萬箱船柴油發(fā)電機模擬控制面板智能化設計

劉泊江，張均東，李燕彪，黃曉松，吳 冬

(大連海事大學，輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

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萬箱船柴油發(fā)電機模擬控制面板智能化設計

劉泊江，張均東，李燕彪，黃曉松，吳 冬

(大連海事大學，輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

針對目前輪機模擬器使用的萬箱船柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)的仿真設計落后于當前先進控制系統(tǒng)的問題，提出了一種以H32/40系列柴油發(fā)電機的YECS-1000控制系統(tǒng)為母型的柴油發(fā)電機模擬控制系統(tǒng)；介紹了柴油發(fā)電機模擬器的整體結(jié)構(gòu)，設計了以ARM為主控元件的仿真控制箱，實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信、LED燈和LED數(shù)碼管顯示、按鍵掃描等功能；采用Visual C#編程語言在PC機上設計出仿真控制界面；實驗結(jié)果表明：基于YECS-1000為母型控制系統(tǒng)的柴油發(fā)電機模擬器具有參數(shù)顯示直觀準確、功能全、運行穩(wěn)定、和實物相似度高的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)輪機教學實驗和海員培訓的功能。

柴油發(fā)電機；仿真；嵌入式；以太網(wǎng)

0 引言

隨著越來越多的嵌入式技術在船舶中應用，船舶自動化的程度得到了極大的提高。有數(shù)據(jù)表明在船舶事故發(fā)生的各因素中，人為因素占80%以上，船舶航行安全很大程度上依賴于輪機管理人員的經(jīng)驗和能力[1]。因此，對船員進行崗前培訓，提高輪機管理人員的能力對于船舶安全航行有著重要的意義。由于船舶的特殊性，在實船上培訓具有風險高，培訓費用高，花費時間長的缺點。實物仿真的船舶輪機模擬器可以提供給學員良好的學習環(huán)境和較高的機艙環(huán)境沉浸感，使用輪機模擬器進行船員的教學培訓已經(jīng)成為一種趨勢。我國輪機模擬器研制以大連海事大學的DMS系列最具有代表性，然而DMS-2016系列的柴油發(fā)電機模擬器依然是以早期柴油發(fā)電機的控制系統(tǒng)為母型控制系統(tǒng)，這已經(jīng)落后于實船上先進的控制系統(tǒng)。因此設計了以H32/40柴油發(fā)電機YECS-1000為母型控制系統(tǒng)的柴油發(fā)電機模擬控制器，該控制箱由運行單元、溫度壓力監(jiān)視單元和廢氣溫度監(jiān)視單元。

當前柴油發(fā)電機模擬器的控制面板設計大多采用PLC或者51單片機，前者雖然可靠性高，但是價格高、體積大；后者價格便宜、可靠性也高，但是片上資源有限，不能完成較復雜的處理任務，處理速度也比較慢。STM32控制器具有256 K的片上Flash和56 K的片內(nèi)RAM空間，并且當外部晶振為8 M的情況下就可以達到72 M的運行速度，運行速度快，處理任務多。因此本設計以穩(wěn)定性高、價格便宜的STM32芯片為MCU，配合鍵盤掃描芯片，網(wǎng)絡通信芯片、LED數(shù)碼管以及EEPROM存儲芯片完成硬件設計。

1 模擬控制系統(tǒng)的總體設計

船舶柴油發(fā)電機模擬控制器是將實船上的柴油發(fā)電機系統(tǒng)通過實物仿真的方法設計出來的一套船員訓練學習系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

柴油發(fā)電機模擬控制面板就相當于船舶上的YECS-1000控制箱，MINIC屏上畫出了柴油發(fā)電機油、水、汽的管路圖，PC機上運行的柴油發(fā)電機模擬控制系統(tǒng)的軟件模型。PC機、模擬控制面板和MINIC屏三者通過交換機和以太網(wǎng)連接起來。模擬控制面板與實物的外形相似，按鍵和儀表都與實物一一對應，學員操作這樣的模擬器就像是在操作實物一般。MINIC屏上依據(jù)通用的柴油發(fā)電機燃油、滑油、水和蒸汽系統(tǒng)構(gòu)建了控制柴油發(fā)電機油水汽通斷的閥件以及設備，比如加熱器，燃油供給泵。各個管路在MINIC屏上一目了然，讓學員很清楚的了解當前柴油發(fā)電機所處的狀態(tài)。PC機上用C#語言編寫了和實物相同的控制面板界面以及和MINIC屏相同的柴油發(fā)電機系統(tǒng)管路圖界面。PC機軟件可以獨立運行，也可以和MINIC屏，控制面板聯(lián)合運行。

2 控制面板的硬件設計

柴油發(fā)電機模擬控制面板的硬件電路包括電源電路、網(wǎng)絡通信電路、數(shù)碼管顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路和鍵盤掃描電路。在硬件設計中選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6作為整個模擬面板的主控制器，該芯片具有高性能、低成本、低功耗的特點，他依托于cortex-M3內(nèi)核，有256 Kb的片上Flash和48 Kb的內(nèi)部RAM，這極大地方便了嵌入式操作系統(tǒng)的移植，使控制系統(tǒng)具有實時性。包含有16路ADC和兩路DAC，三路SPI和兩路IIC等豐富的外設，驅(qū)動程序的編寫非常方便。以太網(wǎng)通信芯片采用具有固化TCP/IP協(xié)議的W5100芯片，鍵盤掃描芯片采用ZLG7290，存儲器芯片選用Atmel公司的AT24C02。

2.1 電源模塊

為了和整個DMS系列輪機模擬器外接電源相統(tǒng)一，本設計供電電源為24 V直流電，24 V直流電通過防反接二極管M7引入到TI公司的LM2575-5.0開關電源芯片上，輸出5 V直流電。在輸入端選用一個47 uF大電容濾出低頻噪聲，選用0.1 μF的陶瓷電容濾除高頻噪聲，選擇電容時要注意引腳一定要短；在輸出端接5V的穩(wěn)壓二極管，和330 μH的功率電感使電壓穩(wěn)定在5 V，輸出端同樣接一個大的電解電容和一個0.1 μF的陶瓷電容濾出紋波，使輸出電源穩(wěn)定。5 V直流電可供LCD2004使用，然而主控芯片STM32和網(wǎng)卡芯片工作電壓都是3.3 V，因此將得到的5 V直流電電通過 AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換得到穩(wěn)定的3.3 V直流電。電路連接如圖2所示。

圖2 電源電路圖

2.2 以太網(wǎng)通信設計

2.2.1 W5100模塊的設計

在線實時仿真系統(tǒng)必須滿足控制作用對實時性的要求，即信號傳輸足夠快且滿足信號 的確定性，對某些變量的數(shù)據(jù)要求準確及時刷新。工業(yè)以太網(wǎng)可以滿足輪機系統(tǒng)仿真中的大量數(shù)據(jù)交互需求，保證通信的確定性和實時性[2]。因此本設計中主控制器通過以太網(wǎng)和上位機進行數(shù)據(jù)交換，將學員在硬件實物模擬器上的操作和在上位機軟件上的操作結(jié)合起來。以太網(wǎng)通信芯片采用的是WIZnet公司生產(chǎn)的W5100，該集成電路內(nèi)部集成有10/100 M以太網(wǎng)控制器，并且集成了全硬件的、經(jīng)過多年市場驗證的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層和物理層。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口(Socket)編程[3]。W5100提供3種與單片機的接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。直接總線和間接總線借口都需要8位數(shù)據(jù)線和若干個地址線，占用的MCU IO引腳較多，本設計的主控制器需要驅(qū)動的外設較多，IO資源緊張，因此選用SPI總線接口。此種連接方法只需要4個引腳進行數(shù)據(jù)通信。這4個引腳分別定義為串行時鐘SCLK、從設備選擇SS、主設備輸出從設備輸入MOSI、主設備輸入從設備輸出MISO。此外還需一個GPIO作為W5100的硬件復位引腳，配置一個外部中斷來響應W5100的中斷。使用SPI模式時需要在W5100的SPI_EN管腳上接一個10K的電阻上拉至高電平。W5100與主控MCU的連接如圖3所示。

圖3 W5100 SPI連接模式圖

2.2.2 W5100的軟件程序設計

在SPI模式下，W5100使用“完整32位數(shù)據(jù)流”。完整的32位數(shù)據(jù)流包括一個字節(jié)的操作碼、2個字節(jié)的地址碼和1個字節(jié)的數(shù)據(jù)。W5100使用兩種操作代碼——讀代碼(0xf0)和寫代碼(0x0f)，其他的操作都不響應。下面是讀寫W5100的程序。

向W5100指定地址寫數(shù)據(jù)

void WRITE_W5100(u16 Addr,u8 Dat)

{

SPI_CS_L;//拉低片選電平選中W5100。

SPI1_ReadWriteByte(0xf0);

//向W5100發(fā)送寫數(shù)據(jù)功能碼。

SPI1_ReadWriteByte(Addr/256);

//向W5100發(fā)送寫入數(shù)據(jù)地址的高字節(jié)。

SPI1_ReadWriteByte(Addr);

// 向W5100發(fā)送寫入數(shù)據(jù)地址的低字節(jié)。

SPI1_ReadWriteByte(Dat);

// 向W5100發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)。

SPI_CS_H;

// 拉高片選電平，釋放W5100。

}

從W5100寄存器讀取數(shù)據(jù)

u8 READ_W5100(u16 Addr)

{u8 dat;

SPI_CS_L;

// 拉低片選電平，選中W5100。

SPI1_ReadWriteByte(0x0f);

// 向W5100發(fā)送讀數(shù)據(jù)功能碼。

SPI1_ReadWriteByte(Addr/256);

// 向W5100發(fā)送讀取數(shù)據(jù)地址的高字節(jié)。

SPI1_ReadWriteByte(Addr);

// 向W5100發(fā)送讀取數(shù)據(jù)地址的低字節(jié)。

dat = SPI1_ReadWriteByte(0x00);

// 發(fā)送啞讀信號，讀取值存放到dat中

SPI_CS_H;

// 拉高片選電平，釋放W5100。

return dat;

}

2.2.3 UDP通信控制流程

在程序中，正常情況下只需執(zhí)行一次UDP端口打開命令即可，然后通過中斷通知處理器去執(zhí)行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的讀取等工作，當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，處理器首先向W5100的發(fā)送緩沖區(qū)寫入將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后寫入開始發(fā)送指令，W5100即可自動的將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。

2.3 鍵盤掃描電路

因為控制面板的按鍵較多，因此設計時采用矩陣鍵盤模式，鍵盤掃描芯片采用周立功公司的ZLG7290。該鍵盤掃描芯片可以外接64個按鍵，并有8個復用功能按鍵。當有按鍵按下時，ZLG7290的中斷引腳會拉低電平，將此引腳和MCU的中斷引腳相連，配置MCU中斷為低電平有效，ZLG7290引腳拉低電平時，MCU就會產(chǎn)生中斷，捕獲到按鍵動作。MCU和ZLG7290通過IIC總線通信，當有按鍵按下時，鍵值將存在ZLG7290的一個寄存器中，MCU通過IIC從ZLG7290讀取鍵值來判斷是哪個按鍵被按下。使用ZLG7290作為按鍵掃描芯片，MCU不再需要循環(huán)檢測按鍵狀態(tài)，增強了控制系統(tǒng)實時性、可靠性，并節(jié)約了CPU資源。

3 面板功能展示

柴油發(fā)電機仿真模擬器的控制面板中，YECS-1000是一個對于H17/28，H21/32，H25/33，H32/40柴油發(fā)電機集控制、監(jiān)控的系統(tǒng)。它由監(jiān)控箱和端子箱組成。監(jiān)控箱由運行單元、溫度和壓力監(jiān)控單元以及廢氣溫度監(jiān)控單元三部分組成?？刂泼姘迳习?2個按鍵、63個指示燈、4個四位紅色數(shù)碼管、4個三位紅色數(shù)碼管和12個三位紅色數(shù)碼管組成。

面板左上邊的按鈕包括啟動按鈕和停止按鈕，用于啟動和停止柴油發(fā)電機。REMOTE、LOCAL、BLOCKING/RESET、LAMP TEST用于集控室遙控啟動和本地控制箱啟動、機器的重啟以及控制面板上面所有LED燈的檢測。啟動后對應的指示燈會亮，停止后對應指示燈熄滅?？刂泼姘迳厦纥S色的數(shù)碼管表示的是各種參數(shù)的正常運行范圍，紅色數(shù)碼管顯示各種參數(shù)的實時狀態(tài)值。當紅色數(shù)碼管中的值超過黃色數(shù)碼管中的范圍時，就會有報警產(chǎn)生，報警按鈕右上方的紅燈會不停的閃爍，按下一次報警按鈕確認報警，指示燈停止閃爍，當報警復位時，指示燈熄滅。右邊的向上向下鍵用于數(shù)碼管屏顯示的翻頁功能，返回鍵用于返回到上一層菜單。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 上位機軟件設計

上位機軟件采用C#編寫，主要作用是柴油發(fā)電機的界面展示和模型的建立。船舶柴油發(fā)電機仿真設備設計的主要目的是為了讓學員在一個舒適的環(huán)境中熟悉并掌握柴油發(fā)電機工作的原理和過程。這就要求要給學員提供友好的人機交互界面平臺。上位機軟件以育鯤輪柴油發(fā)電機系統(tǒng)和YECS-1000控制系統(tǒng)為母型進行仿真建模型。界面包括控制箱、管路、閥件、泵、加熱器、柴油發(fā)電機等設備。用不同顏色的線表示不同的管道，仿真界面直觀、逼真。除了要設計友好的人機交互界面，還要對柴油發(fā)電機系統(tǒng)進行精準的數(shù)學建模。建立的數(shù)學模型要嚴格按照實際柴油發(fā)電機的工作情況進行，才能全面逼真地反應真實柴油發(fā)電機的工作原理[4]。柴油發(fā)電機系統(tǒng)模型的建立包括管道模型、加熱器模型、水箱模型、柴油發(fā)電機本體模型、柴油發(fā)電機時序控制模型和故障監(jiān)測報警模型[5]。

4.2 通信協(xié)議的設計

由于板卡需要通過網(wǎng)絡與上位機或者其他節(jié)點通信，為準確實現(xiàn)功能，必要的通信協(xié)議是必不可少的[6]。本次設計以太網(wǎng)通信采用UDP通信協(xié)議，UDP通信協(xié)議格式如圖4所示。

圖4 UDP通信協(xié)議格式

在每個UDP數(shù)據(jù)報中，都包含6個字節(jié)的頭部：4字節(jié)的源IP地址和2字節(jié)的IP RAW數(shù)據(jù)的長度。用戶真正發(fā)送或者需要的數(shù)據(jù)就在IP RAW數(shù)據(jù)中，為提高通信的可靠性，也為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的功能，還要對IP RAW數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)自定義具體的協(xié)議，設計的協(xié)議格式如下。

“幀起始(0XFE)+幀長度+功能碼+數(shù)據(jù)(N個)+抑或校驗(去除幀起始)+幀結(jié)束(0XFF)”

例如，要控制電路板上所有的LED燈全亮，則需要發(fā)送以下數(shù)據(jù)幀：

“0xFE 0x07 0x06 0xFF 0x01 0xFF 0xFF”

其中“0x07”表示該數(shù)據(jù)幀中有7個字節(jié)，“0x06”表示LED控制的功能碼，“0xFF 0x01”表示LED全亮，倒數(shù)第二個“0xFF”表示“0x07 0x06 0xFF 0x01”的抑或校驗值，最后一個“0xFF”表示幀結(jié)束。為了保證通信的可靠性，板卡在接收到數(shù)據(jù)后向發(fā)送方回傳應答確認數(shù)據(jù)幀，

“fe 08 16 aa ff 01 4a ff”

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 實驗結(jié)果

通過對整個裝置的軟硬件進行設計，程序編寫完成編譯通過后，即可通過J-LINK工具將可執(zhí)行文件下載到硬件板卡中調(diào)試運行。在PC上借助于TCP&UDP 測試工具，通過網(wǎng)線與板卡相連，即可測試板卡的網(wǎng)絡通信、按鍵檢測、LED顯示等軟硬件的正確性。通過長時間強度測試和大數(shù)據(jù)強度測試，系統(tǒng)表現(xiàn)良好。

5.2 實驗分析

在硬件方面，本系統(tǒng)是在一般環(huán)境下測試的，沒有在在極其惡劣的環(huán)境下檢測。如果應用到實船上面，機艙周圍高溫、高噪聲以及電磁環(huán)境較強的情況下工作，勢必會受到較大干擾。

在軟件方面，部分程序的設計較困難，例如在對板卡接收的數(shù)據(jù)進行處理時，使用了巧妙的算法對程序進行了優(yōu)化。

在可靠性方面，以太網(wǎng)采用超時重發(fā)機制,單點的故障容易擴散[7],從而會造成整個測試系統(tǒng)的癱瘓，所以在長時間運行后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有待提高。

6 結(jié)論

柴油發(fā)電機模擬器以育鯤輪燃油柴油發(fā)電機系統(tǒng)和H32/40系列柴油發(fā)電機的YECS-1000控制系統(tǒng)為母型進行仿真設計。以ARM為主控制器對柴油發(fā)電機控制箱進行了實物仿真，采用C#語言在PC機上對柴油發(fā)電機系統(tǒng)進行了精準的數(shù)學模型建立。使學員能夠?qū)Υ安裼桶l(fā)電機的自動控制系統(tǒng)既有感性的認識，又能深刻的理解[8]。以YECS-1000控制系統(tǒng)為母型的柴油發(fā)電機模擬器克服了當前柴油發(fā)電機模擬控制系統(tǒng)落后于實船的問題，促進了輪機模擬器的發(fā)展。該仿真模擬器不但能夠滿足國際海事組織對船員培訓的要求，而且貼近實船操作，培訓環(huán)境比實船優(yōu)越。以穩(wěn)定性高、運行速度快、價格便宜的ARM微處理器作為主控元件的仿真控制箱，與采用價格昂貴的PLC相比，降低了柴油發(fā)電機仿真模擬器的成本。該仿真模擬器已經(jīng)投入實際的生產(chǎn)使用中，結(jié)果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，仿真數(shù)據(jù)準確。

[1] 賈寶柱,曹 輝,張均東,等.輪機模擬器及其關鍵技術[J].中國航海,2012(1):35-40.

[2] 王榮莉,雷 斌.工業(yè)以太網(wǎng)技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].自動化博覽,2004,22(4):64-66.

[3] 姜 樂.船舶電站并車與保護單元的設計與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學，2013.

[4] 趙 昭.基于LPC2214的電參數(shù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2008(5)：58-59.

[5] 徐華安, 程遠楚.基于TCP/IP的發(fā)電機運行參數(shù)在線監(jiān)測裝置[J]. 武漢大學學報：工學版,2010(5):654-657.

[6] 鮑軍暉.船舶柴油發(fā)電機控制的仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].上海:華東師范大學,2010.

[7] 陳長江, 李世臣. 船舶柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)的仿真設計與實現(xiàn)[J].船海工程, 2013,29(5):29.

Diesel Generator Engine Simulator Control Panel Design for Ten Thousands Containers Ship

Liu Bojiang, Zhang Jundong, Li Yanbiao, Huang Xiaosong, Wu Dong

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

In order to solve the problem that the marine simulators design of diesel generator simulator control system is behind the current advanced control system, put forward a kind of diesel generator simulator control system simulation design which based on YECS-1000 of H32/40 series control system. Introduced the overall structure of the diesel generator simulator, designed a simulation control box with ARM as the master components, realized the network communication, LED display, button scanning, etc. Using Visual C# programming language designed an interface on PC. The experimental results show that the oil purifier simulator based on YECS-1000 has the advantages of full-featured, stable operation and exactly similar with prototype. It can be achieved turbines teaching experiments and training of seafarers function.

diesel generator simulator; simulation; embedded; ethernet

2016-07-02；

2016-07-28。

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(3132016316)。

劉泊江(1991-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事于輪機自動化方向研究。

1671-4598(2016)09-0130-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.035

U664.5

A

張均東，男，浙江人，教授，博士生導師，主要從事于輪機自動化與智能化方向，船舶建模與仿真研究。