基于單片機(jī)的供油單元實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡俊　余峰　李加剛　張斯其　張義科

摘要：船舶燃油供油單元是船舶動(dòng)力系統(tǒng)中最重要的組成部分，隨著重油在商船中的廣泛使用，設(shè)計(jì)合理的供油單元以及提高輪機(jī)管理人員的專(zhuān)業(yè)技能十分關(guān)鍵。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的供油單元的實(shí)訓(xùn)裝置，該裝置基于MCS80C51單片機(jī)，仿真了供油單元的相關(guān)設(shè)備，同時(shí)設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，提高了該裝置的實(shí)用性，滿(mǎn)足了廣大航海院校師生教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：船舶;供油單元;實(shí)訓(xùn)裝置;單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：U665

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.1591 3/j .cnki.kjycx.2019.09.013

目前，幾乎所有的船舶都設(shè)置了燃油供油單元，目的在于高效地利用好燃用重油，便于控制和管理。供油單元可以對(duì)燃油的粘度和溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，主要對(duì)燃油粘度進(jìn)行控制。船舶柴油機(jī)燃油粘度控制是一種較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，具有一定的非線(xiàn)性、時(shí)變不確定性、時(shí)滯特性等特點(diǎn)。同時(shí)，燃油受到一些環(huán)境、人為因素的影響，其粘度變化也是隨機(jī)的，這使控制系統(tǒng)的過(guò)程參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化。為了使輪機(jī)管理人員和航海類(lèi)院校的學(xué)生更好地理解燃油系統(tǒng)的工作原理和控制過(guò)程，本課題根據(jù)國(guó)際海事組織機(jī)構(gòu)相關(guān)要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適合于船員評(píng)估和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室仿真“基于單片機(jī)的供油單元”，以方便理論授課與實(shí)踐操作相結(jié)合，讓學(xué)員更好地理解實(shí)船的系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行原理、維修保養(yǎng)及故障分析，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[1]。

1 阿法拉伐供油單元供油系統(tǒng)組成

阿法拉伐原創(chuàng)的燃油供油單元如圖1所示，該燃油供油單元具有較高的強(qiáng)度和靈活性，因此，滿(mǎn)足當(dāng)今的船舶的需求。阿法拉伐新推出的燃油供油單元不僅整合了加熱和冷卻功能，而且實(shí)現(xiàn)了同一控制器驅(qū)動(dòng)同一模塊。

該裝置不僅可以精確地匹配不同規(guī)格的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能夠?qū)Χ喾N燃油進(jìn)行處理，對(duì)燃油進(jìn)行混合，對(duì)重油與輕油之間的自動(dòng)切換進(jìn)行控制，還可以使輪機(jī)管理人員根據(jù)具體情況，靈活地選擇燃油，使燃油滿(mǎn)足相關(guān)的要求和提高能源效率。對(duì)于燃燒殘油和蒸餾油的船舶來(lái)說(shuō)，阿法拉伐供油單元還擁有更加安全和快捷的轉(zhuǎn)換功能。該燃油供油單元的控制系統(tǒng)可以確保燃油參數(shù)平穩(wěn)，使燃油有序升溫，而不受柴油機(jī)負(fù)荷的影響。它實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的原因是基于燃油的粘度在溫度變化的同時(shí)維持在很小的范圍內(nèi)，這樣可以避免因?yàn)檎扯炔▌?dòng)觸發(fā)報(bào)警，使處理速度加快，這將有效地縮短燃油轉(zhuǎn)換時(shí)間，消耗更少的蒸餾油[2]。

2 阿法拉伐供油單元供油控制系統(tǒng)

為了解決現(xiàn)代商船上的燃油供給和自動(dòng)控制，阿法拉伐公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的供油單元FCM可對(duì)燃油系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)視和對(duì)燃油的粘度控制，實(shí)現(xiàn)這些功能的核心是控制器EPC-50B。供油單元組成如圖2所示。

燃油從混合桶進(jìn)入高壓級(jí)，其中包括循環(huán)泵、燃油加熱器、溫度傳感器PTIOO、壓力傳感器和粘度傳感器EVT20。為了防止燃料噴油器干轉(zhuǎn)，流量在此階段總是設(shè)置為多于實(shí)際油耗率。系統(tǒng)中流量和壓力由主機(jī)制造商決定。粘度傳感器測(cè)量燃油粘度并發(fā)送一個(gè)信號(hào)到控制器，它的粘度值與主機(jī)造商粘度值進(jìn)行比較。根據(jù)粘度要求，控制器使加熱器使燃油加熱到相應(yīng)的粘度值。系統(tǒng)中的壓力由回油管路上背壓閥決定。如果燃油系統(tǒng)壓力下降，系統(tǒng)自動(dòng)激活備用泵和觸發(fā)器“泵轉(zhuǎn)變”報(bào)警，指示燈顯示哪一個(gè)泵在運(yùn)行。

3 阿法拉伐供油單元控制系統(tǒng)分析

同一種燃油的溫度變化要比粘度變化敏感一些，所以供油單元采用溫度和粘度的定值控制。這二種控制可以互為備用，來(lái)提高控制系統(tǒng)的可靠性。溫度傳感器PTIOO和粘度傳感器EVT-20分別監(jiān)測(cè)燃油的出口溫度和粘度，并將溫度和粘度大小轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)和電壓信號(hào)。EPC50設(shè)有PI調(diào)節(jié)器，可以對(duì)輕油進(jìn)行溫度控制，而對(duì)重油進(jìn)行溫度或粘度定值控制。粘度或溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出是控制蒸汽加熱器的調(diào)壓閥或者電加熱器的接觸器，來(lái)達(dá)到控制燃油粘度和溫度的目的[3]。

系統(tǒng)除了溫度和粘度的定制控制之外，還有燃油供給泵的運(yùn)行備用功能、燃油循環(huán)泵的運(yùn)行備用功能、DO/HFO的自動(dòng)切換功能、濾器的自動(dòng)控制、回油的自動(dòng)脫氣控制、遠(yuǎn)程控制等功能。主機(jī)供油單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 燃油粘度溫度控制

主機(jī)供油單元可以實(shí)現(xiàn)燃油的溫度控制和粘度控制。溫度控制系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)器、蒸汽調(diào)節(jié)閥等，粘度控制系統(tǒng)主要包括測(cè)粘計(jì)、粘度調(diào)節(jié)器、霧化加熱器、蒸汽調(diào)節(jié)閥等。主機(jī)燃用輕油時(shí)主機(jī)供油單元對(duì)輕油進(jìn)行輕油定值控制，此時(shí)粘度報(bào)警被抑制。主機(jī)燃用重油時(shí)主機(jī)供油單元對(duì)其進(jìn)行燃油粘度溫度綜合控制方案，當(dāng)燃油粘度值在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器對(duì)粘度值對(duì)應(yīng)的溫度值進(jìn)行定值控制，燃油粘度值超出設(shè)定值時(shí)粘度調(diào)節(jié)器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度將燃油粘度維持在設(shè)定范圍內(nèi)[4]。在進(jìn)行輕、重油切換時(shí)，三通轉(zhuǎn)換閥按照溫度調(diào)節(jié)器和粘度調(diào)節(jié)器的程序動(dòng)作，完成輕、重油的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3.2 DO/HFO的轉(zhuǎn)換控制

該供油單元設(shè)有不同的控制模式，在控制柜上設(shè)有重油控制模式HFO和輕油控制模式DO，EPC50相應(yīng)設(shè)有2套設(shè)置和報(bào)警參數(shù)，并有相應(yīng)的LED顯示。

3.2.1 DO控制模式

當(dāng)控制器為DO（柴油）模式時(shí)，EPC-50B自動(dòng)選擇為溫度控制模式，加熱程序由溫升參數(shù)控制。溫升參數(shù)可以是燃油在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)加熱到設(shè)定的溫度。在這個(gè)時(shí)期，低粘度和低溫報(bào)警是無(wú)效的。在此期間設(shè)置了一個(gè)最長(zhǎng)時(shí)間，如果超過(guò)了最長(zhǎng)時(shí)間，控制系統(tǒng)則會(huì)報(bào)警。

3.2.2 從OFF轉(zhuǎn)換到HFO或者從DO轉(zhuǎn)換到HFO

當(dāng)控制器為HFO（重油）模式時(shí)，或者從DO轉(zhuǎn)換為HFO時(shí)，燃油的粘度和溫度被監(jiān)測(cè)和顯示。加熱程序按重油的溫升參數(shù)控制。一旦從DO轉(zhuǎn)換到HFO，則EPC-50B可以檢測(cè)到粘度的增加，表明系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了重油，則重油將會(huì)被加熱。在加熱期間，如果檢測(cè)到燃油的粘度降低，則加熱將會(huì)停止。當(dāng)溫度已經(jīng)低于重油溫度設(shè)定值3℃時(shí)，控制器自動(dòng)切換到粘度控制。在此切換的過(guò)程中，低粘度和低溫度也是無(wú)效的。系統(tǒng)也設(shè)置了最長(zhǎng)的加熱時(shí)間，如果加熱超過(guò)了最長(zhǎng)的加熱時(shí)間，系統(tǒng)則會(huì)報(bào)警。

3.2.3 HFO轉(zhuǎn)換到DO

從重油轉(zhuǎn)換到柴油時(shí)，控制器繼續(xù)控制燃油粘度，同時(shí)降低重油和柴油的混合溫度保持粘度值。當(dāng)溫度達(dá)到柴油的設(shè)定值時(shí)，控制模式自動(dòng)的轉(zhuǎn)換為柴油模式即溫度模式。

3.2.4 HFO和DO自動(dòng)轉(zhuǎn)換

如果加熱器故障，系統(tǒng)自動(dòng)延時(shí)2 min轉(zhuǎn)換為柴油。該系統(tǒng)電動(dòng)或氣動(dòng)轉(zhuǎn)換閥，系統(tǒng)設(shè)置了主機(jī)最大燃油消耗量，如果出現(xiàn)燃油消耗量小于參數(shù)值2 nun后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到DO控制模式。由于換油過(guò)程中繼續(xù)保持燃油的粘度控制，所以一旦需要加熱情況，系統(tǒng)在此由DO到HFO模式，即保持加熱到設(shè)定溫度后，新一輪的粘度控制開(kāi)始。

4 供油單元實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)

4.1 主控單元

本系統(tǒng)采用Intel公司生產(chǎn)的MCS80C51系列單片機(jī)，它是8048的升級(jí)。改進(jìn)了8048的缺點(diǎn)，增加了如乘MUL、除DIV、減SUBB、比較CMP、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運(yùn)算等指令以及串行通信能力和5個(gè)中斷源。80C51有2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、2個(gè)外中斷、2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)中斷和1個(gè)串行中斷，4個(gè)8位并行接口，采用40引腳雙列直插式。內(nèi)有128個(gè)RAM單元及4K的ROM。由于80C51系列單片機(jī)的系統(tǒng)性能滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時(shí)間精度的要求，而且應(yīng)用也很成熟，目前已經(jīng)廣泛作為控制系統(tǒng)的核心。

4.2 粘度模擬電位器

由于系統(tǒng)中沒(méi)有真實(shí)燃油，測(cè)粘計(jì)齒輪不能干轉(zhuǎn)，所以測(cè)粘計(jì)馬達(dá)電源未接。為了模擬燃油粘度的變化，本系統(tǒng)利用了一個(gè)粘度模擬電位器，但是此電位器在本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只能手動(dòng)，當(dāng)控制器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥動(dòng)作或系統(tǒng)進(jìn)行“輕油一重油”轉(zhuǎn)換時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)粘度模擬電位器使之與相應(yīng)粘度變化匹配。這一點(diǎn)會(huì)給我們的模擬過(guò)程帶來(lái)誤差，但是對(duì)實(shí)訓(xùn)裝置的控制影響可以忽略不計(jì)[4]。

4.3 溫度模擬電位器

由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用的燃油加熱器是蒸汽加熱器模型，所以當(dāng)控制器控制蒸汽調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)，PTIOO的阻值并不改變。為此，系統(tǒng)中采用溫度模擬電位器來(lái)模擬PTIOO阻值隨溫度的變化并送人電流變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，反映實(shí)際測(cè)量溫度值。但本模擬系統(tǒng)中，溫度模擬電位器只能手動(dòng)，這需要操作人員能根據(jù)實(shí)際升溫或降溫情況，來(lái)模擬阻值大小，當(dāng)然與實(shí)際系統(tǒng)相比會(huì)有一定的誤差。

4.4 溫度粘度控制方式

EPC-50B其實(shí)是一個(gè)單片機(jī)微處理器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視、顯示燃油的溫度粘度，主要由溫度調(diào)節(jié)器和粘度調(diào)節(jié)器組成，顯示和控制來(lái)自粘度傳感器和溫度傳感器的輸入信號(hào)，輸出控制信號(hào)到蒸汽加熱裝置的蒸汽調(diào)節(jié)閥或者電加熱器的接觸器?？梢詫?duì)輕油（DO）進(jìn)行溫度控制，對(duì)重油（ HFO）進(jìn)行溫度或者粘度控制，2種控制方式在升溫或者降溫的過(guò)程中有升溫速率的程序和降溫粘度的定值控制，另外設(shè)有手動(dòng)控制蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方式。各種控制方式均有粘度和溫度的顯示。

4.5 溫度粘度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足主機(jī)燃油噴射要求需要對(duì)燃油加熱使其粘度符合使用要求，燃油的溫度和粘度控制主要分為以下三種模式：①當(dāng)主機(jī)供油單元從停止工作到燃用輕油，首先按照預(yù)定速率規(guī)律對(duì)輕油進(jìn)行加熱，使其油溫呈線(xiàn)性增加，在加熱過(guò)程中低溫、低粘度報(bào)警被抑制。當(dāng)輕油被加熱至溫度定值控制設(shè)定溫度以下3℃時(shí)，加熱過(guò)程結(jié)束轉(zhuǎn)入溫度定值控制。轉(zhuǎn)入溫度定值控制后粘度報(bào)警被抑制。設(shè)置最長(zhǎng)加熱時(shí)間，超出后沒(méi)有達(dá)到指定溫度則發(fā)生報(bào)警。燃用輕油工作邏輯如圖4所示。②當(dāng)由停止工作或輕油轉(zhuǎn)換為重油時(shí)，控制蒸汽閥的開(kāi)度，對(duì)輕油加熱使輕油溫度呈線(xiàn)性上升，此時(shí)燃油低溫、低粘度報(bào)警抑制。當(dāng)輕油溫度達(dá)到燃油切換溫度時(shí)，三通轉(zhuǎn)換閥開(kāi)始動(dòng)作，此時(shí)控制器使燃油的溫度維持在切換油溫，大概1 min的時(shí)間三通閥切換完畢，油溫的控制由PI控制轉(zhuǎn)為線(xiàn)性控制，使燃油溫度呈線(xiàn)性化上升。當(dāng)燃油溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，加溫過(guò)程結(jié)束轉(zhuǎn)入溫度定值或者粘度定值控制。燃用重油工作邏輯如圖5所示。③當(dāng)豐機(jī)燃用重油時(shí)，主機(jī)供油單元對(duì)燃油進(jìn)行PI控制，此時(shí)可選擇粘度控制模式或者溫度控制模式。當(dāng)選擇粘度控制模式時(shí)，通過(guò)控制蒸汽閥的開(kāi)度使其粘度維持在設(shè)定粘度范圍內(nèi);當(dāng)選擇溫度控制模式時(shí)，控制蒸汽閥的開(kāi)度使燃油溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)粘度值超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)粘度控制程序會(huì)引發(fā)中斷對(duì)燃油進(jìn)行粘度控制。

5 結(jié)論

本文通過(guò)研究實(shí)際船用供油單元，設(shè)計(jì)出供輪機(jī)管理師生和輪機(jī)管理從業(yè)者的供油單元實(shí)訓(xùn)裝置，提供了一個(gè)實(shí)訓(xùn)操作平臺(tái)，通過(guò)該裝置可提高實(shí)踐操作技能水平。

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