直觀的人機操作界面，分油機控制系統的人機交互界面選用800×400像素的177.8 mm(7 in)TFT液晶觸摸屏，以嵌入式Linux操作系統為軟件平臺，在跨平臺C++圖形用戶界面Qt編程環境下開發完成，最終的人機交互界面見圖6～8。

圖6 分油機工作狀態界面

圖7 分油機報警參數界面

圖8 分油機參數設置界面

分油機主菜單界面共分為3個區域，從上至下分別為狀態顯示區、主界面區和界面選擇區。狀態顯示區用于顯示現在主界面位于哪個菜單中及當天的日期信息，主界面區顯示該頁面的詳細信息，界面選擇區用于快速進入到幾個重要的界面中。

在觸摸屏上點擊各按鈕可進入分油機主菜單中相應的菜單界面。

圖6所示為分油機工作狀態界面，該界面為默認界面，用于直觀的顯示現在分油機的工作狀態。分油機進油口三通閥狀態為綠色，表示三通閥通電打開，出油口電磁閥狀態指示為紅色，表示出油口電磁閥關閉。此外還可以從該界面中獲知分油機控制系統中關鍵的參數和重要的報警信息，如進油口油溫、油壓、電機轉速，若出現報警，則該處狀態指示將會由正常狀態的綠色變為紅色。

圖7所示為報警參數界面，在該界面中可以查看分油機運行過程中出現的詳細報警信息，藍色的報警信息表示已經處理過的報警信息，紅色且閃爍的報警信息表示當前未作任何處理的報警信息。按下界面下方的Reply按鈕，該報警信息會變為藍色，表示輪機人員已經獲知該報警信息，但是只有當故障解除之后報警信息才會停止閃爍，輪機人員也可按下Flash按鈕來人為消除閃爍。此外，若出現報警，不管處于何種菜單界面中，都可以在下方的界面選擇區中Alarm message按鈕中看到其藍色的指示燈變為紅色，以便輪機人員能夠在任何時刻任何界面都能清楚知道分油機是否有警報產生。

圖8所示為參數信息設置界面，可通過界面中的“+”“-”按鈕設置參數值，也可點擊參數值處通過軟鍵盤直接輸入設定的參數值，按下ensure按鍵確認信息，放棄信息修改則按下exit按鍵。

4 結論

嵌入式分油機控制系統以嵌入式微處理器S3C2440為CPU，搭建Linux嵌入式系統，能夠實現控制系統多任務的調度管理和外部重要事件的資源搶占，確保外部重要事件信號能夠及時得以執行，提高分油機控制系統的實時性。該系統不僅能夠實現分油機控制系統所需功能，而且其對外部事件響應速度更快、實時性更強。人機交互界面以觸摸屏為基礎，在跨平臺編程軟件Qt下開發完成，以觸摸屏人機界面替代傳統的按鍵+指示燈的人機交互方式，不僅使人機交互界面更加友好，操作更簡單，參數及報警信息顯示更直觀，而且可簡化外圍硬件電路，使得硬件電路的可靠性和穩定性更高。該控制系統的設計研究對于改善船舶分油機的人機界面，提高控制系統的實時性和高效性有一定的參考價值。

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