船舶智能柴油机主机遥控系统建模与仿真

熊正华，凤 勇，向 波

(四川交通职业技术学院，四川成都 611130)

船舶主机遥控系统的形成与发展和机电控制技术的发展是紧密相连的［1］，ME型柴油机主机遥控系统采用PID调速的电子调速系统［2］，利用控制系统设定的参数或程序确保柴油机正常工作，如启动阀的启停、排气阀启停、柴油机的正反转、发火顺序、喷油正时和喷射模式选择、汽缸润滑油的供给等控制功能，主要包括 ACU、CCU、ECU、EICU、SCU、CWCU、MOP以及ECS等模块。

1 ME型主机数学模型

本文采用容积法实现柴油机缸内工作过程计算模型，主要做如下假设。

工质在缸内压力、温度和成分均匀，工质的流入和流出当作准恒定流过程，不考虑动能，循环流入汽缸的气体与缸内废气可以看作为瞬时完全混合［3］;从高压油泵喷射入缸内的燃油与空气完全混合，充分燃烧;忽略工质在柴油机工作时缸内发生泄漏所造成的损失。

除了传统柴油机的数学模型外，ME型柴油机还包括高压油泵、共轨管和喷油器模型。

1)高压油泵模型。在主机整个供油系统过程的高压油泵模型，与物理参数有关的表达式如式 (1):

2)共轨管模型。共轨管为燃油提供一个稳定的油压，共轨管中燃油的压力变化的表达式如式 (2):

3)喷油器模型。当ECU接受到反馈信号后把最优的喷油量、喷油率以及喷油时间的信号发送给电控喷油器。喷油器的模型公式如式 (3):

式中:mf为喷油器所控制电磁阀的喷油量;Km是一个常数;ti为连续喷油的时间;ρ为主机中燃油的密度;Pg为共轨系统中燃油的压力。

2 ME型主机遥控系统仿真设计

2.1 主机遥控系统功能与仿真设计

图1所示，智能柴油机可以实现集控台、驾控台和机旁台3种控制位控制;同时，在集控台和驾控台上有4台计算机实现ME型主机的智能监测和控制，通过控制软件MOP实现主机运行参数设定与监测。

图1 主机遥控系统拓扑图

柴油机主控仿真系统有3套网络:集控台上4台计算机、驾控台计算机以及服务器 (教练员)由网络交换机1组成分布式网络系统，主要实现教练员数学模型与监控计算机软件的实时数据交换。集控台、驾控台、机旁台等半实物模块与服务器由交换机2组成分布式网络，主要实现工业控制计算机 (A/D和D/A转换)与服务器上位机通讯。另外，集控台上的烟雾探测系统、船舶速度指示、主辅机燃油黏度控制面板、主机透平增压器转速指示、主机转速计数器、侧推控制单元、主机安保系统、主机性能监测显示单元、主机延伸报警单元和火警复示报警器等10个主机辅助控制模块采用了CAN总线方式实现了与服务器的上位机软件之间的实时通讯。服务器上运行仿真平台 (数学模型)程序和上位机软件采用进程通讯。

2.2 主机辅助控制模块CAN通讯

10个辅助控制模块与服务器上位机软件采用CAN盒实现数据的上行和下行双工通讯，CAN通讯的上下行是一个逆过程，本文以数据的上行为例进行分析。控制模块上行分为嵌入式模块、CAN总线和服务器3层结构，控制面板的按键、开关等响应经过嵌入式模块进行A/D转换，将数据存入缓冲区，发送线程定时将缓冲区的数据以CAN协议ID控制帧地址向上位机发送本控制模块数据。上位机程序初始化运行便启动接收线程，采用轮询的方式轮流接受各控制帧发送的数据并缓存到内存映射文件中，程序设计流程如图2所示。

3 主机遥控系统MOP设计

ME型智能柴油机运行参数的设定和监测主要在控制软件MOP上实现。MOP软件采用了模块化思想和动态链接库技术，如图3所示。MOP软件包括报警单元、主机单元、辅助单元、维护单元、管理单元和轮机长权限单元等多个模块，每个模块又包括具体的子模块，如报警模块包括报警列表、报警记录、手动剪切报警、报警通道等子模块。

3.1 MOP软件数据库及动态链接库

本文采用了Access数据库设计报警列表数据库设计、报警记录数据库设计、手动剪切报警数据库设计、报警通道列表数据库设计、报警模块关系数据库。主要通过Visual C++的DAO提供的添加、删除、查询和修改等API函数实时管理后台数据库RecordSet记录集。表1为报警列表数据库字段设计描述。

图2 CAN总线数据上行流程

图3 主控软件MOP子模块

表1 报警列表数据库设计

续表1 报警列表数据库设计

3.2 主机控制单元ECU仿真

主机控制单元ECU具有以下功能:启停逻辑、主机速度控制与限制、发动机运行模式控制等，在MOP的程序设计过程中，由Engine模块中的Operation、Status、Process Information等模块构成。

主机启动需满足启动条件、正常的运行状态、盘车机位置、启动空气压力、控制空气压力、鼓风机的运转、曲柄转角的位置、液压油的压力等参数时方可启动，当主机启动失败时，可进行2次重启动。