船用阀门遥控系统的关键技术研究

林 炎

(中铁福船海洋工程有限责任公司，福建 福州350015)

0 引言

最初船用阀门的控制系统主要依赖作业人员现场手控，操作简单，精度较低，只有打开、暂停、关闭三种状态，甚至没有远距离遥控的概念，仅能满足船舶简单的装载或卸载需要。随着我国工业化水平的提高，船舶技术迅速发展，为满足运载需要，船舶的吃水深度越来越高，吨位越来越大，尤其在化学品船、大型油船等有特殊用途的船舶类型中，阀门控制系统已经成为影响装载和卸载效率的限制因素。为满足新时代船舶发展的需求，船舶设计部门提出“阀门遥控技术”的概念，将其应用于大型、超大型的船舶中，并与监控系统紧密结合，成为现代船舶重要的组成部分。因此，研究船舶遥控系统对于我国船舶及其相关工业、制造业的发展具有重要意义。

船舶遥控系统经过半个世纪的发展，已经由模拟控制面板转向计算机控制平台。传统模拟控制面板遥控系统独立于船舶内其他控制系统，有单独的软件系统和处理单元，安全可靠，但自动化水平较低，无法与现代化船舶新型舱室控制体系进行协调自洽，于是计算机控制平台开始出现，并逐渐代替传统遥控系统成为新一代船用阀门控制系统的核心。计算机控制平台的空间要求更小，与船舶内其他控制系统的结合更加方便，能够更好地实现整个船舱内的资源共享，为船舶舱内系统的完全集成化提供了研究方向和技术基础。

本文阐述了船用阀门控制系统的总体设计，详细分析了船舶阀门控制系统的硬件和软件设计，并从间接式阀位指示技术和电液集成式阀门遥控技术两个方面研究船舶阀门遥控系统的关键技术，旨在推动国内在该领域的研究，使得我国能够自行掌握该系统的核心技术，突破国外对该领域的垄断，提高国产化船舶设备的装船率。

1 船用阀门控制系统总体设计

船用阀门控制系统分两个主要部分：上位机、现场控制器，这两部分的连接关系如图1所示。

图1 双CAN总线阀门控制系统总体设计框架图

上机位主要为控制单元，包括远程控制板和现场控制板。远程控制板安装在控制室或者机舱集控室的控制台上，并配有模拟管系图的人机交互界面，用来显示和管理阀门的状态和参数，从而使用户能更直观地了解系统运行情况并方便控制。当然，也可以在现场控制板上进行控制。而现场控制器的微控制器装置能够遵从上机位指令进行阀门控制，并反馈上传现场信息，保证上位机与阀门现场的通讯联系。

操作人员在上位机位置对阀门的开闭状态进行控制，现场控制器将船舱阀门的实际状态和信息参数反馈给上位机，这之间主要通过控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线进行通信。CAN是ISO国际标准化的串行通信协议，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是多绞线、同轴电缆或光导纤维，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：传输更隐蔽；信号传输的短帧结构传输时间短，受干扰率低；总线信号传递速率快，传输距离远，可挂接设备数多，节点控制灵活。CAN总线在出现故障时会自动切换至备用主线系统进行数据传输，确保整个船舱系统的正常运行。

2 船用阀门控制系统硬件设计

2.1 上位机设计

上位机系统的硬件包括计算机控制系统和CAN总线接口卡两个主要部分。将集成了CAN通道的适配卡通过采集卡插槽与主机相连，可实现计算机控制系统与CAN总线的数据通讯，对下游控制器进行远程遥控。

2.2 现场控制器设计

现场控制器的核心元件为微控制器，微控制器是由各种型号的芯片核心组成的工控模块，其内部包括CAN总线控制模块。目前船用阀门遥控系统多采用ARM(Advanced RISC Machine，ARM)处理器作为其可编程智能微型控制器。ARM处理器采用了精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer, RISC)指令结构，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多，具有高指令吞吐量、出色的实时中断响应、小且高性价比的处理器宏单元等特点。ARM处理器具有优异的性能，不仅功耗低，使用门的数量还很少，很适合用于对于功耗要求严格的船用阀门控制系统。

现场控制器除微控制器外，还包含小型电机、液压缸及相关配套设备、传感器、电流检测装置等。

整个现场控制器的硬件系统如图2所示。

上位机通过CAN总线传递指令到微控制器，微控制器控制电机、液压缸等执行机构来执行指令，并通过传感器测量阀门旋转角度对实际开闭程度进行监控；通过电流检测装置对电机运行过程进行监测，同时将数据反馈到上机位。

3 船用阀门控制系统的软件设计

与硬件设计一样，我国现代船舶阀门遥控系统的软件设计也包括两个部分：上位机软件系统和现场控制器软件系统。上位机软件系统的主要功能是监测各阀门状态和远程控制阀门运行。目前常用的上位机软件系统界面多是由VB6.0进行开发的。在软件启动后，系统首先会自动进行初始化设置，然后形成监控界面，进入运行模式。现场控制器软件独立于上位机软件系统，应用C语言编程进行开发，这种设计方式可以有效提高现场控制器软件的程序可读性和可移植性。现场控制器软件系统的主要功能包括阀门状态和运行过程信息的采集和监测、阀门控制动作的执行、与上位机系统的连接与通讯等。现场控制器软件系统设计包括主程序的设计和CAN通信设计，以及相关连接程序的设计。主程序负责各阀门数据信息的采集、接受上位机系统信号、执行运行指令等。现场控制器包括现场和远程两种控制方式。在现场控制模式下，操作人员通过手动操作对阀门进行控制，上位机只能通过软件系统进行监控；在远程遥控模式下，上位机能够通过下达指令，经由现场控制软件对阀门进行控制。CAN通信设计负责CAN总线相关的各条数据信息的整合和维护，功能较为单一，程序设计较为简单。

图2 船用阀门遥控系统现场控制器框架图

4 船用阀门遥控系统的关键技术

4.1 间接式阀位指示技术

间接式阀位指示技术的核心是指示阀门的设计和研发。指示阀门需要通过测量元件对阀门因每次驱动引起的机械误差和温度变化导致的管路容积变化进行测量，对阀门实际开闭状态进行精确监控。指示阀门的技术元件包括计量油缸型阀位指示器和压力温度补偿模块。阀位指示器的内部结构包括位控阀、旋转芯轴、螺钉销轴、导向销轴、测显机构、缸体、端盖、活塞等。阀位指示器串联于低压控制回路，由流经其中的液体通过活塞进行驱动，以保持阀门的开闭状态。压力温度补偿模块可以保证间接测量的结果不会因管路长度、油温变化等原因受到影响，模块由阻尼孔、换向阀、单向阀、阀芯、阀体等结构组成。阀芯可对油路的连通情况进行控制，保证在工作过程中油路内油压始终处于低压水平，避免管路过长和油温变化带来的误差影响；模块底部的连接面多采用圆形槽，以保证油路的密封性；换向阀能够通过压力油的流向对阀门开闭进行控制。压力温度补偿模块在组建完成后需要对其换向性能、滑阀技能、耐压性等性能进行测试，还要经过内、外泄漏试验和压力损失试验等才能正式投入使用。

4.2 电液集成式阀门遥控技术

电液集成式船用阀门的遥控技术在最近几年得到得到快速发展，并迅速应用于现代船舶的遥控阀门控制系统。电液集成式遥控阀门的核心组件包括阀门驱动装置和控制模块。阀门驱动装置的原理为：在接到上位机指令后阀门驱动装置的泵机运转，压力油输出并流入活塞腔推动齿轮运转，控制阀门的开闭。电液集成式阀门驱动装置与传统的阀门驱动装置相比，增添了阀位指示器、控制阀板、电液集成式液压泵机组等组件，通过控制阀板改变压力油的泵出流向，实现阀门的转动。阀位指示器通过现场微型感受器对阀门开闭状态和位置信息进行监控和指示。电液集成式船用阀门驱动装置结构简单、元件较少、控制精准，近年来在国内外远航船舶中应用较为广泛。控制模块主要用于各装置信息的整合和分析，并根据实际数据信息对各阀门运行状况进行监控。目前最常用的控制模块是各种型号的嵌入式工程控制模块，这种控制模块可通过C语言函数实现对各种操作指令的编写和下达，并与CAN总线系统相连，完成数据通讯。新型迷你可编程智能系统能耗大幅度降低，硬件结构更紧凑，功能更完善，用户程序更简洁，已经应用于电液集成式船用阀门遥控系统之中。

5 结语

随着工业技术的发展，船用阀门的控制系统为满足现代船舶的实际需求不断进行更新换代，新型遥控系统依托计算机技术与船舱监控系统相互结合，成为新型船舶系统中重要的一环。然而，船用阀门的遥控系统自主研发难度大，需要突破的科技难题较多，经济附加值巨大，核心技术被国外船舶制造企业垄断，一直是制约我国现代船舶自动化装卸载技术发展的重要原因。当前，我国船用阀门遥控系统的关键技术经过多年努力已经取得部分突破，电液集成技术、遥控技术等新型控制技术获得发展，国产设备在现代船舶的装船率正在不断提高。

参考文献：

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