船舶智能柴油機主機遙控系統建模與仿真

熊正華，鳳 勇，向 波

(四川交通職業技術學院，四川成都 611130)

船舶主機遙控系統的形成與發展和機電控制技術的發展是緊密相連的［1］，ME型柴油機主機遙控系統采用PID調速的電子調速系統［2］，利用控制系統設定的參數或程序確保柴油機正常工作，如啟動閥的啟停、排氣閥啟停、柴油機的正反轉、發火順序、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型主機數學模型

本文采用容積法實現柴油機缸內工作過程計算模型，主要做如下假設。

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

除了傳統柴油機的數學模型外，ME型柴油機還包括高壓油泵、共軌管和噴油器模型。

1)高壓油泵模型。在主機整個供油系統過程的高壓油泵模型，與物理參數有關的表達式如式 (1):

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

3)噴油器模型。當ECU接受到反饋信號后把最優的噴油量、噴油率以及噴油時間的信號發送給電控噴油器。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;ti為連續噴油的時間;ρ為主機中燃油的密度;Pg為共軌系統中燃油的壓力。

2 ME型主機遙控系統仿真設計

2.1 主機遙控系統功能與仿真設計

圖1所示，智能柴油機可以實現集控臺、駕控臺和機旁臺3種控制位控制;同時，在集控臺和駕控臺上有4臺計算機實現ME型主機的智能監測和控制，通過控制軟件MOP實現主機運行參數設定與監測。

圖1 主機遙控系統拓撲圖

柴油機主控仿真系統有3套網絡:集控臺上4臺計算機、駕控臺計算機以及服務器 (教練員)由網絡交換機1組成分布式網絡系統，主要實現教練員數學模型與監控計算機軟件的實時數據交換。集控臺、駕控臺、機旁臺等半實物模塊與服務器由交換機2組成分布式網絡，主要實現工業控制計算機 (A/D和D/A轉換)與服務器上位機通訊。另外，集控臺上的煙霧探測系統、船舶速度指示、主輔機燃油黏度控制面板、主機透平增壓器轉速指示、主機轉速計數器、側推控制單元、主機安保系統、主機性能監測顯示單元、主機延伸報警單元和火警復示報警器等10個主機輔助控制模塊采用了CAN總線方式實現了與服務器的上位機軟件之間的實時通訊。服務器上運行仿真平臺 (數學模型)程序和上位機軟件采用進程通訊。

2.2 主機輔助控制模塊CAN通訊

10個輔助控制模塊與服務器上位機軟件采用CAN盒實現數據的上行和下行雙工通訊，CAN通訊的上下行是一個逆過程，本文以數據的上行為例進行分析?？刂颇K上行分為嵌入式模塊、CAN總線和服務器3層結構，控制面板的按鍵、開關等響應經過嵌入式模塊進行A/D轉換，將數據存入緩沖區，發送線程定時將緩沖區的數據以CAN協議ID控制幀地址向上位機發送本控制模塊數據。上位機程序初始化運行便啟動接收線程，采用輪詢的方式輪流接受各控制幀發送的數據并緩存到內存映射文件中，程序設計流程如圖2所示。

3 主機遙控系統MOP設計

ME型智能柴油機運行參數的設定和監測主要在控制軟件MOP上實現。MOP軟件采用了模塊化思想和動態鏈接庫技術，如圖3所示。MOP軟件包括報警單元、主機單元、輔助單元、維護單元、管理單元和輪機長權限單元等多個模塊，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軟件數據庫及動態鏈接庫

本文采用了Access數據庫設計報警列表數據庫設計、報警記錄數據庫設計、手動剪切報警數據庫設計、報警通道列表數據庫設計、報警模塊關系數據庫。主要通過Visual C++的DAO提供的添加、刪除、查詢和修改等API函數實時管理后臺數據庫RecordSet記錄集。表1為報警列表數據庫字段設計描述。

圖2 CAN總線數據上行流程

圖3 主控軟件MOP子模塊

表1 報警列表數據庫設計

續表1 報警列表數據庫設計

3.2 主機控制單元ECU仿真

主機控制單元ECU具有以下功能:啟停邏輯、主機速度控制與限制、發動機運行模式控制等，在MOP的程序設計過程中，由Engine模塊中的Operation、Status、Process Information等模塊構成。

主機啟動需滿足啟動條件、正常的運行狀態、盤車機位置、啟動空氣壓力、控制空氣壓力、鼓風機的運轉、曲柄轉角的位置、液壓油的壓力等參數時方可啟動，當主機啟動失敗時，可進行2次重啟動。