電噴柴油機試車臺監控系統的設計與實現

劉林華， 馮 寧， 陳玉沖， 蘇 芝

(1. 上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化系統事業部， 上海 200135;2. 渤船造船廠集團設計院， 遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

隨著環境日益惡劣和能源供應日益緊張，國際社會對船舶節能和污染物排放控制的要求不斷提高。國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)已于2011年實施TierⅡ排放標準，并于2016年強制要求船用柴油機NOx排放符合Tier Ⅲ的要求。面對日益嚴苛的主機運營成本要求和排放法規，大型船舶低速柴油機電控智能化成為低速船用柴油機發展的必然趨勢。

滬東重機股份有限公司聯合上海船舶運輸科學研究所(以下簡稱“上海船研所”)等多家科研機構自主研發出船用大功率低速電噴柴油機，其中上海船研所承研的電噴控制系統是柴油機的大腦和神經中樞，對柴油機的穩定、經濟、可靠運行起到決定性作用。經過5 a的聯合研制，先后完成電噴控制系統仿真試驗、硬件在環試驗(HIL)、單缸臺架試驗和第三方環境試驗。為開展國產化電噴柴油機整機、液壓驅動及燃油噴射系統和電控系統的運轉、功能性能試驗，設計開發一套能滿足電噴柴油機整機試驗需求的電噴柴油機試車臺監控系統。

1 電噴柴油機主機監控系統

隨著電噴柴油機和電控系統相關技術不斷發展，電噴柴油機主機遙控系統的設計與實現提出的功能需求不斷演變。下面以MAIN的電噴主機的接口和配套的主機遙控系統實現的功能為例進行分析。

配套MAN B&W ME系列電噴柴油機的主機監控系統見圖1，其中：氣缸控制單元實施對燃油噴射閥、排氣閥、啟動控制閥的控制及對曲軸轉速和轉角的測量；輔助控制單元實施對輔助鼓風機、機帶共軌伺服油泵和電動共軌伺服油泵等輔助設備的控制；柴油機控制單元實施對氣缸滑油電磁閥的控制，為氣缸提供潤滑。柴油機數據交換接口單元A與柴油機數據交換接口單元B互相冗余，是ME電噴柴油機電氣控制系統對外進行數據交換的接口控制模塊。

圖1 配套MAN B&W 系列電噴柴油機的主機監控系統

主機遙控系統通過柴油機數據交換接口單元向ME電噴柴油機電氣控制系統發啟動、停車和調速等指令，控制主機啟動、停車和變速。安全保護系統通過柴油機數據交換接口單元接收ME電噴柴油機電氣控制系統和ME電噴柴油機重要的運行狀態數據，在發生嚴重故障時執行安保動作(故障降速、故障停車和緊急停車)，保證主機安全運行。

2 試車臺監控對象

試車臺監控對象為滬東重機股份有限公司研制的高壓共軌小缸徑低速柴油機和上海船研所研制的SRI-VC2110ECS電噴柴油機控制系統及相關輔助設備。試驗現場環境為電噴柴油機控制系統控制主機，主機通過軸系聯接水力測功儀進行負荷調節(見圖2)。

SRI-VC2110ECS電噴柴油機控制系統中的氣缸控制單元(CCU)為整套系統的核心部分，實現對各氣缸啟動閥、燃油增壓閥、燃油噴射閥和排氣閥等氣缸設備的控制及對伺服油共軌壓力和輔助鼓風機等輔助系統的控制。機旁控制單元(LCU)實現對機旁指令的邏輯處理；柴油機控制單元(DCU)通過CCU實現對柴油機的啟動、停車和調速等控制功能及機旁控制時對柴油機的各種限制保護。

LCU和DCU均為電控系統與外部通信的接口模塊，通信功能互為備份。遠程遙控功能的控制指令、安全保護功能的數據監測和安保指令、電噴柴油機控制系統運行狀態及實時參數監測均通過LCU和DCU與電噴柴油機試車臺監控系統進行數據交互實現。

高壓共軌小缸徑低速柴油機的主要技術指標為：缸數6 缸；氣缸沖程1 600 mm；額定轉速157 r/min；可換向。

3 功能需求分析

電噴柴油機試車臺監控系統需實現主機遙控功能、安全保護功能、監測報警功能和車鐘管理功能。與傳統的柴油機相比，電噴柴油機取消了凸輪軸驅動燃油閥開閉、排氣閥開閉和啟動空氣分配等操作的機械結構，通過電控閥件對氣缸啟動閥、燃油增壓閥、燃油噴射閥和排氣閥等設備進行直接控制。監控系統主要通過電噴柴油機控制系統對主機進行控制，同時實時監測主機的運行狀態。

圖2 試車臺監控系統組成

3.1 控制功能

1) 選擇控制部位。該系統具有機旁和集控臺2個控制部位，其中：機旁控制具高優先權，控制部位轉換只能在機旁進行；集控臺控制部位轉換開關僅實現聯絡功能(操作部位不一致時輸出報警)。

2) 啟動聯鎖。當主機停機、主機控制模塊采集到任一啟動聯鎖故障信號時發生啟動聯鎖，主機不允許啟動并發出啟動聯鎖報警，當且僅當故障排除或通過復位清除故障報警時才可啟動主機。

3) 遙控啟動。當主機處于備車完畢狀態、控制部位在集控臺時，將集控臺車鐘手柄從停車位置扳向正車(或倒車)任意位置，系統向電噴控制系統發出正車(或倒車)啟動指令，由電噴控制系統控制主機正轉(反轉)啟動。

4) 遙控停車。當主機運行、控制部位在集控臺時，將集控臺上的車鐘手柄扳至停車位置，系統向電噴控制系統發出停車指令，由電噴控制系統控制主機停機。

5) 換向。當車鐘手柄從非海上全速正車位置直接扳到倒車任意位置時，主機轉速下降到制動轉速，輸出停車指令控制主機停機，待主機停機之后反向啟動主機。

6) 應急換向。該操作是將車鐘手柄從海上全速正車位置直接扳到倒車任意位置時的一種緊急操作。在應急換向情況下，主機轉速下降到制動轉速，輸出空氣剎車指令控制主機轉速快速下降，待主機停機之后反向啟動主機。

7) 主機調速。當主機運行時，根據主車鐘令和速度調節曲線計算出給定轉速，系統向電噴控制系統發出轉速設定指令，由電噴控制系統控制主機調速。

8) 限制保護。該控制功能包括最低穩定轉速限制、最大轉速限制和臨界轉速限制。

9) 越控。當控制位置在集控臺時，按下集控臺上的“越控”按鈕，取消遙控系統相關限制保護功能，同時向電噴控制系統發出越控指令。

3.2 安全保護功能

1) 故障降速。若主機安保模塊在電噴柴油機運行過程中檢測到故障降速故障信號，即刻發出故障降速聲光報警；同時，若系統工作在非應急狀態下，按設計要求即刻或延時輸出故障降速，控制主機降速。

2) 故障停車。若安保控制模塊在電噴柴油機運行過程中檢測到故障停車故障信號，即刻發出故障停車聲光報警；同時，按設計要求即刻或延時輸出故障停車報警，控制主機停車。主機停機之后，需在排除故障、將車鐘手柄扳到停車位置并清除報警之后重新啟動主機。

3) 緊急停車。機旁控制面板和集控臺上均設有“緊急停車”按鈕，當電噴柴油機在運行過程中發生緊急情況時，可直接使柴油機停機。

3.3 監測報警功能

1) 數據采集與傳輸。通過數據采集模塊采集主機及相關輔助設備的傳感器信號(PT100、4～20 mA、開關量等)，并通過雙冗余CAN網將其發送至上位管理微機，進行集中顯示和報警處理；此外，上位管理微機還通過雙冗余CAN網接收電控系統LCU和DCU轉發的電控系統測量參數及控制狀態參數，對其進行集中顯示和報警處理。

2) 參數顯示與報警。上位管理微機按分系統和類型對所有測點進行分類，實時對所有參數進行列表顯示，顯示的內容包括測點名稱、測點量程和報警上下限等；同時，對各測點進行故障判定和傳感器故障檢查。當發生測點越線報警或傳感器故障時，在輸出聲光報警的同時對該故障進行突出顯示。

3) 圖形顯示。對主機和電控系統內部的重要參數(如主機轉速、各缸排氣溫度等)進行圖形顯示。

4) 數據記錄和查詢。能自動定時或手動對所有顯示的數據進行保存和報警、消警記錄保存；既可查詢某一時刻所有測點的數據、控制狀態信息及指令、安保狀態信息，又可查詢當天和某一時段的報警、消警記錄。

5) 故障自診斷。實時判定所有通信模塊的通信狀態信息，并對其進行集中顯示，突出顯示故障模塊。

6) 二次儀表顯示。對一些重要的參數(主機轉速、燃油壓力等)進行二次儀表顯示。

3.4 車鐘管理功能

集控臺上和機旁控制面板上均設有車鐘顯示板，用于使機旁試車工作人員及時掌握主機的運行狀態(車令復示功能)和與集控臺操作人員的通信(輔車鐘通信功能)。

4 試車監控系統的實現

4.1 硬件設計

電噴柴油機試車臺監控系統按通用化、系列化和組合化的要求設計，選用SRI-VC2100標準的控制器，主要由集控臺、監測數據采集箱和車鐘復示箱組成(見圖3)。該系統主要配置的模塊是遙控控制模塊、安保控制模塊和數據測量模塊等(見表1)。

a) 集控臺

b) 數據采集箱

圖3 集控臺和數據采集箱

4.2 功能實現

4.2.1 遙控功能實現

遙控控制模塊和安保控制模塊均選用FCU01模塊。FCU01模塊是上海船研所根據民用船舶三大主力船型的實際需求，綜合應用信息技術和自動化技術開發的新型船舶機艙現場控制模塊，提供豐富的接口資源，通過與擴展I/O模塊靈活組合，可滿足主動力控制、電站控制和監測報警等大部分現場監控功能。

遙控控制原理圖見圖4，遙控控制模塊在采集車鐘電流、控制指令(正倒車啟動、停車等)、安保輸出和主機轉速等信號之后，首先根據主機的運行狀態進行內部控制邏輯處理，然后向電噴控制系統中的LCU和DCU發送指令，最后由DCU通過各缸的CCU驅動各電磁閥件完成對主機的控制。

圖4 遙控控制原理圖

4.2.2 安保功能實現

安保系統實現故障降速、故障停車和緊急停車功能。出于安全性考慮，系統中安保控制模塊與其他模塊的通信主要通過雙冗余CAN網絡實現，同時重要的安保輸出(故障降速、故障停車)通過硬線連接作為備份。

1) 故障降速功能。主機運行過程中，當安保控制模塊檢測到故障降速故障時，即刻輸出聲光報警，同時通過CAN網絡將故障降速信號發送至電控系統LCU、DCU和遙控控制模塊。當控制部位在集控臺時，由遙控控制模塊向DCU發送指令，使主機轉速降至設定值；當控制部位在機旁時，由DCU直接控制，使主機轉速降至設定值。

2) 故障停車功能。主機運行過程中，當安保控制模塊檢測到故障停車故障時，即刻輸出聲光報警，同時通過CAN網絡將故障停車信號發送至電控系統LCU、DCU和遙控控制模塊；遙控控制模塊執行停車邏輯，由DCU向各缸CCU發送指令，控制主機停機。與傳統柴油機的安保系統不同，該安保系統需實時監測電控系統的運行狀態，發現電控系統有嚴重故障時需立即執行故障停車功能。故障停車信號包括推力塊溫度高、主軸承滑油進口低壓、曲柄油霧高濃度、增壓器軸承滑油進口低壓、氣缸冷卻水進口低壓、輔助風機壓力低、緊急停車-機旁、緊急停車-集控和電控系統嚴重故障。

3) 緊急停車功能。當發生緊急情況需立即停車時，按下“緊急停車”按鈕，輸出故障停車信號至遙控控制模塊、LCU和DCU控制主機停機，同時直接控制燃油泄放閥動作，確保主機快速停止轉動。

為提高系統的可靠性，選用開關量采集模塊EDDI-W對重要的安保信號進行采集。EDDI-W具有斷線檢測功能，當檢測信號發生斷線故障時，輸出斷線報警，同時屏蔽該點的安保功能。EDDI-W與主控制器通過SPI總線連接，方便拓展。

4.2.3 轉速測量

轉速測量對保證主機遙控系統和安保系統可靠、穩定運行至關重要。測量轉速波動可能導致遙控系統內部控制邏輯混亂、控制指令誤動作，更嚴重時可能直接導致安保系統誤判主機超速，觸發緊急停車誤動作。該系統的轉速測量采用雙冗余霍爾型轉速傳感器(歐姆龍E2E1-X5)設計。該型轉速傳感器采用免接觸式磁電原理，接近開關式傳感器，輸出波形信號的一致性好，無抖動和回跳，具有體積小、重量輕、安裝方便、易于維護、無磨損、使用壽命長、抗振動和抗沖擊性強等優點；同時，雙冗余霍爾型轉速傳感器設計可方便測量柴油機轉動的方向。測速電路原理框圖見圖5。

圖5 測速電路原理框圖

4.3 軟件設計

軟件設計編程環境為keil uvision4 + μC/OS-II。keil uvision4采用C語言編程，提供強大的集成開發調試工具，便于開發調試。移植并采用嵌入式操作系統μC/OS-II，主要好處是能屏蔽底層硬件的差別，給上層應用提供統一的接口，并管理進程調度和資源分配等；同時，可根據任務的重要程度(優先級)優先執行重要的任務，確保最重要的數據能得到及時處理，提高系統的實時性和可靠性。

遙控控制模塊程序任務流程見圖6。任務調度通過嵌入式操作系統μC/OS-II核心調度器實現。系統時鐘節拍設置為1 ms事件，核心調度器被事件觸發之后遍歷任務塊鏈表，檢索到處于就緒態優先級最高的任務執行。

b) 控制主任務處理流程

遙控控制模塊主要實現的控制功能包括主機啟動、主機停車、主機調速和換向，主要功能流程見圖7。主機正常換向時，程序控制主機降速至制動轉速之后輸出停車指令至電控系統DCU，待主機停機穩定之后輸出啟動指令至電控系統DCU反向啟動主機。當主機應急換向時，與主機正常換向不同，主機轉速降至制動轉速以下，同時輸出停車指令和空氣剎車指令，快速制動主機。

a) 啟動功能流程

b) 停車功能流程

c) 主機調速功能流程

5 結 語

大型船舶低速柴油機電控智能化是低速船用柴油機發展的趨勢，相應的電噴柴油機主機遙控系統逐漸成為開發設計的主流。通過分析電噴柴油機主機遙控系統的設計思路和電噴柴油機試車臺監控系統的開發設計，可為以后開發設計和維護以低速電噴柴油機為主推進設備的主機監控系統提供一定的參考。