基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置控制系統的設計與實現

姜應戰，吳猛猛，孫 團，趙冬冬(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置控制系統的設計與實現

姜應戰，吳猛猛，孫 團，趙冬冬
(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

文章提出了一種基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置控制系統的設計與實現方法，給出了系統的組成及軟硬件設計，為制冷裝置控制系統的設計提供了一種有效的手段。

制冷裝置；模擬系統；微控制器

遠洋船舶的制冷裝置控制系統實現了制冷裝置的自動測量、控制、報警和保護等功能，通常有傳統的繼電接觸器控制以及PLC控制等。

1 船舶制冷裝置設備組成

船舶制冷裝置多采用1機2庫模式，即1臺制冷壓縮機控制低溫庫和高溫庫，高溫庫庫溫維持在1～5 ℃，低溫庫庫溫維持在-16～-20 ℃。裝置主要有壓縮冷凝機組、冷藏室、自動控制元件、高低溫庫冷風機、冷卻水泵、過濾干燥器、回熱器及制冷裝置控制系統等[1]，如圖1。

圖1 制冷裝置組成布置圖

制冷循環工作過程為：冷凝貯液器中液體氟利昂經過過濾干燥器，后進入回熱器，在回熱器中與來自高低溫冷風機的氣體進行熱交換，使液體氟利昂過冷，而后分成2路，一路進入低溫庫熱力膨脹閥，節流到低溫庫的蒸發壓力，在低溫庫進行蒸發吸熱，降低低溫庫庫溫；另一路進入高溫庫熱力膨脹閥，節流到高溫庫的蒸發壓力，在高溫庫進行蒸發吸熱，降低高溫庫庫溫。蒸發的氣體氟利昂經過回熱器吸入壓縮機，經壓縮機將壓縮，進入油分離器進行油氣分離后進入冷凝貯液器完成制冷循環。

控制系統實時控制冷庫溫度、操縱控制信號及制冷系統工作狀態，以進行制冷系統庫溫控制以及系統的故障報警及保護。

2 制冷裝置控制系統硬件及軟件組成

制冷裝置控制系統電路如圖2，軟件設計原理如圖3。

2.1硬件組成

制冷裝置控制系統采用微控制器進行控制，主要用于制冷壓縮機的啟停控制、冷卻水泵的啟停控制、工作方式控制、融霜控制、溫度檢測等，使低溫庫和高溫庫維持在規定的溫度范圍，同時對壓縮機電機過流、吸入壓力過低、排氣溫度高、滑油溫度高、滑油壓力低及排氣壓力過高等故障報警或停車等進行控制。

2.1.1 微控制器

C8051F060是完全集成的混合信號片上系統型微控制器，具有59個數字I/O引腳，片內集成了2個16位、1Msps(采樣百萬次每秒)的模擬數字轉換器(ADC)。下面列出ADC主要特性[2]：①高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核；②2個16位、1 Msps(采樣百萬次每秒)的ADC，帶存儲器直接訪問(DMA)控制器；③局域網(CAN2.0B)控制器，具有32個消息對象，每個消息對象有其自己的標識掩碼；④全速、非侵入式的在系統調試接口(片內)；⑤768 字節片內 RAM；⑥10位、200 ksps(采樣千次每秒)的ADC，帶8通道模擬多路開關；⑦2個12位數字模擬轉換器(DAC)，具有可編程數據更新方式；⑧64 kB可系統編程的FLASH存儲器；⑨4 352 (4 k+256)字節的片內RAM；⑩可尋址64 kB地址空間的外部數據存儲器接口。

圖2 制冷裝置控制電路圖

圖3 制冷裝置軟件設計原理圖

2.1.2 控制系統信號輸入電路

控制系統輸入信號直接送至MCU端口P0.0～P0.7、P2.0～P2.7、P4.0～P4.2，當無輸入信號時，端口輸入高電平；當有輸入信號時，相應端口輸入低電平，以控制制冷裝置的運行。

1)控制方式及冷庫選擇。控制方式信號實現制冷裝置的手動或自動控制方式的選擇；冷庫選擇信號，實現對高溫庫、低溫庫的單獨控制或者自動運行。

2)壓縮機及水泵控制。手動控制時，通過壓縮機及水泵控制開關，實現對制冷壓縮機和冷卻水泵的啟、停控制。

3)潤滑油加熱器及融霜控制。潤滑油加熱器及融霜控制信號控制潤滑油加熱和冷庫融霜；冷庫融霜時，制冷循環停止。

4)保護及聯鎖控制。當吸入壓力低、排出壓力高、壓縮機電機過流、滑油溫度高及滑油壓力低時，相應壓力或溫度繼電器輸出信號送至微控制器，實現壓縮機運行保護；冷卻水流開關信號實現制冷壓縮機和冷卻水泵的運行連鎖，即當無冷卻水流動時，制冷壓縮機不能啟動。

5)電子型溫度控制器。電子型高溫庫溫控器與低溫庫溫控器主要實現以下功能：①高、低溫庫的溫度測量和顯示；②溫度下限、上限的設定,被控設備的開、停控制；③用于壓縮機停機延時時間的設定和控制；④溫度傳感器故障顯示(開路或短路)；⑤對測溫采用軟件校正，保證測溫精度。

2.1.3 壓縮機、水泵、風機、供液電磁閥、滑油加熱器及融霜控制電路

通過微控制器輸出端口P1.0～P1.6，經達林頓驅動芯片2803及固態繼電器(SSR)，實現對壓縮機、水泵、風機、供液電磁閥、蜂鳴器、滑油加熱器及融霜控制。

2.1.4 指示燈及蜂鳴器控制電路

通過微控制器輸出端口P3.1～P3.7，經達林頓驅動芯片2803及固態繼電器，實現水泵運行指示、壓縮機運行指示、高溫庫運行指示、低溫庫運行指示、故障指示、融霜指示、蜂鳴器報警等。

2.1.5 CAN總線

微控制器內部CAN微控制器的收發端通過IS 01050收發驅動電路，變換成CAN總線電平標準，實現制冷裝置控制系統與船舶集控室的數據通信，實現集控室對制冷裝置的遙控控制與制冷裝置參數的集中指示。

2.2軟件組成

制冷裝置軟件設計原理如圖3。

制冷裝置控制系統軟件用于實現制冷裝置的狀態指示、參數顯示、工作方式選擇、泵的啟停控制、壓縮機的啟停控制、潤滑油加熱融霜控制以及故障顯示與處置等。

3 結束語

本文提出的基于C8051F060微控制器的船舶制冷裝置的設計與實現方法，經實際應用證明，設計方案合理、經濟，系統運行穩定可靠。

[1] 高翔.艦船輔助機械[M].北京:國防工業出版社，2005.

[2] 潘琢金．C8051F060/1/2/3/4/5/6/7混合信號ISP FLASH 微控制器數據手冊[M]．北京：電子工業出版社，2004．

In this paper,design and realization of marine refrigerating plant control system are given based on microcontroller C8051F060,together with the systematic composition and soft/hard wares,which offers an effective measure for designing the control system of the refrigerating plant.

refrigerating plant;control system;microcontroller

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.012

姜應戰(1962-)，男，山東文登人，副教授，碩士，研究方向為艦船電氣控制。

2015-07-06