謝木森， 李 賀

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

XIE Musen， LI He

基于ARM的貨油泵透平控制裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

謝木森， 李 賀

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

透平驅(qū)動系統(tǒng)是貨油泵系統(tǒng)的核心設(shè)備，結(jié)構(gòu)復雜，對實時控制、監(jiān)測報警及安全保護等功能的要求較高，透平控制裝置是其關(guān)鍵組成部分。通過對透平驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理和運行流程進行介紹，分析透平驅(qū)動控制裝置的功能需求；運用ARM技術(shù)搭建透平驅(qū)動系統(tǒng)控制裝置的軟硬件環(huán)境，實現(xiàn)對透平驅(qū)動系統(tǒng)的實時控制和監(jiān)測保護。通過軟件、硬件調(diào)試驗證，實現(xiàn)貨油泵透平驅(qū)動控制裝置的研發(fā)。該裝置的成功研發(fā)和實船應用有利于我國透平驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

船舶工程；ARM；透平控制裝置；μC/OS-II；透平驅(qū)動系統(tǒng)

XIEMusen，LIHe

Abstract: The principle and operation of the turbine controller, the core of the turbine drive system of the cargo oil pump system, are introduced and the function requirements for the controller are analyzed. The controller is designed based on the Advanced RISC Machines(ARM) technology to ensure the stability, the safety and the real-time responses. The implementation process is presented, covering hardware and software debugging testing. The development experience is noteworthy because of the comprehensive and strict requirements for the turbine controller.

Keywords: ship engineering; ARM; turbine controller; μC/OS-II; turbine drive system

貨油泵系統(tǒng)是用來向外部泵送油船、化學品船和補給船等船舶液貨艙內(nèi)的液貨的設(shè)備，透平驅(qū)動系統(tǒng)是其核心設(shè)備，主要用于貨油泵的動力驅(qū)動。透平控制裝置[1]是透平驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要對透平驅(qū)動系統(tǒng)進行實時控制、監(jiān)測報警和安全保護，實時性要求高。透平驅(qū)動系統(tǒng)功能多、技術(shù)難度大、需要監(jiān)測控制的情況復雜，目前我國對該系統(tǒng)的研發(fā)生產(chǎn)還處于起步階段。

上海船舶運輸科學研究所運用ARM(Advanced RISC Machines)技術(shù)研制了一款針對大型貨油泵透平驅(qū)動系統(tǒng)的透平控制裝置，完全能實現(xiàn)對透平驅(qū)動系統(tǒng)的實時控制，實時在線監(jiān)測其工作狀態(tài)，并提供安全保護策略，迅速處理各種報警信息。該透平控制裝置已通過實船試驗，完全符合實船應用要求。

1 裝置概述

1.1透平驅(qū)動系統(tǒng)工作原理

透平驅(qū)動系統(tǒng)主要由透平機、調(diào)速器(包括配速電動機、齒輪泵等)、速關(guān)閥組件(包括速關(guān)調(diào)節(jié)閥、速關(guān)閥執(zhí)行油缸及速關(guān)閥控制電磁閥)、齒輪箱、潤滑油系統(tǒng)(包括輔油泵、主油泵、油箱、液壓管路及冷卻器等)、蒸汽管路、超速保護裝置和電氣控制系統(tǒng)(包括透平控制模塊、機旁控制箱及控制面板)等組成[2]，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

透平驅(qū)動系統(tǒng)基本運行流程[3]見圖2，包括啟動備機工況、升速運行工況、恒轉(zhuǎn)速運行工況、透平轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)工況、正常停機減速工況和應急停止減速工況。

圖1 透平驅(qū)動系統(tǒng)組成

圖2 透平驅(qū)動系統(tǒng)運行流程

1.2透平控制裝置功能

通過梳理透平驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行流程可知，透平控制裝置需具備實時控制、安全保護和狀態(tài)監(jiān)測報警等功能。[4]

1.2.1實時控制功能

實時控制包括對調(diào)速器、速關(guān)控制電磁閥和輔油泵等設(shè)備的控制[5]，以實現(xiàn)以下4種功能。

(1) 本地/遠程切換功能：本地指透平控制裝置的控制面板，遠程指延伸貨控室控制面板，本地控制的優(yōu)先級要高于遠程控制。

(2) 啟動功能：若滿足啟動條件，則在收到啟動指令后首先啟動輔油泵；其次打開速關(guān)控制電磁閥；最后微開速關(guān)調(diào)節(jié)閥手輪，讓高壓熱蒸汽進入汽缸進行暖缸疏水，當透平機轉(zhuǎn)速<700 r/min時保持輔油泵強制運行。

(3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能：啟動加速階段，當透平機轉(zhuǎn)速≥700 r/min時，根據(jù)輔油泵滑油壓力的高低判斷是否運行，通過調(diào)速器的配速電動機正反轉(zhuǎn)控制速關(guān)調(diào)節(jié)閥的開度實現(xiàn)配速。

(4) 停止功能：當有停機指令(正常停機、緊急停機和安保動作停機)時，立即關(guān)閉速關(guān)控制電磁閥，切斷速關(guān)調(diào)節(jié)閥，同時啟動輔油泵并延時運行0.5 h后停機。

1.2.2安全保護功能

安全保護包括對透平驅(qū)動系統(tǒng)運行參數(shù)的監(jiān)測，檢測一類故障，以保護透平驅(qū)動系統(tǒng)。一類故障包括透平超速、輔油泵滑油壓力過低、排氣壓力過高和轉(zhuǎn)子軸向位移過大等故障，檢測到此類故障時執(zhí)行聲光報警，發(fā)出停機報警指令。

1.2.3狀態(tài)監(jiān)測報警功能

狀態(tài)監(jiān)測包括對各項運行參數(shù)的監(jiān)測，檢測二類故障，報警響應及在控制面板上顯示相關(guān)信息。二類故障包括輔油泵滑油壓力低、輔油泵滑油及齒輪箱軸承溫度高和轉(zhuǎn)子軸向位移大等故障，檢測到此類故障時要求只執(zhí)行聲光報警。

2 硬件設(shè)計

2.1硬件模塊簡介

基于實時性、安全性和穩(wěn)定性考慮，透平控制裝置使用上海船舶運輸科學研究所自主研發(fā)的FCU01模塊及其拓展模塊EDDO。該模塊的安全性和可靠性高，搭配μC/OS-II操作系統(tǒng)表現(xiàn)卓越。[6-7]

基于LPC2378芯片的FCU01模塊提供了豐富的接口資源；LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微處理器， FCU01及EDDO模塊接口資源見表1。

2.2硬件結(jié)構(gòu)

透平控制裝置的控制中樞由控制模塊CU(Control Unit)和安保模塊ESU(Emergency Service Unit)組成，既可通過I/O讀取各傳感器的數(shù)據(jù)聯(lián)接控制面板和繼電器組，實現(xiàn)各項功能，又可通過RS485通信接口進行軟件調(diào)試。硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

ESU主要負責監(jiān)測運行參數(shù)、檢測故障、發(fā)出報警和報警應答等。CU通過對調(diào)速器、輔油泵和速關(guān)控制電磁閥等進行控制，實現(xiàn)透平驅(qū)動系統(tǒng)的啟?？刂?、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和報警處理。

表1 FCU01及EDDO模塊接口資源

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計

3.1μC/OS-II任務分配

1)移植μC/OS-II精簡內(nèi)核到LPC2378芯片上。[8-9]μC/OS-II操作系統(tǒng)是一個完整、可移植、可固化和可裁剪的搶占式實時多任務內(nèi)核。μC/OS-II的絕大部分代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含小部分匯編代碼，能在FCU01模塊上穩(wěn)定運行，且源碼公開，便于移植和維護。

2)初始化μC/OS-II系統(tǒng)并創(chuàng)建外設(shè)硬件驅(qū)動程序BSP_Init()，建立1個開始任務StartTask()，用來啟動μC/OS-II操作系統(tǒng)；建立5個子任務，用來執(zhí)行處理主程序。[10-11]

3)調(diào)用OSStart()函數(shù)來開啟μC/OS-II。

表2為任務屬性，給出需要執(zhí)行的任務及其優(yōu)先級、堆棧大小和分配的時間長度。

3.2軟件運行流程

安保和控制模塊軟件的運行流程見圖4。

表2 任務屬性

a)安保模塊軟件b)控制模塊軟件

圖4 安保和控制模塊軟件的運行流程

當上電復位或按鍵復位時，軟件進行初始化操作，包括對主程序變量、RS485通信及輸入輸出信息的初始化。

3.3控制軟件

以CU模塊的軟件為例，通過AnalogTask()任務中輔油泵和速關(guān)控制電磁閥等設(shè)備的動作，實現(xiàn)對透平驅(qū)動系統(tǒng)的實時控制。

3.3.1輔油泵控制

輔油泵自動狀態(tài)下的控制源碼為

if(Turb_over7==0x55)

{

if(Pump_lower==0x55)

{ Pump_start=0x55; }

else

if(Pump_higher==0x55)

{ Pump_start=0xaa; }

if(Pump_lower==0x55&&Pump_higher==0x55)

{Psensor_error=0x55;

Pump_start=0x55; }

}

else if(Turb_over7==0xaa)

{ Pump_start=0x55; }

當透平機轉(zhuǎn)速≥700 r/min時，Turb_over7=0x55，根據(jù)輔油泵滑油壓力的高低決定是否運行輔油泵；當透平機轉(zhuǎn)速<700 r/min時，Turb_over7=0xaa，保持輔油泵強制運行。若輔油泵滑油壓力高和滑油壓力低2個信號同時觸發(fā)，則說明出現(xiàn)傳感器故障，應啟動輔油泵。

3.3.2速關(guān)控制電磁閥

一類故障觸發(fā)停車報警時，CU模塊收到ESU模塊的停機指令，啟動速關(guān)控制電磁閥。速關(guān)控制電磁閥的控制源碼如下。

if(alarm_status1[10]==0x55)

{A_alarm=0x55; Turb_stop_valve =0x55;}

else {A_alarm=0xaa;}

if(alarm_status1[10]==0xaa&&LED_statusx==0x55&&Reset_key==0x55)

{ Turb_stop_valve =0xaa;}

當一類報警A_alarm=0x55時，關(guān)斷速關(guān)控制電磁閥Turb_stop_valve=0x55；只有先執(zhí)行復位操作Reset_key=0x55，才能重新開啟速關(guān)控制電磁閥。

4 實現(xiàn)與驗證

4.1透平控制裝置的實現(xiàn)

軟件開發(fā)運用Keil軟件，使用U-Link II將軟件加載到透平控制裝置的控制中樞上進行運行測試。2個模塊軟件運行流暢，能聯(lián)接控制面板和內(nèi)部繼電器組。透平控制裝置控制面板見圖5。

4.2軟件調(diào)試驗證

計算機首先通過RS485通信接口連接到控制中樞的2個模塊，再外接輸入調(diào)試環(huán)境進行軟件調(diào)試。軟件的調(diào)試環(huán)節(jié)采用北爾iX Developer 2.0軟件。該軟件既可輕松創(chuàng)建合理、靈活且高效的操作面板應用軟件，提供良好的人機界面，還支持.NET組件等第三方組件，并通過C#腳本語言創(chuàng)建自定義功能。CU和ESU模塊的調(diào)試界面見圖6和圖7。

北爾iX Developer 2.0軟件可提供各種控制條件，模擬升降轉(zhuǎn)速、觸發(fā)各類報警、消聲定光、正?；蚓o急停車等透平驅(qū)動系統(tǒng)的運行狀況，觀察燈的亮滅和繼電器的動作等情況，判斷軟件的邏輯是否正確、動作是否及時，并檢測軟件的容錯能力。經(jīng)驗證，各功能模塊運行正常，能根據(jù)實船要求成功地對透平驅(qū)動系統(tǒng)進行功能控制和監(jiān)測保護。

圖5 透平控制裝置控制面板

圖6 CU模塊調(diào)試界面

圖7 ESU模塊調(diào)試界面

5 結(jié)束語

基于ARM技術(shù)，以ARM7核的FCU01模塊為硬件平臺，以μC/OS-II操作系統(tǒng)為軟件運行平臺對貨油泵透平控制裝置進行設(shè)計。在設(shè)計和實現(xiàn)過程中，充分利用ARM的高實時、多任務和高執(zhí)行效率等特點，注重實時性設(shè)計細節(jié)，成功地實現(xiàn)透平控制裝置對透平驅(qū)動系統(tǒng)的實時控制、狀態(tài)監(jiān)測和安全保護。該控制裝置操作方便、準確性高，在實船上的運用驗證了設(shè)計的可行性和軟硬件的可靠性。

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DesignandImplementationofARM-BasedTurbineControllerforCargoOilPumpingSystem

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

U664.58

A

2016-01-26

謝木森(1991—)，男，山東淄博人，碩士生，主要從事嵌入式設(shè)備研發(fā)。E-mail:746947037@qq.com 李 賀(1988—)，男，江蘇徐州人，助理工程師，主要從事主機遙控監(jiān)測報警技術(shù)研究。E-mail:lhe881023@163.com

1000-4653(2016)02-0031-04