一種推進監(jiān)控裝置輔助調(diào)試系統(tǒng)的設計與應用

張予祥，張寅南

(1.上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部,上海 200135;2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

推進監(jiān)控裝置(以下簡稱“監(jiān)控裝置”)是用來對船舶推進主機、齒輪箱和推進器等推進設備進行狀態(tài)監(jiān)測、控制和保護的裝置。隨著機艙自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)控裝置承載的功能越來越多，功能的復雜化使得監(jiān)控裝置的在廠調(diào)試要求越來越高。

監(jiān)控裝置在廠調(diào)試通常有3種可選方案：

1) 完全使用手持儀器和小型儀器對監(jiān)控裝置進行測試(方案一)。該方案在早期調(diào)試階段應用較多，適用于功能較為簡單的監(jiān)控裝置，測試項目簡單、效率低。隨著監(jiān)控裝置功能的復雜化，該方案無法滿足調(diào)試生產(chǎn)需求。

2) 配置整套的推進設備配合監(jiān)控裝置進行測試(方案二)。該方案中整套的推進設備可用來充分監(jiān)控裝置的功能，但其經(jīng)濟成本和環(huán)保成本高昂、技術(shù)復雜，因而操作性較差；同時,監(jiān)控裝置的型號多樣，該方案難以滿足多種型號監(jiān)控裝置的調(diào)試需求。

3) 對推進設備進行半實物仿真或完全仿真，配合監(jiān)控裝置進行在廠調(diào)試(方案三)。該方案規(guī)避了方案一和方案二的缺點，可配合多種型號監(jiān)控裝置的調(diào)試，具有一定的通用性和經(jīng)濟性；同時，可對監(jiān)控裝置的復雜功能進行調(diào)試。

某專用船監(jiān)控裝置為新型設備，與以往的監(jiān)控裝置有很大的不同，對其進行功能驗證較為困難。本文采用方案三設計一種輔助調(diào)試系統(tǒng)，定性地驗證該監(jiān)控裝置的功能，解決其在廠調(diào)試問題；同時，提高調(diào)試效率，降低生產(chǎn)成本。

1 概述

1.1 輔助調(diào)試系統(tǒng)的原理和功能

在實船上，該監(jiān)控裝置負責對推進主機等推進設備進行控制、安全保護和數(shù)據(jù)監(jiān)測。在廠調(diào)試時，輔助調(diào)試系統(tǒng)對推進設備建立仿真模型，通過硬件與監(jiān)控裝置交換數(shù)據(jù)；同時，輔助調(diào)試系統(tǒng)代替推進設備配合進行控制和安全保護功能驗證,其中柴油機和電動機切換功能的驗證較為重要和困難。

輔助調(diào)試系統(tǒng)采用多種類型的接口模塊與監(jiān)控裝置建立連接，接口的數(shù)量留有余量，以備后期進行接口擴展。在對建立的仿真模型進行修改之后，輔助調(diào)試系統(tǒng)可配合其他型號的監(jiān)控裝置進行功能驗證。

1.2 輔助調(diào)試系統(tǒng)的應用環(huán)境

本文所述船舶采用柴油機和電動機混合推進方式，原理框圖見圖1。在寬闊水域，柴油機單獨驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)船舶快速航行；在狹窄水域，電動機單獨驅(qū)動螺旋槳，使船舶保持較高的機動性。通過使用SSS(Synchro-Self-Shifting)離合器，實現(xiàn)柴油機與電動機的切換。

圖1 目標船推進原理框圖

SSS離合器是一種通過棘輪棘爪定位、通過齒輪傳遞功率的離合器，由輸入法蘭、輸出法蘭和滑移組件等組成，可單向傳遞功率。在船舶正常航行時，柴油機通過離合器帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。柴油機和電動機切換的策略如下：

1) 船舶進入狹窄水域之后，電動機啟動并加速，SSS離合器逐漸接合并開始傳遞功率。此時柴油機離合器脫開，電動機通過SSS離合器帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

2) 船舶離開狹窄水域之后，柴油機啟動并加速至轉(zhuǎn)速與電動機相同之后接排，繼續(xù)加速至SSS離合器脫開。此時柴油機帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

1.3 輔助調(diào)試系統(tǒng)的部分模型

1.3.1 柴油機模型

為定性地驗證監(jiān)控裝置的功能,建立柴油機數(shù)學模型。在考慮摩擦扭矩的基礎(chǔ)上，建立平衡方程[9-10]為

(1)

式(1)中：J為柴油機的轉(zhuǎn)動慣量,t·m2；n為柴油機轉(zhuǎn)速,r/min；Md為柴油機的扭矩,kN·m；Mf為柴油機的摩擦力矩,kN·m；Mc為柴油機的負載摩擦力矩,kN·m。

1.3.2 螺旋槳模型[9-10]

在使用螺旋槳推進時,推力和轉(zhuǎn)矩的計算式可表示為

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：Tp為螺旋槳的推力；Mp為螺旋槳的阻力力矩；ρ為水的密度,kg/m3；D為螺旋槳的直徑,m；np為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；KT為推力系數(shù)；KQ為扭力系數(shù)。KT和KQ均為無因次系數(shù)，與進程比κ有關(guān)，需參考螺旋槳的敞水試驗相關(guān)數(shù)據(jù)獲取。

(4)

式(4)中：κ為進程比；vc為船速。

2 輔助調(diào)試系統(tǒng)的硬件設計

2.1 系統(tǒng)組成

輔助調(diào)試系統(tǒng)由上位管理機、USB-CAN、USB-RS485、轉(zhuǎn)速輸出和電流輸入等多種類型模塊組成，通過線纜與監(jiān)控裝置連接(見圖2)。輔助調(diào)試系統(tǒng)的硬件設備集中安裝在可移動的工作臺上，并配置電源模塊進行供電。

圖2 輔助調(diào)試系統(tǒng)的組成

上位管理機采用工業(yè)控制機，功能成熟、可靠；機身具有PCI和USB等接口，方便擴展各種接口模塊。輔助調(diào)試系統(tǒng)與監(jiān)控裝置的電流信號相互隔離。

2.2 系統(tǒng)接口

輔助調(diào)試系統(tǒng)與監(jiān)控裝置之間具有以下信號接口：

1) 頻率輸出。頻率輸出信號由輔助調(diào)試系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控裝置，用來模擬推進主機和軸系的轉(zhuǎn)速信號。通道數(shù)量為14路。

2) 電流輸入。輔助調(diào)試系統(tǒng)接收監(jiān)控裝置發(fā)出的調(diào)速命令電流和螺距指令等信號。該接口為高速通道，可滿足轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速的周期需求。通道數(shù)量為8路，信號為4～20 mA電流信號。

3) 電流輸出。電流輸出信號由輔助調(diào)試系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控裝置，用來模擬滑油、空氣等壓力信號。通道數(shù)量為40路，信號為4～20 mA電流信號。

4) 開關(guān)量輸入。輔助調(diào)試系統(tǒng)接收監(jiān)控裝置提供的啟停、接脫排等信號。通道數(shù)量為32路。

5) 開關(guān)量輸出。輔助調(diào)試系統(tǒng)提供開關(guān)量信號至監(jiān)控裝置，可用來模擬推進主機等設備的故障信號。通道數(shù)量為64路。

6) 通信。輔助調(diào)試系統(tǒng)與監(jiān)控裝置通過RS485接口進行數(shù)據(jù)交互。

3 輔助調(diào)試系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

輔助調(diào)試系統(tǒng)的軟件功能主要在上位管理機上實現(xiàn)，實現(xiàn)方式為仿真軟件與圖形界面軟件混合編程。上位管理機軟件原理框圖見圖3。在上位管理機上實現(xiàn)的功能如下。

圖3 上位管理機軟件原理框圖

3.1 運行實時仿真模型

使用MATLAB/Simulink構(gòu)建實時仿真模型。Simulink是一種可視化、框圖化的設計環(huán)境，可實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。模型在不同監(jiān)控裝置上應用時，可根據(jù)需要對其進行修改。

模型在運行時需與圖形界面程序進行數(shù)據(jù)交換，同時需接收監(jiān)控裝置的電流指令。為提高采樣速度和減少數(shù)據(jù)損失，電流輸入模塊的電流參數(shù)直接由實時仿真模型采集。

在Simulink環(huán)境下編輯完成仿真模型之后，需加載實時仿真內(nèi)核并進行編譯，同時將生成的目標文件放置在與圖形應用程序相同的目錄下。

輔助調(diào)試系統(tǒng)建立的實時仿真模型見圖4。在Simulink環(huán)境下構(gòu)建柴油機轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速模型、變頻器-電動機調(diào)速模型和SSS離合器轉(zhuǎn)速-功率模型等一系列模型。

圖4 輔助調(diào)試系統(tǒng)建立的實時仿真模型

3.2 運行圖形界面程序

圖形界面程序主要采用Microsoft Visual studio軟件和API(Application Program Interface)庫函數(shù)開發(fā)，其中Microsoft Visual studio是目前最流行的Windows平臺應用程序的集成開發(fā)環(huán)境。圖形界面程序具有人機界面、通信、輸入輸出和數(shù)據(jù)處理等功能。

1) 人機界面用來顯示推進設備的運行參數(shù)(包括數(shù)值和曲線)；同時，可設定需傳送給實時仿真模型和監(jiān)控裝置的參數(shù)。

2) 通過調(diào)用API函數(shù)驅(qū)動USB-CAN模塊收發(fā)CAN通信報文，實現(xiàn)輸出電流和收發(fā)開關(guān)量參數(shù)等功能；通過調(diào)用API函數(shù)驅(qū)動USB-RS485模塊收發(fā)Modbus報文。

3) 輸入輸出模塊將轉(zhuǎn)速等參數(shù)輸出至頻率輸出模塊，轉(zhuǎn)換成頻率脈沖傳送給監(jiān)控裝置。

4) 數(shù)據(jù)處理模塊完成圖形界面程序與實時仿真模型的數(shù)據(jù)交互和內(nèi)部數(shù)據(jù)處理。

在本文所述應用中，使用Microsoft Visual studio中的VC++開發(fā)環(huán)境，調(diào)用MATLAB引擎的API函數(shù)完成圖形界面程序與仿真模型之間的數(shù)據(jù)交互。使用的主要API函數(shù)[1]見表1。

在開發(fā)圖形界面程序時使用第三方控件庫，在移植該程序時需在目標機器上安裝控件庫，否則程序無法運行。

圖形界面程序使用VC++開發(fā)環(huán)境編寫，程序包含主界面(見圖5)和相關(guān)參數(shù)發(fā)送界面。主界面采用儀表、指示燈和按鈕等多種控件顯示主要參數(shù)及部分發(fā)送選項。參數(shù)發(fā)送界面可通過儀表、數(shù)值和曲線等方式顯示主機轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)，通過指示燈顯示主機、齒輪箱等設備的運行狀態(tài)，并可設定主機、電機等設備的部分參數(shù)和狀態(tài)。

圖5 圖形界面程序主界面

4 應 用

在使用該系統(tǒng)時，首先打開擴展名為“exe”的圖形界面程序，隨后點擊“打開MATLAB”按鈕,等待MATLAB引擎啟動。MATLAB引擎啟動之后即可點擊“啟動仿真”按鈕運行仿真模型。MATLAB引擎操作界面(局部)見圖6。

圖6 MATLAB引擎操作界面(局部)

在生產(chǎn)該型監(jiān)控裝置過程中，構(gòu)建的實時仿真模型基本上符合柴油機、電動機等設備的動態(tài)特性，能驗證監(jiān)控裝置的控制和安全保護等功能。圖7和圖8為輔助調(diào)試系統(tǒng)在該型監(jiān)控裝置調(diào)試中應用的部分運行圖。

1) 圖7中：柴油機初始時在800 r/min轉(zhuǎn)速、接排狀態(tài)下運行；電動機初始時在750 r/min轉(zhuǎn)速、SSS離合器脫開狀態(tài)下運行。當電動機的轉(zhuǎn)速逐漸增大至810 r/min時,SSS離合器逐漸接合，柴油機的轉(zhuǎn)速被帶至810 r/min。

圖7 電動機加速過程運行圖

圖8 電動機減速過程運行圖

2) 圖8中：柴油機初始時給定轉(zhuǎn)速為800 r/min，處于接排狀態(tài)，實際轉(zhuǎn)速為810 r/min；電動機初始時處于810 r/min轉(zhuǎn)速、SSS離合器接合狀態(tài)。此時逐漸降低電動機的轉(zhuǎn)速至740 r/min，SSS離合器逐漸脫開；同時，柴油機的轉(zhuǎn)速先小幅減小,最終穩(wěn)定在800 r/min。

從圖7和圖8中可看出,柴油機和電動機切換的曲線比較符合實際狀況，可用來驗證柴油機與電動機的切換功能。

5 結(jié) 語

針對某型推進監(jiān)控裝置的特點,利用本文設計的輔助調(diào)試系統(tǒng)對其建立仿真模型，比較貼合其運行狀態(tài)。在該型推進監(jiān)控裝置生產(chǎn)調(diào)試中，采用輔助調(diào)試系統(tǒng)對該裝置進行了功能性驗證，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了調(diào)試效率，為監(jiān)控裝置的實船調(diào)試提供了極大的便利。