嵌入式系统在船舶方面的应用

1、嵌入式系统在船舶方面的应用（温度、电站、变频）唐涛（学号：200810123062）摘要：嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,非常适合船舶领域的应用。本文总结了嵌入式系统的特点,介绍了嵌入式系统在船舶系统中电站、温度控制、变频控制的应用，并特别介绍了嵌入式系统在船舶变频技术中的应用。关键词: 自动监控；船舶；自动控制系统；计算机系统；变频技术；温度控制；船舶电站；船舶电力推动系统；嵌入式系统1引言在计算机技术高速发展的今天,利用先进的计算机与网络技术来实现船舶各系统监控的自动化已经成为可能。从上世纪80 年代起,船舶控制产品就开始由模拟式向数字式发展。1995 年9 月,由国内外15

2、0 多家生产控制设备的厂商组成了国际FF 协会,标志着船舶控制系统开始向全数字化方向发展。此后数年,以现场总线(fildbus) 及超大规模数字集成电路(VL SI) 嵌入式电子技术为基础的全数字式控制系统开始在世界范围内兴起,并迅速扩展到船舶工业领域,使船舶自动化控制技术获得了突破性的发展。 由于嵌入式技术在船舶应用领域尚处于发展阶段,在现有船舶数据监控系统中,主要仍以采用PLC(可程序设计逻辑控制器) 、工业控制计算机(以下简称工控机) ,甚至简单的单片机系统为主来实现船舶各系统的数据采集、监测及控制功能。然而,船舶空间狭小,航行环境多变,因此相对陆用设备而言,我们希望这类船用设备具有体积

3、小、安装接线方便、便于维修、可靠性高,并能适应船上盐雾、油雾、霉菌、潮湿、高热、振动、冲击、电磁干扰大等恶劣条件的性能。对应用于船舶这一特殊控制环境,嵌入式系统比以往的各类控制系统具有明显的优点。可以预见,嵌入式系统将在船舶监控系统中得到广泛的应用。2嵌入式系统简介2.1定义根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬

4、件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。目前，随着船舶机舱自动化程度要求日趋提高，人们对设备和系统的要求也越来越高。国内外建造的许多船舶自动化设备和系统都采用了嵌入式技术，使得船舶机舱自动化系统在自动化、网络化和智能化方面取得了大幅度的提高，其核心技术为船舶电站自动化系统。 面向船舶机舱自动化的嵌入式系统分为船舶电站嵌入式监控系统和空调嵌入式控制器两个部分。 （1）船舶电站嵌入式监控系统 船舶电站嵌入式监控系统按结构划分为管理层、控制层和设备层。

5、管理层实现对电站的集中控制和管理；控制层采用高可靠性的嵌入式控制主机，具有数据采集和发电机组的控制功能；设备层控制器位于机旁，就近对机组的运行参数进行检测及报警。管理层与控制层之间通过工业以太网连接，控制层与设备层之间通过CAN总线连接，各层之间可以进行各种资料的交换，最终形成高度自动化、网络化和智能化的新型船舶电站监控系统。 管理层是位于集控室的监视终端，是监控系统的最上层，可以通过以太网与控制层的控制主机通信获取电站运行信息，对电站的运行情况进行集中控制和管理，根据情况进行调频调载，还可以对发电机组的故障进行报警，当在网运行的发电机组出现故障时可以进行自动换机。控制层的嵌入式控制主机具有数

6、据采集和发电机组的控制功能，可以通过CAN总线与设备层的控制主机连接以采集电站运行参数，如电网各节点的电压和频率，发电机组的三相电流、有功功率和功率因子等。它可以控制发电机组启动、停机、应急停机、加速和减速，控制发电机主开关的合闸（或同步）、分断，对发电机组的故障报警并进行相应处理。设备层的控制器位于发电机组的机旁，就近对机组的运行参数进行检测，如柴油机的转速、滑油压力、冷却水温度等。它可以直接控制发电机组启动、停机、应急停机、加速和减速，还可以对超过报警设定值的运行参数进行报警。当机组出现超速、滑油压力过低、冷却水温度极高等情况时自动对机组应急停机。 电站嵌入式监控系统的管理层、控制层和设备

7、层需要协调工作，才能够实现整个电站半自动和自动运行，有效地对发电机组、主配电板实施各种保护措施。 （2）温度嵌入式控制器 温度嵌入式控制器的功能主要有温度采集、温度设备远程控制、能量预测和平衡控制、在线设备维护和远程设备状态和故障显示。设备远程控制功能通过键盘或触摸屏的操作和以太网通信的远程起停设备。能量预测和平衡控制功能可根据预测的接触面积、传热系数、加热设备工况等参数预估未来一定时段测控点热负荷变化趋势，并输出新的设定值，调整机组设备的运行情况，使系统的输出达到默认要求。在线设备维护功能根据设备的实时数据，判断设备的运行状态，并根据预定的程序给予最优调整。远程设备状态和故障显示功能可以实时

8、监测设备运行状态和故障情况。（3）嵌入式变频控制技术近年来,随着微电子技术特别是变频调速技术的迅速发展应用,许多产品的性能得到了极大的提高。微机控制的交流变频调速技术在船舶上的应用也越来越广泛,比如控制起货机的起升机构,控制其起货速度,提高生产率;控制船舶的导航（舵机）,可以快速灵敏地控制航向;在船舶的推进装置中，利用交流变频调速技术的交流推进系统来替代传统的机械传动推动系统，实现船舶作不同速度的前进、后退和转向等各种航行动作，并对船舶在不同航行过程中的主要运行参数进行实时监控，确保船舶的安全、快捷地航行。RR输出部分U逆变装置变频调速就是通过改变电动机定子供电频率的改变来改变旋转磁场同步转速

9、，从而达到调速的目的。通常使用的AC-DC-AC变频调速系统的变频部分主要是由整流器、滤波器和逆变器三部分组成。整流器交流输 入AC60HzVSUDAC1100HzWT 图1交流变频技术原理图船舶电力推进系统由原动机带动发电机，产生电能，通过配电及功率管理系统以及变频调速系统供电给推进电动机，再由推进电动机带动螺旋桨。船舶电力推进系统主要由原动机/发电机组、配电站、推进电机、螺旋桨以及控制部分等构成，如图2所示交流异步电机的转速n与电源频率f之间的关系为n= 6of(1-S)/P式中：p 旋转磁场的磁极对数；s 电机转差率。从以上函数关系可知，当电机转差率变化不大时，电机的转速与电源频率成正比

10、。因此，如用频率可以平滑调节的供电设备，即可平滑调节异步电机的转速。变频控制器一般就是根据电压随频率变化且满足一定的比例关系而设计成的。影响发电机投入并联的因素有三个:电压差、频率差和相角差。待并发电机与电网不等时投入发电机，电压差将产生无功的均压电流;频率不等和相角不一致时，频率差和相角差将产生有功的整步电流，所产生的电流力图消除这些差别。发电机投入电网的瞬间，发电机的电抗骤降至超瞬变电抗X，引起冲击电流。差值越大冲击电流越大。发电机投入时应限制这些差值，否则，产生的冲击电流可能危及机组的安全，影响正常供电。通常在船舶电站并车操作中，电压差不得大于10%额定电压;相位差一般限制在15以内；频

11、率差在0.5Hz以内。在实际设计中，为了不出现逆功现象通常使待并机以正压差、正频差投入，即需要在上述条件的基础上再满足ug -un0，f g -fn0。船舶电站负载突然发生变化时，如电动机的起动、停车等，原动机(如柴油机)油门尚未来得及变化，使原动机的驱动功率与发电机组负载功率的平衡关系被破坏，引起发电机组转速的变化，从而使电网频率发生变化。设计采用一台燃气轮机和两台柴油发电机推进该船舶，其中两台用于加速。它们分别与两台交流发电机直接耦合。另一台燃气轮机驱动一台单输入双输出齿轮装置。该齿轮装置的一个输出端驱动一台18.3兆瓦交流推进发电机, 而另一个输出端以900转/分的转速运行并与4000千

12、瓦、8极、450伏、3相交流船舶日用发电机相耦合。船舶日常用电系统可由此获得大部分电力。出航时, 出航燃气轮机以3600转/分恒速运行, 出航推进发电机和巡航日用发电机的输出功率为恒定60Hz。出航推进发电机的电力按规定路线传送给两个功率控制器。这两个功率控制器可将60Hz电力转换成频率、电压和相序可调的电力。这种可调电力施加到34500马力、44极、6.3千伏的交流同步推进电动机上。因此, 电机可正、倒车任一方向驱动定距桨。紧急倒航时, 动态制动电阻瞬时跨接到电动机绕组两端, 以便吸收螺旋桨轴的功率。因为两个功率控制器是独立配置的, 所以在纯全力控制下, 两个推进轴能以不同转速旋转, 甚至能

13、以相反方向旋转。高速运行时则应使用两台加速燃气轮机投入运行。因为巡航LM2500燃气轮机单独运行仅能使船速达21节而这时对应的功率控制器输出频率为42赫, 电动机转速为115转分。为了进一步增加船速, 须将两个加速机组升到42赫并与其各自的功率控制器的输出同步。然后, 可使发电机频率和功率控制器同步升到60赫。这时所对应的每轴轴速为164转/分,功率为34500马力。采用这种运行方式两抽的正车转速是分别控制的在没有返回到巡航方式之前, 不能改变旋转方向。在应急情况下, 首先借助向动态制动电阻回馈所产生的负转矩使螺旋桨几乎停车。然后功率控制器改变接入电动机的三相交流相序电动机反转, 从而实现紧急

14、倒航。其船舶推进系统主回路图如图3所图3 船舶电力推动系统主回路原理图在控制电路方面，控制电路由AC220V 及DC24V 两种组成的，还有电动机调速电路、电动机脉冲编码器测速电路和电动机温度检测电路直接输入到变频器死循环控制电子板并从其上输出电动机电流和转速的模拟量信号至电表。在操纵方式上，驾驶室的遥控操纵采用特殊的带有零位、正向、反向开关和操纵调速电位器，变频柜采用就地操纵，有起动、停止、变向、加速、减速5个按钮操作，在柜子面板上还有一个遥控和就地操纵转换开关，是通过变频器的B1CO数据组切换的软件功能来控制柜子上的转换开关。在系统中还设计了较多的电路环节系统，设置了一个联动和分动操纵转换

15、开关方便操纵和防止操纵器的调速不一致，把装置设计放在驾控台上，可实现用一个操纵器操纵两套装置的目的。其主要的推进控制系统框示意图如图4所示总结嵌入式系统在以下三个方面的应用：嵌入式系统在船舶电站自动化领域的应用、操作系统应用、嵌入式专用设备。其中，嵌入式系统在船舶自动化领域的主要研究内容是：以嵌入式技术为基础，通过嵌入式控制主机、人机交互接口等技术的研究，构建监控演示系统，最终实现船舶系统的网络化。研究具有高速可靠的数据处理能力，实时和多任务的软件平台，配有人性化的人机接口，直接挂在工业以太网络上，可以对现场设备的状态及参数进行在线监测和报警处理，实现近程及远程的资料在线监测，还可提供HTTP等多种服务，从而达到全程数据监控的无缝集成。操作接口及操作语言为中文，具有快速的数据更新与操作功能。