船用閥門遙控系統(tǒng)的關鍵技術研究

林 炎

(中鐵福船海洋工程有限責任公司，福建 福州350015)

0 引言

最初船用閥門的控制系統(tǒng)主要依賴作業(yè)人員現(xiàn)場手控，操作簡單，精度較低，只有打開、暫停、關閉三種狀態(tài)，甚至沒有遠距離遙控的概念，僅能滿足船舶簡單的裝載或卸載需要。隨著我國工業(yè)化水平的提高，船舶技術迅速發(fā)展，為滿足運載需要，船舶的吃水深度越來越高，噸位越來越大，尤其在化學品船、大型油船等有特殊用途的船舶類型中，閥門控制系統(tǒng)已經(jīng)成為影響裝載和卸載效率的限制因素。為滿足新時代船舶發(fā)展的需求，船舶設計部門提出“閥門遙控技術”的概念，將其應用于大型、超大型的船舶中，并與監(jiān)控系統(tǒng)緊密結合，成為現(xiàn)代船舶重要的組成部分。因此，研究船舶遙控系統(tǒng)對于我國船舶及其相關工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

船舶遙控系統(tǒng)經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，已經(jīng)由模擬控制面板轉(zhuǎn)向計算機控制平臺。傳統(tǒng)模擬控制面板遙控系統(tǒng)獨立于船舶內(nèi)其他控制系統(tǒng)，有單獨的軟件系統(tǒng)和處理單元，安全可靠，但自動化水平較低，無法與現(xiàn)代化船舶新型艙室控制體系進行協(xié)調(diào)自洽，于是計算機控制平臺開始出現(xiàn)，并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)遙控系統(tǒng)成為新一代船用閥門控制系統(tǒng)的核心。計算機控制平臺的空間要求更小，與船舶內(nèi)其他控制系統(tǒng)的結合更加方便，能夠更好地實現(xiàn)整個船艙內(nèi)的資源共享，為船舶艙內(nèi)系統(tǒng)的完全集成化提供了研究方向和技術基礎。

本文闡述了船用閥門控制系統(tǒng)的總體設計，詳細分析了船舶閥門控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計，并從間接式閥位指示技術和電液集成式閥門遙控技術兩個方面研究船舶閥門遙控系統(tǒng)的關鍵技術，旨在推動國內(nèi)在該領域的研究，使得我國能夠自行掌握該系統(tǒng)的核心技術，突破國外對該領域的壟斷，提高國產(chǎn)化船舶設備的裝船率。

1 船用閥門控制系統(tǒng)總體設計

船用閥門控制系統(tǒng)分兩個主要部分：上位機、現(xiàn)場控制器，這兩部分的連接關系如圖1所示。

圖1 雙CAN總線閥門控制系統(tǒng)總體設計框架圖

上機位主要為控制單元，包括遠程控制板和現(xiàn)場控制板。遠程控制板安裝在控制室或者機艙集控室的控制臺上，并配有模擬管系圖的人機交互界面，用來顯示和管理閥門的狀態(tài)和參數(shù)，從而使用戶能更直觀地了解系統(tǒng)運行情況并方便控制。當然，也可以在現(xiàn)場控制板上進行控制。而現(xiàn)場控制器的微控制器裝置能夠遵從上機位指令進行閥門控制，并反饋上傳現(xiàn)場信息，保證上位機與閥門現(xiàn)場的通訊聯(lián)系。

操作人員在上位機位置對閥門的開閉狀態(tài)進行控制，現(xiàn)場控制器將船艙閥門的實際狀態(tài)和信息參數(shù)反饋給上位機，這之間主要通過控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network，CAN)總線進行通信。CAN是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是多絞線、同軸電纜或光導纖維，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：傳輸更隱蔽；信號傳輸?shù)亩處Y構傳輸時間短，受干擾率低；總線信號傳遞速率快，傳輸距離遠，可掛接設備數(shù)多，節(jié)點控制靈活。CAN總線在出現(xiàn)故障時會自動切換至備用主線系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，確保整個船艙系統(tǒng)的正常運行。

2 船用閥門控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 上位機設計

上位機系統(tǒng)的硬件包括計算機控制系統(tǒng)和CAN總線接口卡兩個主要部分。將集成了CAN通道的適配卡通過采集卡插槽與主機相連，可實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)與CAN總線的數(shù)據(jù)通訊，對下游控制器進行遠程遙控。

2.2 現(xiàn)場控制器設計

現(xiàn)場控制器的核心元件為微控制器，微控制器是由各種型號的芯片核心組成的工控模塊，其內(nèi)部包括CAN總線控制模塊。目前船用閥門遙控系統(tǒng)多采用ARM(Advanced RISC Machine，ARM)處理器作為其可編程智能微型控制器。ARM處理器采用了精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer, RISC)指令結構，指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多，具有高指令吞吐量、出色的實時中斷響應、小且高性價比的處理器宏單元等特點。ARM處理器具有優(yōu)異的性能，不僅功耗低，使用門的數(shù)量還很少，很適合用于對于功耗要求嚴格的船用閥門控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場控制器除微控制器外，還包含小型電機、液壓缸及相關配套設備、傳感器、電流檢測裝置等。

整個現(xiàn)場控制器的硬件系統(tǒng)如圖2所示。

上位機通過CAN總線傳遞指令到微控制器，微控制器控制電機、液壓缸等執(zhí)行機構來執(zhí)行指令，并通過傳感器測量閥門旋轉(zhuǎn)角度對實際開閉程度進行監(jiān)控；通過電流檢測裝置對電機運行過程進行監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)反饋到上機位。

3 船用閥門控制系統(tǒng)的軟件設計

與硬件設計一樣，我國現(xiàn)代船舶閥門遙控系統(tǒng)的軟件設計也包括兩個部分：上位機軟件系統(tǒng)和現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)。上位機軟件系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測各閥門狀態(tài)和遠程控制閥門運行。目前常用的上位機軟件系統(tǒng)界面多是由VB6.0進行開發(fā)的。在軟件啟動后，系統(tǒng)首先會自動進行初始化設置，然后形成監(jiān)控界面，進入運行模式?，F(xiàn)場控制器軟件獨立于上位機軟件系統(tǒng)，應用C語言編程進行開發(fā)，這種設計方式可以有效提高現(xiàn)場控制器軟件的程序可讀性和可移植性?，F(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)的主要功能包括閥門狀態(tài)和運行過程信息的采集和監(jiān)測、閥門控制動作的執(zhí)行、與上位機系統(tǒng)的連接與通訊等?，F(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)設計包括主程序的設計和CAN通信設計，以及相關連接程序的設計。主程序負責各閥門數(shù)據(jù)信息的采集、接受上位機系統(tǒng)信號、執(zhí)行運行指令等?，F(xiàn)場控制器包括現(xiàn)場和遠程兩種控制方式。在現(xiàn)場控制模式下，操作人員通過手動操作對閥門進行控制，上位機只能通過軟件系統(tǒng)進行監(jiān)控；在遠程遙控模式下，上位機能夠通過下達指令，經(jīng)由現(xiàn)場控制軟件對閥門進行控制。CAN通信設計負責CAN總線相關的各條數(shù)據(jù)信息的整合和維護，功能較為單一，程序設計較為簡單。

圖2 船用閥門遙控系統(tǒng)現(xiàn)場控制器框架圖

4 船用閥門遙控系統(tǒng)的關鍵技術

4.1 間接式閥位指示技術

間接式閥位指示技術的核心是指示閥門的設計和研發(fā)。指示閥門需要通過測量元件對閥門因每次驅(qū)動引起的機械誤差和溫度變化導致的管路容積變化進行測量，對閥門實際開閉狀態(tài)進行精確監(jiān)控。指示閥門的技術元件包括計量油缸型閥位指示器和壓力溫度補償模塊。閥位指示器的內(nèi)部結構包括位控閥、旋轉(zhuǎn)芯軸、螺釘銷軸、導向銷軸、測顯機構、缸體、端蓋、活塞等。閥位指示器串聯(lián)于低壓控制回路，由流經(jīng)其中的液體通過活塞進行驅(qū)動，以保持閥門的開閉狀態(tài)。壓力溫度補償模塊可以保證間接測量的結果不會因管路長度、油溫變化等原因受到影響，模塊由阻尼孔、換向閥、單向閥、閥芯、閥體等結構組成。閥芯可對油路的連通情況進行控制，保證在工作過程中油路內(nèi)油壓始終處于低壓水平，避免管路過長和油溫變化帶來的誤差影響；模塊底部的連接面多采用圓形槽，以保證油路的密封性；換向閥能夠通過壓力油的流向?qū)﹂y門開閉進行控制。壓力溫度補償模塊在組建完成后需要對其換向性能、滑閥技能、耐壓性等性能進行測試，還要經(jīng)過內(nèi)、外泄漏試驗和壓力損失試驗等才能正式投入使用。

4.2 電液集成式閥門遙控技術

電液集成式船用閥門的遙控技術在最近幾年得到得到快速發(fā)展，并迅速應用于現(xiàn)代船舶的遙控閥門控制系統(tǒng)。電液集成式遙控閥門的核心組件包括閥門驅(qū)動裝置和控制模塊。閥門驅(qū)動裝置的原理為：在接到上位機指令后閥門驅(qū)動裝置的泵機運轉(zhuǎn)，壓力油輸出并流入活塞腔推動齒輪運轉(zhuǎn)，控制閥門的開閉。電液集成式閥門驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)的閥門驅(qū)動裝置相比，增添了閥位指示器、控制閥板、電液集成式液壓泵機組等組件，通過控制閥板改變壓力油的泵出流向，實現(xiàn)閥門的轉(zhuǎn)動。閥位指示器通過現(xiàn)場微型感受器對閥門開閉狀態(tài)和位置信息進行監(jiān)控和指示。電液集成式船用閥門驅(qū)動裝置結構簡單、元件較少、控制精準，近年來在國內(nèi)外遠航船舶中應用較為廣泛?？刂颇K主要用于各裝置信息的整合和分析，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)信息對各閥門運行狀況進行監(jiān)控。目前最常用的控制模塊是各種型號的嵌入式工程控制模塊，這種控制模塊可通過C語言函數(shù)實現(xiàn)對各種操作指令的編寫和下達，并與CAN總線系統(tǒng)相連，完成數(shù)據(jù)通訊。新型迷你可編程智能系統(tǒng)能耗大幅度降低，硬件結構更緊湊，功能更完善，用戶程序更簡潔，已經(jīng)應用于電液集成式船用閥門遙控系統(tǒng)之中。

5 結語

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，船用閥門的控制系統(tǒng)為滿足現(xiàn)代船舶的實際需求不斷進行更新?lián)Q代，新型遙控系統(tǒng)依托計算機技術與船艙監(jiān)控系統(tǒng)相互結合，成為新型船舶系統(tǒng)中重要的一環(huán)。然而，船用閥門的遙控系統(tǒng)自主研發(fā)難度大，需要突破的科技難題較多，經(jīng)濟附加值巨大，核心技術被國外船舶制造企業(yè)壟斷，一直是制約我國現(xiàn)代船舶自動化裝卸載技術發(fā)展的重要原因。當前，我國船用閥門遙控系統(tǒng)的關鍵技術經(jīng)過多年努力已經(jīng)取得部分突破，電液集成技術、遙控技術等新型控制技術獲得發(fā)展，國產(chǎn)設備在現(xiàn)代船舶的裝船率正在不斷提高。

參考文獻：

[1] 王良武,李瑋,謝承利,等. 船用電液驅(qū)動閥門遙控系統(tǒng)潛水性能試驗研究[J]. 船海工程, 2014，43(6):48-51,54.

[2] 黃自瑩,吳建國,章智敏. 基于冗余 CAN總線的船用閥門嵌入式控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術, 2011(10):7-12.

[3] 盛巍巍,吳建國,杜文靜. 基于CAN總線的船用閥門控制系統(tǒng)的設計[J]. 工業(yè)控制計算機, 2010(8):36-37.

[4] 衛(wèi)少克. 船用閥門遙控系統(tǒng)的關鍵技術研究[J]. 船舶工程, 2013，35(3):76-77,93.