船舶主機(jī)缸套水溫度控制模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張 理

集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院

引言

將主機(jī)缸套水溫度保持在最佳值上對于主機(jī)安全可靠并經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行是十分重要，其有以下作用：首先，可以保持受熱部件的工作溫度不超過材料所允許的限值，從而可保證在高溫狀態(tài)下受熱部件的足夠強(qiáng)度；其次，可以保證受熱部件內(nèi)、外壁面適當(dāng)?shù)臏夭?，減少受熱部件的熱應(yīng)力；此外，還可以保證運(yùn)動(dòng)部件如活塞與缸套的適當(dāng)間隙和缸壁工作面滑油膜的正常工作狀態(tài)；以及防止缸套的低溫腐蝕有著重要的意義。真實(shí)的缸套水溫度控制系統(tǒng)，要考慮主機(jī)啟動(dòng)缸套水預(yù)熱過程，在評估、教學(xué)過程中使用不太現(xiàn)實(shí)，我們遵循實(shí)際船上采用的PID控制方法，實(shí)現(xiàn)對缸套水溫度對象的仿真。

圖1 主機(jī)缸套水溫度控制系統(tǒng)流程界面

1 主機(jī)缸套水溫度控制流程界面

系統(tǒng)由PID溫度控制器，嵌入式開發(fā)板內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換等構(gòu)成，界面如圖1。

2 系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)模型流程

圖2 系統(tǒng)建模流程圖

2.2 嵌入式開發(fā)

我們用嵌入式開發(fā)板來做缸套水溫度對象仿真器。開發(fā)板支持WidowsCE.NET5.0操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境支持Visual Studio2005或Visual Studio2008.net(.net2.0 Compact)、EVC++、LabView開發(fā)；本系統(tǒng)的開發(fā)采用的是Visual Studio2005。運(yùn)用嵌入式的好處：可以建立模型并可根據(jù)不同實(shí)船的系統(tǒng)進(jìn)行修正；可以形成閉環(huán)控制，直觀地模擬負(fù)荷變化；可以對控制效果進(jìn)行驗(yàn)證；可以與主機(jī)系統(tǒng)連接起來，相對獨(dú)立。

2.3 通信

R S 4 8 5通信方式，通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，支持RTU方式；

MODBUS指令

Modbus RTU報(bào)文基本格式

功能碼04：讀輸入寄存器（模擬量輸入）

請求格式：

正確應(yīng)答格式：

請求格式：

應(yīng)答格式：

若設(shè)置成功，原文返回

CRC校驗(yàn)：即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check），是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼。CRC校驗(yàn)碼程序如下：

2.4 模型軟件流程框圖

在系統(tǒng)中，常常會(huì)遇到來自各方面的干擾，要考慮采集、發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性，以及如何地抗干擾（減小數(shù)據(jù)的誤差）。對于通過RS485的通信方式Modbus協(xié)議采集到的數(shù)據(jù)：判斷其長度、判斷其功能碼、判斷CRC校檢碼，若都滿足要求，那么我們就認(rèn)為采集到的為有效數(shù)據(jù)，否則為無效數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)變量i自加。為了抗干擾減小數(shù)據(jù)誤差，在系統(tǒng)中采集N組數(shù)據(jù)取平均值的方法（N=4）。

圖3 系統(tǒng)模型軟件流程圖

3 功能及實(shí)現(xiàn)

圖4 開發(fā)板界面圖

操作界面如下，有一個(gè)溫度表、一個(gè)曲線顯示、二個(gè)操作面板。溫度表用來顯示主機(jī)缸套水的實(shí)時(shí)溫度。曲線顯示主機(jī)缸套水溫度隨著時(shí)間的變化，更加直觀地顯現(xiàn)PID控制的效果。實(shí)船中主機(jī)缸套水的溫度為85℃，我們在程序中設(shè)定初始值為85℃，按“運(yùn)行”按鈕將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到PID，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)地進(jìn)行PID調(diào)節(jié)（缸套水的溫度隨著時(shí)間慢慢調(diào)整到PID控制器的設(shè)定值），“復(fù)位”按鈕使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行并復(fù)位。負(fù)荷干擾模擬面板，在實(shí)際過程中，我們會(huì)不時(shí)遇到外界各種因素的干擾，上/下滑動(dòng)滑塊給系統(tǒng)一個(gè)增加/減小的干擾量（范圍在-10至+10之間），按“確定”按鈕，真實(shí)地呈現(xiàn)干擾模擬。在實(shí)際船舶中主機(jī)缸套水的溫度不能大于90℃，本系統(tǒng)中大于90℃時(shí)，藍(lán)色小溫度計(jì)變成紅色顯示報(bào)警。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）在PID參數(shù)P=45,I=10,D=10，T1=90,T2=70(T1為PV值，T2為SV值)的條件下模擬得出的溫度變化曲線如下圖。

圖5

圖6

2）在PID參數(shù)P=30,I=20,D=10，T1=95,T2=85的條件下負(fù)荷干擾模擬如下圖。

圖7

4 結(jié)語

系統(tǒng)形象地模擬了船舶主機(jī)缸套水溫度的PID控制，在P、I、D各參數(shù)改變的條件下呈現(xiàn)不同調(diào)節(jié)的幅度、調(diào)節(jié)時(shí)間，還可以實(shí)時(shí)地讓系統(tǒng)模擬干擾。整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。嵌入式在系統(tǒng)中的運(yùn)用，可以讓學(xué)生對缸套水溫度控制系統(tǒng)的流程加深了解，使系統(tǒng)更加直觀、操作簡單。

[1]黃少竹.船舶柴油機(jī)[M].大連海事大學(xué)出版社，2005

[2]李仁杰.輪機(jī)自動(dòng)化[M].北京科學(xué)出版社，1996

[3]蔡振雄，林金表.船用主機(jī)缸套水溫度控制系統(tǒng)[J].船舶工程，2000

[4]溫懷玉，陳長憶.C#技術(shù)開發(fā)綜合應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2010

[5]汪維華，胡章平.C#.NET程序設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].清華大學(xué)出版社，2011