分布式分油機仿真面板的設(shè)計與實現(xiàn)

李衛(wèi)強, 曹 輝,, 張均東,, 賈寶柱,, 何琪文

(大連海事大學 a.輪機工程學院;b.無人船協(xié)同創(chuàng)新研究院， 遼寧 大連 116026)

輪機模擬器半實物仿真技術(shù)平臺在培訓、考核和發(fā)證中發(fā)揮著無可替代的重要作用[1]，輪機模擬器的應(yīng)用與科研教學的開發(fā)受到國內(nèi)國際相關(guān)條約的制約和相關(guān)科技發(fā)展的影響。在船舶機艙系統(tǒng)及功能最全且有交互能力的模擬器中，半實物輪機模擬器分油機控制單元作為模擬船舶燃油和滑油凈化系統(tǒng)的核心部分，具有模擬完成分離油中的水分和機械雜質(zhì)的功能。劣質(zhì)燃油的使用會增加燃油凈化系統(tǒng)的故障概率，這對輪機員在了解分油機的工作原理,掌握故障診斷與維護等方面的技能提出更高的要求。[2]

現(xiàn)有的輪機模擬器分油機系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式，上位機服務(wù)器完成船舶輪機系統(tǒng)的所有仿真模型與運算邏輯，李世臣等[3]完成包括分油機分離過程、分離筒轉(zhuǎn)速、供油加熱器和供油泵等系統(tǒng)建模。下位機設(shè)備作為通信板卡通過以太網(wǎng)接收上位機通信數(shù)據(jù)并解析響應(yīng)，實訓人員將下位機的操作數(shù)據(jù)實時上傳至上位機。這一特點嚴重依賴上位機服務(wù)器的性能，任何一個模塊單元功能的實現(xiàn)，只有通過與上位機聯(lián)機才能完成。另外,如果需要增加新的控制系統(tǒng)節(jié)點，必須對上位機仿真模型進行大量修改才能實現(xiàn)。

設(shè)計所提出的分布式分油機仿真面板能夠獨立完成母型Alfa Laval分油機操作仿真功能，分油機仿真面板上的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至32IO8AO通用板卡并經(jīng)其轉(zhuǎn)發(fā)，最終通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機被PC監(jiān)視分油機仿真面板的工作狀態(tài)。

1 分油機運行邏輯分析

分油機工作的運行邏輯見圖1，啟動分油機前顯示屏警告檢查電壓和供電頻率是否正確，檢查儲油槽油位，汽、水、油閥和加熱單元等信息。啟動分油機后EPC-60控制單元會根據(jù)分離筒轉(zhuǎn)速及進口油溫進行判斷是否進入分離程序。選擇手動/自動排渣以停止進油，排渣結(jié)束分離桶減速停止啟動自鎖程序，手動停止加熱單元、供給泵供油，等待下一次啟動。[4]

2 控制單元系統(tǒng)架構(gòu)

分油機仿真面板的系統(tǒng)架構(gòu)見圖2，由上位機PC監(jiān)視器和CAN總線系統(tǒng)上掛接的多個分油機分布式仿真節(jié)點組成，因為PC監(jiān)視器本身不支持CAN通信，通過32IO8AO通用板卡將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)并經(jīng)以太網(wǎng)與上位機數(shù)據(jù)通信。

各個分油機仿真節(jié)點由主控芯片及其運行環(huán)境組成，主控芯片完成分油機實體的數(shù)學模型運算求解并在TFTLCD液晶屏上產(chǎn)生結(jié)果控制請求信息。[5]分油機工作狀態(tài)通過10路不同顏色的LED燈指示。控制面板上的按鍵用于控制分油機狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)。上位機PC周期性地向CAN總線上發(fā)送報文請求獲得分油機仿真面板的實時運行狀態(tài)信息。[6-7]

3 控制單元的實現(xiàn)

3.1 人機交互界面設(shè)計

3.2 PCB圖布局布線的設(shè)計

分油機仿真面板的原理圖設(shè)計在完成之后，借助Altium Designer板卡設(shè)計軟件繪制原理圖并給原理圖中的每一個元件編號，在將原理圖導入到PCB圖之前需要對原理圖以及PCB圖進行編譯(Compile)。受安裝環(huán)境的影響，PCB板的大小不得超過110 mm×120 mm，設(shè)計為雙層板，通過螺柱固定在控制箱上，設(shè)計的板卡PCB見圖4。

3.3 軟件設(shè)計流程圖

分油機板卡控制單元的軟件設(shè)計采取搶占式任務(wù)添加并按照優(yōu)先級進行處理的方式[8]。分油機板卡上電后任務(wù)的添加和跳轉(zhuǎn)關(guān)系見圖5。

利用C語言編寫程序即算法，每個算法的成員包括方法名、返回類型以及傳值類型。程序分為3層分別為用戶層、鏈路層以及底層代碼，其中底層代碼為ST官方給出的啟動自舉程序、中斷服務(wù)函數(shù)程序等，鏈路層主要是CAN、LCD、LED及ZLG7290外設(shè)的初始化引腳配置和內(nèi)存映射的位帶操作。用戶層提供具體的服務(wù)函數(shù)，如CAN控制器、LCD顯示、沉淀柜液位高度及溫度變化數(shù)學模型、供油泵流量模型、PID溫度控制器調(diào)節(jié)蒸汽閥開度等模型運算函數(shù)。[9-10]

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

上位機通過CAN總線實時監(jiān)視仿真面板的工作狀態(tài)，包含32IO8AO通用板卡與上位機PC服務(wù)器關(guān)于分油機的以太網(wǎng)通信協(xié)議、32IO8AO通用板卡與分油機板卡控制單元的CAN協(xié)議。[11]通用版卡向分油機板卡發(fā)送數(shù)據(jù)幀由7個段構(gòu)成,見圖6。

因設(shè)計的分油機板卡控制單元是寄宿在通用板卡之下的，且任意一個宿主只有一張分油機板卡，CAN總線上只有兩個節(jié)點即一主一從站,那么可以規(guī)定如下:

1) 分油機仿真單元向通用板卡發(fā)送報文的起始幀F(xiàn)E。

2) 仲裁場段位表示該幀優(yōu)先級別，在圖5中規(guī)定總線中斷任務(wù)優(yōu)先級>LCD顯示任務(wù)>10路LED狀態(tài)指示>按鍵中斷控制優(yōu)先級。

3) 控制段表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，在通用板卡向分油機板卡的數(shù)據(jù)發(fā)送中，LED狀態(tài)指示的數(shù)據(jù)以及LCD顯示數(shù)據(jù)是包含在一個數(shù)據(jù)報文中的，其中液晶顯示為20個字符用ASCII碼表示，每個字符占用一個字節(jié)，另加顯示的第幾行占用一個字節(jié)，10只LED狀態(tài)指示占用一個字節(jié)，因此控制段此時為22個字節(jié)。

4) 數(shù)據(jù)場即為液晶屏顯示的字符所對應(yīng)的ASCII碼及狀態(tài)指示數(shù)據(jù)。

5) CRC場放棄復(fù)雜的循環(huán)校驗碼，因CAN總線上僅分油機板卡控制單元一個節(jié)點而使用經(jīng)“變異”了的CRC場即亦或校驗。

6) ACK應(yīng)答段位為2個位信息即應(yīng)答間隔和應(yīng)答界定符，分油機控制單元正確接收到來自通用板卡的報文后會在幀間時間向宿主發(fā)送一個位的邏輯高電平。

7) 規(guī)定結(jié)尾幀為FF。

分油機板卡向通用板卡發(fā)送按鍵控制的報文中不同之處在于字節(jié)數(shù)不同即控制場以及數(shù)據(jù)場格式，其他段沒有差別。

4 試驗操作與測試

硬件電路原理圖的設(shè)計以及PCB制圖的完成只在理論上具有可行性，在分油機仿真面板設(shè)計完成之后須對其相關(guān)指標進行測試與可靠性分析，如長時間連續(xù)運行、猛烈碰撞以及按鍵測試、程序穩(wěn)定性測試等。

對設(shè)計的分布式分油機仿真試驗內(nèi)容包括分油機程序測試見圖7。LCD顯示的3行分油機運行的邏輯判斷，中間部分為需要受訓人員回答的問題，最上一行部分為上一個已經(jīng)回答的問題，最后一行在LCD中以黑色字體顯示的問題為尚未回答的問題。當上位機發(fā)送信息請求指令時，分油機仿真面板將定義好的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給通用板卡，經(jīng)其在CAN總線上廣播，通用板卡接收并轉(zhuǎn)發(fā)，借助以太網(wǎng)調(diào)試助手第3方軟件在PC監(jiān)視器屏上顯示指定格式的數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)束語

分油機方面面板單元在硬件關(guān)鍵技術(shù)分析、原理圖設(shè)計、PCB布局布線及軟件設(shè)計時，對系統(tǒng)信號的完整性、抗干擾設(shè)計做了充分的考量。原理圖各個模塊設(shè)計了必要的去耦電容[12]，PCB布局布線過程中根據(jù)電氣規(guī)則檢查結(jié)果進行大量的修改直到?jīng)]有任何錯誤，分油機控制面板軟件設(shè)計具有結(jié)構(gòu)精簡、性能可靠和省時易改等優(yōu)點。[13]

輪機模擬器分油機控制系統(tǒng)是輪機仿真領(lǐng)域研究的重點，分油機仿真面板單元涉及的CAN通信技術(shù)、算法程序化、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和按鍵控制交互技術(shù)等與工業(yè)控制技術(shù)、綜合監(jiān)控技術(shù)密切相關(guān)，分油機控制單元可為船舶燃油、滑油凈化系統(tǒng)的故障診斷與修復(fù)訓練提供良好的實踐平臺。目前對分油機控制單元的研究還停留在人工操作層面，借助人工智能及自學習應(yīng)用分油機等領(lǐng)域還需做深層次的研究。