主機遙控單元的設計與實現

張澤宇，張志強，萬 叢，柯常國

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島266071）

0 引言

某型游船主機遙控單元通過與噴水推進控制系統進行控制指令的接受和發送，來完成對主機及齒輪箱的轉速控制，以滿足船舶航行的使用需要。該主機遙控單元針對噴水推進控制系統的需要，提供與噴水推進控制系統的通信接口（CAN）；并附帶有工況選擇功能，升速、降速功能、正向接排、反向接排等功能的無源觸點；通過4-20mA模擬信號完成對主機轉速的控制。該主機遙控單元控制系統具有小型化、智能化、安全可靠的優點。

1 主機遙控單元硬件設計

主機遙控單元由就地箱和操縱面板組成。其中就地箱放置于機艙，操縱面板放置于駕控臺。

主機遙控單元通過與噴水推進控制系統進行控制指令的接受和發送，來完成對主機及齒輪箱的轉速控制，以滿足船舶航行的使用需要。主機遙控單元針對噴水推進系統的需要，提供與噴水推進裝置的通信接口（CAN）；并附帶有工況選擇功能，升速、降速功能、反向接排等功能的無源觸點；通過4 mA～20 mA模擬信號完成對主機轉速的控制。主機遙控單元左右系統之間相互獨立，任何一套主機遙控單元控制故障不影響另一套主機遙控單元運行。

主機遙控單元可以在機旁和駕駛室控制臺面板進行，推進操控優先級從低到高依次為：駕駛室控制臺、機旁。

根據控制系統框圖按照功能可分為四個模塊：控制器模塊（CPU模塊）、模擬信號模塊（AO模塊）、數字信號模塊（DI、DO模塊）以及CAN通訊模塊。

1）CPU模塊：控制系統采用基于超低功耗的 Cortex-M3內核 STM32系列微控制器，STM32F103的時鐘頻率最高可達72 MHz，其包含有12位ADC，10位DAC和CAN控制器等眾多外設[1]，滿足主機遙控單元外部接口的需要，該處理器具有高性能、高可靠、低成本的特點[2]。

2）模擬信號模塊（AO模塊）：模擬輸出轉換模塊主要完成模擬信號的輸出，通過DA芯片產生0 V～5 V的電壓信號，通過TI公司的電壓電流變換器XTR111將0-5V信號轉換成所需的4 mA～20 mA信號。XTR111的非線性度為0.002%，精確度高達 0.015%。在電路中，通過R15、R16、R18完成輸出電流范圍為0 mA～20 mA或4 mA～20 mA的選擇。4 mA～20 mA對應主機轉速的怠速狀態到滿速狀態，其中怠速為600 rpm對應4 mA，滿速為2300 rpm對應20 mA。

圖1 主機遙控單元控制系統框圖(不含虛線框)

圖2 模擬輸出轉換電路

3）數字信號模塊：開關量輸入模塊（DI模塊）采用光耦隔離，支持無源觸點輸入，用于控制系統的無源按鈕的輸入和齒輪箱的狀態信號輸入，開關量輸出模塊（DO模塊）采用光耦隔離，采用24 V有源觸點輸出，主要用于控制系統的指示燈的顯示和齒輪箱接排控制信號輸出。

DI模塊和DO模塊采用TLP521光耦隔離，使現場和控制器實現電氣隔離，保持控制器工作的可靠性。

4）CAN通信模塊：CAN通信模塊采用專用的CAN收發轉換芯片TJA1040完成CAN通信功能，以完成與噴水推進控制系統的數據傳輸。

2 主機遙控單元的軟件設計

圖3 開關量輸入、輸出隔離電路

主機遙控單元的操縱有兩種操縱模式，分別為手動模式和隨動模式。

2.1 隨動模式

駕控臺選擇工況模式。若為隨動工況，按下正向接排按鈕，當主機怠速則主機遙控單元發送合閘信號至齒輪箱1#電磁閥，齒輪箱正向接排，控制系統通過 CAN通信至主機遙控單元給定主機轉速控制信號，控制系統輸出4 mA～20 mA控制信號控制主機轉速。同時主機遙控單元可以實時監測主機轉速信息，當主機處于怠速狀態下時，可按下齒輪箱脫排按鈕，若主機怠速則發出脫排指令，齒輪箱脫排，脫排指示燈亮。

2.2 手動模式

手動控制功能作為對隨動控制系統的補充，它的供電是獨立的。因此，經過切換選擇后,手動控制功能就能被使用。

手動模式下可選擇正向接排或反向接排。

若選擇正向接排，當主機怠速時，控制系統輸出合閘信號至齒輪箱1#電磁閥，齒輪箱正向接排，控制系統通過升降速按鈕給定轉速控制信號，控制系統輸出4 mA～20 mA控制信號控制主機轉速。

若為反向接排，當主機怠速時，控制系統輸出合閘信號至齒輪箱 2#電磁閥，齒輪箱反向接排，控制系統輸出4 mA～20 mA控制信號控制主機轉速。當選擇越控工況時，在齒輪箱未接排時，可以通過手柄或按鍵對主機進行升降速控制。

3 主機遙控單元的實現

主機遙控單元由就地箱和操縱面板組成。其中就地箱放置于機艙，操縱面板放置于駕控臺。

3.1 主機遙控單元就地箱

就地箱可完成主機遙控單元的就地操作功能，操作權限的轉移由就地箱上的機旁/駕控臺轉換開關實現。本船為雙柴油機推進，每個柴油機由一臺就地箱供電，實現650 r/min～2300 r/min的轉速控制。

3.2 主機遙控單元操縱面板

操縱面板位于駕控臺，分為左右兩塊，分別控制左右柴油機的接脫排、轉速給定等。

4 結束語

本文設計了一套基于 ARM內核的主機遙控單元，并在某型游艇上得以成功的使用。主機遙控單元主要完成對主機及齒輪箱的轉速控制，以滿足船舶航行的使用需要，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特點。

圖5 隨動模式流程圖

圖6 手動模式流程圖

[1]ST Instruments Inc.STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32F105xx和STM32F107xx.ARM內核32位高性能微控制器參考手冊,2011.

[2]劉波文.ARM Cortex-M3應用開發實例詳解[M].北京: 電子工業出版社,2011,2:3-5.

[3]Texas Instruments Inc.XTR111 datasheet,2010.