船舶主機缸套水溫度控制模擬系統的實現

張 理

集美大學輪機工程學院

引言

將主機缸套水溫度保持在最佳值上對于主機安全可靠并經濟地運行是十分重要，其有以下作用：首先，可以保持受熱部件的工作溫度不超過材料所允許的限值，從而可保證在高溫狀態下受熱部件的足夠強度；其次，可以保證受熱部件內、外壁面適當的溫差，減少受熱部件的熱應力；此外，還可以保證運動部件如活塞與缸套的適當間隙和缸壁工作面滑油膜的正常工作狀態；以及防止缸套的低溫腐蝕有著重要的意義。真實的缸套水溫度控制系統，要考慮主機啟動缸套水預熱過程，在評估、教學過程中使用不太現實，我們遵循實際船上采用的PID控制方法，實現對缸套水溫度對象的仿真。

圖1 主機缸套水溫度控制系統流程界面

1 主機缸套水溫度控制流程界面

系統由PID溫度控制器，嵌入式開發板內帶A/D轉換等構成，界面如圖1。

2 系統建模

2.1 系統模型流程

圖2 系統建模流程圖

2.2 嵌入式開發

我們用嵌入式開發板來做缸套水溫度對象仿真器。開發板支持WidowsCE.NET5.0操作系統，開發環境支持Visual Studio2005或Visual Studio2008.net(.net2.0 Compact)、EVC++、LabView開發；本系統的開發采用的是Visual Studio2005。運用嵌入式的好處：可以建立模型并可根據不同實船的系統進行修正；可以形成閉環控制，直觀地模擬負荷變化；可以對控制效果進行驗證；可以與主機系統連接起來，相對獨立。

2.3 通信

R S 4 8 5通信方式，通信協議采用MODBUS協議，支持RTU方式；

MODBUS指令

Modbus RTU報文基本格式

功能碼04：讀輸入寄存器（模擬量輸入）

請求格式：

正確應答格式：

請求格式：

應答格式：

若設置成功，原文返回

CRC校驗：即循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check），是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼。CRC校驗碼程序如下：

2.4 模型軟件流程框圖

在系統中，常常會遇到來自各方面的干擾，要考慮采集、發送數據的正確性，以及如何地抗干擾（減小數據的誤差）。對于通過RS485的通信方式Modbus協議采集到的數據：判斷其長度、判斷其功能碼、判斷CRC校檢碼，若都滿足要求，那么我們就認為采集到的為有效數據，否則為無效數據計數變量i自加。為了抗干擾減小數據誤差，在系統中采集N組數據取平均值的方法（N=4）。

圖3 系統模型軟件流程圖

3 功能及實現

圖4 開發板界面圖

操作界面如下，有一個溫度表、一個曲線顯示、二個操作面板。溫度表用來顯示主機缸套水的實時溫度。曲線顯示主機缸套水溫度隨著時間的變化，更加直觀地顯現PID控制的效果。實船中主機缸套水的溫度為85℃，我們在程序中設定初始值為85℃，按“運行”按鈕將溫度數據發送到PID，整個系統自動地進行PID調節（缸套水的溫度隨著時間慢慢調整到PID控制器的設定值），“復位”按鈕使整個系統停止運行并復位。負荷干擾模擬面板，在實際過程中，我們會不時遇到外界各種因素的干擾，上/下滑動滑塊給系統一個增加/減小的干擾量（范圍在-10至+10之間），按“確定”按鈕，真實地呈現干擾模擬。在實際船舶中主機缸套水的溫度不能大于90℃，本系統中大于90℃時，藍色小溫度計變成紅色顯示報警。

實驗結果

1）在PID參數P=45,I=10,D=10，T1=90,T2=70(T1為PV值，T2為SV值)的條件下模擬得出的溫度變化曲線如下圖。

圖5

圖6

2）在PID參數P=30,I=20,D=10，T1=95,T2=85的條件下負荷干擾模擬如下圖。

圖7

4 結語

系統形象地模擬了船舶主機缸套水溫度的PID控制，在P、I、D各參數改變的條件下呈現不同調節的幅度、調節時間，還可以實時地讓系統模擬干擾。整個系統能夠穩定可靠地運行。嵌入式在系統中的運用，可以讓學生對缸套水溫度控制系統的流程加深了解，使系統更加直觀、操作簡單。

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