【正文】 lly introduce the single chip microputer to ship engine automation control realm， it enriches the automation control technology and explore an effective way for ship engine automation. It has a wide development space. Keywords: Ship。 Cooling Water System: Single Chip Microputer: Temperature Control: Reliability濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 1 章 緒論 課題提出的背景 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)是輪機自動化技術(shù)的重要組成部分。輪機自動化， 是指用各種自動化儀器儀表、控制元件、邏輯元件，以及計算機系統(tǒng)等組成的各種自動控制和監(jiān)測系統(tǒng)。它可以對船舶機艙內(nèi)動力裝置的運動參數(shù)進(jìn)行自動控制，對機器設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和報警，也可以對主要機器設(shè)備進(jìn)自動操作等。 我們知道，船舶主柴油機動力裝置運轉(zhuǎn)時，有許多機械、設(shè)備等的運動部件將會產(chǎn)生熱量，而燃燒的燃?xì)夂蛪嚎s的空氣也會散發(fā)出大量的熱量，為了保證受熱部件的溫度不致于過高而影響其正常工作，或者不致于因熱負(fù)荷過大而使其損壞，必須及時而有效地將這些多余的熱量散發(fā)出去。因此，冷卻水系統(tǒng)的功用，就是對需要及時散熱的機 械和設(shè)備提供足夠的冷卻水進(jìn)行冷卻，以保證其在一定合適的溫度范圍內(nèi)安全、可靠地工作。 目前，船舶 柴油機冷卻水溫度的自動控制系統(tǒng)大多采用的是電子式控制方 .式 ，使用的是模擬式調(diào)節(jié)儀表，主要以電子器件的邏輯運算輸出控制信號，來驅(qū)動繼電器對電動機進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，從而達(dá)到對溫度的控制。從整體上看主要存在以下兩個明顯就缺點 :①采用的元器件比較落后，導(dǎo)致電路較為復(fù)雜，使用的邏輯元器件也較多，增加了備件管理和維護工作的難度 。②由于系統(tǒng)整體比較復(fù)雜，同時模擬儀表的實現(xiàn)功能的限制，因此這些溫度控制器都采用了最簡單的控制規(guī)律，不能提 供很好的控制性能。綜合以上的各種不利因素，我們認(rèn)為，此類控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益提高的控制性能需求，必須采用新的控制方式。鑒于此，我們提出了基于單片機控制的船舶柴油機冷卻水溫度控制方法。我們知道，單片微處理器具有高精確度、高靈敏度、高響應(yīng)速度，以及耗能少、機構(gòu)小、可以連續(xù)測量、自動控制、安全可靠等優(yōu)點，非常適合嵌入式控制。同時，其邏輯控制運算是由軟件來進(jìn)行的，可以容易的實現(xiàn)各種控制規(guī)則，甚至是比較復(fù)雜的控制算法的實現(xiàn)，而且不受外界的工作環(huán)境的影響，因此，基于單片機的溫度控制器可以安全可靠地運行，來智能地控制 冷卻水的溫度穩(wěn)定在某一給定值，或者給定值附近，使得船舶柴油機冷卻水溫度測控滿足現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶的要求。 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)發(fā)展歷程 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)，在 20 世紀(jì)中得到了飛速發(fā)展。其大致發(fā)展 歷程如下： 1． 直接作用式控制方式 ： 在 20 世紀(jì) 50 年代末期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用直接作用方式。這是一種早期的反饋式控制方式。其特點是，他們都不需要外加能源，而是根據(jù)在冷卻水管路中的測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)的壓力隨溫度成比例變化而產(chǎn)生的力來汽接驅(qū)動二通調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而改變流經(jīng)淡水冷卻器的淡水 流量和旁通淡水流量，從而進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的。這種控制方式的缺點也是顯而易見的，測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)對密封性要求很高，如果造成測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)泄漏，那濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 么其本身的壓力就不能隨溫度成比例進(jìn)行變化， 因而使得溫度控制失去作用。同時，其控制精度不高，冷卻水溫度變化 較大，對船舶柴油機的穩(wěn)定運行不利。 2． 氣動式控制方式 ： 在 20世紀(jì) 70年代末期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用氣動式作用方式。其特點是，利用感溫元件和溫度變送器，把氣缸冷卻水溫度的變化成比例地轉(zhuǎn)變成氣壓信號的變化送至調(diào)節(jié)器，與調(diào)節(jié)器的給定信號相比較， 其偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)作用 規(guī)律運算后，成為調(diào)節(jié)器輸出的控制氣壓信號去調(diào)節(jié)溫度。 它 也存在著以下的一些問題，例如系統(tǒng)對氣體的密封性和壓力要求同樣很高，對運輸和儲存氣體的管系的密閉性要求也很高，如果控制氣壓信號有所損失，使得控制精度降低，效果減小。因此，這種控制方式現(xiàn)在也很少采用了。 3． 電動式控制方式 : 在 20世紀(jì) 80年代中期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用氣動式作用方式。也是目前遠(yuǎn)洋船舶上主要采用的溫度控制方式。它的作用方法是，利用安裝在船舶柴油機氣缸冷卻水進(jìn)口或者出口管路中的感溫元件，通常為電阻數(shù)值與溫度變化在一 定范圍內(nèi)成線性變化的熱敏電阻，經(jīng)分壓器分壓把冷卻水溫度成比例地轉(zhuǎn)換為電壓信號，這個測量信號與由電位器整定的給定值電壓信號相比較得到偏差信號，再經(jīng)過比例微分作用，輸出一個控制信號并將此控制信號送至脈沖寬度調(diào)制器，將連續(xù)的控制信號變成斷續(xù)的脈沖信號去調(diào)節(jié)冷卻水溫度。盡管此類電動控制系統(tǒng)的控制精度和效果可以在一定程度上滿足了船舶營運者的需求，但是這并不說明這種控制方一式是完美無缺的。首先，這些控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用了較為簡單的控制規(guī)律，比如比例微分 (PD)控制規(guī)律或者比例積分 (PI)控制規(guī)律，若采用 PD 控制會出現(xiàn)靜 態(tài)誤差，使系統(tǒng)長時間偏離最佳工作點運行，若采 用 PI控制，則對于冷卻水溫度這樣具有較大慣性的被控對象會因為缺乏超前的控制作用而產(chǎn)生較大的超調(diào)量，使得系統(tǒng)動態(tài)特性較差，而且調(diào)節(jié)閥的開度改變以后，溫度傳感器不能馬上反映出調(diào)節(jié)作用的結(jié)果，存在滯后，難以得到滿意的控制效果。其次這種控制系統(tǒng)的測量和控制部分，是利用一些電子器件進(jìn)行邏輯運算輸出的，它的缺點就是一旦邏輯輸出部分機械部件出現(xiàn)故障，則整個 測控系統(tǒng)的控制能力和精度就會出現(xiàn)故障，其工 作效果大打折扣。而冷卻效果的下降，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如 船舶主柴油機氣缸和活塞溫度 升高、潤滑油隨溫度的升高而粘度降低造成機械運動的磨損，縮短了柴油機的使用壽命等。 本課題研究的主要內(nèi)容 “基于單片機的船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)”是以現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上廣泛應(yīng)用的船舶中央冷卻系統(tǒng)為研究模型，以船舶柴油機冷卻水的溫度測量和控制為研究對象進(jìn)行的。首先，我們介紹一下現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶絕大多數(shù)所采用的中央冷卻系統(tǒng)的工作過程。利用船舷外的海水泵輸送海水進(jìn)入中央冷卻系統(tǒng)，來冷卻低溫淡水，被冷卻后的低溫淡水再去冷卻船舶主柴油機氣缸套和氣缸蓋的高溫淡水。因此，這種冷卻系統(tǒng)中就有兩個冷卻水回路 :一個是低溫回路 ，就是由舷外海水來冷卻低溫淡水的回路，因為海水的流入和流出不是一個閉合的過程，因此又稱為開式冷卻 。另一個是高溫回路，就是由低溫淡水來冷卻高溫淡水的回路，因為低溫淡水和高溫淡水的流動是一個循環(huán)利用的過程，因此又稱為閉式冷卻。在這種冷卻系統(tǒng)中，由于舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機的冷卻空間，因而避免了海水引起的腐蝕，提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性以及設(shè)備使用濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 壽命。 下圖 為船舶中央冷卻系統(tǒng)簡化框圖 : 圖 船舶中央冷卻水系統(tǒng)簡化框圖 因 此 ，我們設(shè)計的“基于單片機的船舶柴油機冷卻水控制系統(tǒng)”課題應(yīng)該重點解決以下內(nèi)容 ： 其一，本課題的攻關(guān)任務(wù) :研究船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)出具有智能控制裝置，實現(xiàn)對溫度進(jìn)行測量和控制 。 其二，本課題的目標(biāo) :提供具有溫度測控功能的智能控制設(shè)備一套 。 其三，課題研究的技術(shù)關(guān)鍵 ： ①多點測量 :分別在船舶柴油機中央冷卻系統(tǒng)的高溫淡水的進(jìn)口和出口、低溫淡水的進(jìn)口和出口處安裝了溫度傳感器。采用“進(jìn)口處溫度測控，出口處報警”的方式，這樣，使整個系統(tǒng)各循環(huán)回路的溫度均可自動調(diào)節(jié)，提高了整個系統(tǒng)的適應(yīng)性和控制精確性 : ②通訊方式 :在系統(tǒng)設(shè)計中，我們分析了多種單片機與上層控制計算機的通訊方式，最終實現(xiàn)了 RS232 串口通訊接口，有利于系統(tǒng)今后的擴展 。 ③控制算法 :分析了幾種在溫度控制中常見的控制算法，根據(jù)各自的優(yōu)缺點，以及針對冷卻水的固有特性的分析，實現(xiàn)了帶有 smith 補償?shù)?PID 控制 。 另外，系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮了對船舶原有的資源進(jìn)行合理利用，應(yīng)用原有的計算機和打印機來搭建整個系統(tǒng)的計算機控制中心 (上位機 )，應(yīng)用現(xiàn)有的船舶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。 系統(tǒng)研究的應(yīng)用前景 本溫度測控系統(tǒng)是用于對船舶主柴油機冷卻水的溫 度進(jìn)行監(jiān)測和控制的全自動智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它可以廣泛地應(yīng)用在船舶工程中，如現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上對溫度要求比較高的船舶中央冷卻水控制系統(tǒng)中。它具有安全可靠、操作簡單方便、智能控制等優(yōu)點。 海水泵 淡水泵 淡水泵 低溫淡水膨脹水箱 高溫淡水膨脹水箱 淡水冷卻器 中央冷卻器 船舶柴油機 海水 舷外 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 另外，此測控系統(tǒng)以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，既有利于推動工控技術(shù)的發(fā)展，又能帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。 : 隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動控制技術(shù)等高新技術(shù)在船舶工業(yè)的發(fā)展和延伸，以計算機 為中心的自動化控制是當(dāng)今世界范圍內(nèi)的工業(yè)技術(shù)革命的核心之一。計 算機測控技術(shù)可以實現(xiàn)綜合自動化和生產(chǎn)過程最優(yōu)控制，是使得在現(xiàn)代 遠(yuǎn)洋船舶上工 作的人提高工作效率，減輕工作強度的有效保證。因此，這項測控系統(tǒng)具有良好的市場發(fā)展空 間。 2． 課題的實用性及前瞻性 : 現(xiàn)代船舶工業(yè)的快速發(fā)展，使得船舶自動控制技術(shù)也突飛 猛進(jìn)的提高。“溫度測控技術(shù)”具有很強的靈活性，根據(jù)用戶需要，可以方便地調(diào)整系統(tǒng)溫度給定值，從而使整個船舶主柴油機在更加理想的條件下運轉(zhuǎn)，增加了柴油機的使用壽命，滿足了人們對其經(jīng)濟性的要求。同時，由于系統(tǒng)具有良好的擴展性能，可以與船舶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，使得系統(tǒng)功能再擴展成為可能，最大限度地滿足了今后的需求。 3． 本課題的社會效益 : 本課題是以測控 智能化為宗旨，旨在為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶提供有效、實用的溫度測控方法。這一方面是對當(dāng)前船舶工業(yè)溫度測控技術(shù)的更新，另一方面也為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶主柴油機提供了良好的運轉(zhuǎn)環(huán)境。此外，對于生產(chǎn)船舶工業(yè)智能控制器的廠商來說，他們在推廣應(yīng)用這項成果中，將會獲得可觀的經(jīng)濟效益。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2 章 溫度控制系統(tǒng)介紹 系統(tǒng)的構(gòu)成 整個船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)主要由計算機控制中心 (上位機 )和打印機、遠(yuǎn)程通訊模塊、單片機測控平臺 (下 位機 .)、溫度傳感器組、執(zhí)行機構(gòu)，以及控制軟件等部分組成的，系統(tǒng)采用了總線結(jié)構(gòu)、模塊化的設(shè)計方法，各部分 既可以獨立工作，又能夠聯(lián)網(wǎng)協(xié)同 工 作，組建方式靈活，并具有良好的可擴展性。其中，計算機控制中心中的計算機和打印機可以利用船舶原有資源，安裝串行通訊軟件，實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)的通訊 :溫度采集模塊是由分布在柴油機冷卻水系統(tǒng)各部分的溫度傳感器組成的，采用了具有良好性能的感溫元件，用來測量冷卻水的溫度 。單片機測控平臺是是本課題最重要的研究內(nèi)容，它內(nèi)置單片微處理器，智能化設(shè)計，可以獨立工作又可以與上位機組成通訊網(wǎng)絡(luò)，同時還可以對柴油機冷卻水的溫度進(jìn)行監(jiān)控，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，實現(xiàn)溫度的檢測與控制，是由溫度采集接口電路、 鍵盤與顯示電路、串行通訊接口申路、看門狗電路，以及執(zhí)行機構(gòu)接口電路所組成的。 同時，由于現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶的中央冷卻系統(tǒng)具有 .高 溫淡水和低溫淡水兩個冷卻水回路，因此，在設(shè)計本船 舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)時，我們分別對這兩個冷卻回路進(jìn)行設(shè)計 ，其實際方法基本相同。在本文的論述中，我們僅以高溫冷卻水回路的溫度控制設(shè)計方法進(jìn)行詳細(xì)說明，低溫冷卻水回路的方法基本類似，因此不作介紹。 系統(tǒng)硬件框圖 整個系統(tǒng)的硬件組簡圖如圖 所示 。 圖 系統(tǒng)硬件組成圖 RS232 通信方式 計算機控制中心（上位機） 單片機檢測平臺（下位機） 溫度數(shù)據(jù)采集（溫度傳感器組） 執(zhí)行機構(gòu)（伺服電機、調(diào)節(jié)閥） 打印機 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 系統(tǒng)各組成部分功能說明 下 面，我們分別對計算機管理控制中心 (上位機 )和打印機、遠(yuǎn)程通訊模塊、單片機測控平臺 (下位機 )、溫度傳感器組、執(zhí)行機構(gòu)和控制軟件等部分進(jìn)行詳細(xì)的說明 : 1． 計 算機管理控制中心 (上位機 )和打印機 : 計算機控制中心可以對單片機測控平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程實時顯示和檢測。利用計算機中安裝的通訊軟件，計算機可以與單片機進(jìn)行實時通訊，將單片機存儲器中的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸和顯示在計算機終端顯示器上，方便用戶對每個檢測點的實際溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較和監(jiān)測，對于超標(biāo)的數(shù)據(jù)給予特殊顏色的顯示并 報警。 同時，上位機也可以對測控平臺的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲分析和打印，以方便用戶 對測控平臺的每一個溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。當(dāng)每次啟動軟件時，該軟件可以自動的從單片機溫度控制器中讀出歷史數(shù)據(jù)并存儲到計算機中。 2． 遠(yuǎn)程通訊模塊 : 為了便于上位機 (計算機 )和下位機 (單片機 )的通訊，我們采用了標(biāo)準(zhǔn) RS232串行通訊規(guī)范。通過 RS232 接口，單片機可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中， 從而可以利用計算機的強大處理能力對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲，以及連接打印機對數(shù)據(jù)進(jìn)行打印保存。 同時，我們知道， RS232 通訊標(biāo)準(zhǔn)的有效傳輸距 離受到一定的限制，只有15 米左右