基于单片机的供油单元实训装置设计与实现

胡俊　余峰　李加刚　张斯其　张义科

摘要：船舶燃油供油单元是船舶动力系统中最重要的组成部分，随着重油在商船中的广泛使用，设计合理的供油单元以及提高轮机管理人员的专业技能十分关键。设计并实现了基于单片机的供油单元的实训装置，该装置基于MCS80C51单片机，仿真了供油单元的相关设备，同时设计了人机交互界面，提高了该装置的实用性，满足了广大航海院校师生教学需求。

关键词：船舶;供油单元;实训装置;单片机

中图分类号：U665

文献标识码：A

DOI：10.1591 3/j .cnki.kjycx.2019.09.013

目前，几乎所有的船舶都设置了燃油供油单元，目的在于高效地利用好燃用重油，便于控制和管理。供油单元可以对燃油的粘度和温度进行自动控制，主要对燃油粘度进行控制。船舶柴油机燃油粘度控制是一种较复杂的动态系统，具有一定的非线性、时变不确定性、时滞特性等特点。同时，燃油受到一些环境、人为因素的影响，其粘度变化也是随机的，这使控制系统的过程参数经常发生变化。为了使轮机管理人员和航海类院校的学生更好地理解燃油系统的工作原理和控制过程，本课题根据国际海事组织机构相关要求，设计并实现了一套适合于船员评估和实验教学的实验室仿真“基于单片机的供油单元”，以方便理论授课与实践操作相结合，让学员更好地理解实船的系统及设备的运行原理、维修保养及故障分析，提高分析问题、解决问题的能力[1]。

1 阿法拉伐供油单元供油系统组成

阿法拉伐原创的燃油供油单元如图1所示，该燃油供油单元具有较高的强度和灵活性，因此，满足当今的船舶的需求。阿法拉伐新推出的燃油供油单元不仅整合了加热和冷却功能，而且实现了同一控制器驱动同一模块。

该装置不仅可以精确地匹配不同规格的发动机，而且能够对多种燃油进行处理，对燃油进行混合，对重油与轻油之间的自动切换进行控制，还可以使轮机管理人员根据具体情况，灵活地选择燃油，使燃油满足相关的要求和提高能源效率。对于燃烧残油和蒸馏油的船舶来说，阿法拉伐供油单元还拥有更加安全和快捷的转换功能。该燃油供油单元的控制系统可以确保燃油参数平稳，使燃油有序升温，而不受柴油机负荷的影响。它实现这个目标的原因是基于燃油的粘度在温度变化的同时维持在很小的范围内，这样可以避免因为粘度波动触发报警，使处理速度加快，这将有效地缩短燃油转换时间，消耗更少的蒸馏油[2]。

2 阿法拉伐供油单元供油控制系统

为了解决现代商船上的燃油供给和自动控制，阿法拉伐公司专门设计的供油单元FCM可对燃油系统自动监视和对燃油的粘度控制，实现这些功能的核心是控制器EPC-50B。供油单元组成如图2所示。

燃油从混合桶进入高压级，其中包括循环泵、燃油加热器、温度传感器PTIOO、压力传感器和粘度传感器EVT20。为了防止燃料喷油器干转，流量在此阶段总是设置为多于实际油耗率。系统中流量和压力由主机制造商决定。粘度传感器测量燃油粘度并发送一个信号到控制器，它的粘度值与主机造商粘度值进行比较。根据粘度要求，控制器使加热器使燃油加热到相应的粘度值。系统中的压力由回油管路上背压阀决定。如果燃油系统压力下降，系统自动激活备用泵和触发器“泵转变”报警，指示灯显示哪一个泵在运行。

3 阿法拉伐供油单元控制系统分析

同一种燃油的温度变化要比粘度变化敏感一些，所以供油单元采用温度和粘度的定值控制。这二种控制可以互为备用，来提高控制系统的可靠性。温度传感器PTIOO和粘度传感器EVT-20分别监测燃油的出口温度和粘度，并将温度和粘度大小转换成标准的电流信号和电压信号。EPC50设有PI调节器，可以对轻油进行温度控制，而对重油进行温度或粘度定值控制。粘度或温度调节系统的输出是控制蒸汽加热器的调压阀或者电加热器的接触器，来达到控制燃油粘度和温度的目的[3]。

系统除了温度和粘度的定制控制之外，还有燃油供给泵的运行备用功能、燃油循环泵的运行备用功能、DO/HFO的自动切换功能、滤器的自动控制、回油的自动脱气控制、远程控制等功能。主机供油单元控制系统结构如图3所示。

3.1 燃油粘度温度控制

主机供油单元可以实现燃油的温度控制和粘度控制。温度控制系统主要包括温度传感器、温度调节器、蒸汽调节阀等，粘度控制系统主要包括测粘计、粘度调节器、雾化加热器、蒸汽调节阀等。主机燃用轻油时主机供油单元对轻油进行轻油定值控制，此时粘度報警被抑制。主机燃用重油时主机供油单元对其进行燃油粘度温度综合控制方案，当燃油粘度值在设定范围内时，温度调节器对粘度值对应的温度值进行定值控制，燃油粘度值超出设定值时粘度调节器控制蒸汽调节阀的开度将燃油粘度维持在设定范围内[4]。在进行轻、重油切换时，三通转换阀按照温度调节器和粘度调节器的程序动作，完成轻、重油的自动转换。

3.2 DO/HFO的转换控制

该供油单元设有不同的控制模式，在控制柜上设有重油控制模式HFO和轻油控制模式DO，EPC50相应设有2套设置和报警参数，并有相应的LED显示。

3.2.1 DO控制模式

当控制器为DO（柴油）模式时，EPC-50B自动选择为温度控制模式，加热程序由温升参数控制。温升参数可以是燃油在规定的时间内加热到设定的温度。在这个时期，低粘度和低温报警是无效的。在此期间设置了一个最长时间，如果超过了最长时间，控制系统则会报警。

3.2.2 从OFF转换到HFO或者从DO转换到HFO

当控制器为HFO（重油）模式时，或者从DO转换为HFO时，燃油的粘度和温度被监测和显示。加热程序按重油的温升参数控制。一旦从DO转换到HFO，则EPC-50B可以检测到粘度的增加，表明系统已经进入了重油，则重油将会被加热。在加热期间，如果检测到燃油的粘度降低，则加热将会停止。当温度已经低于重油温度设定值3℃时，控制器自动切换到粘度控制。在此切换的过程中，低粘度和低温度也是无效的。系统也设置了最长的加热时间，如果加热超过了最长的加热时间，系统则会报警。

3.2.3 HFO转换到DO

从重油转换到柴油时，控制器继续控制燃油粘度，同时降低重油和柴油的混合温度保持粘度值。当温度达到柴油的设定值时，控制模式自动的转换为柴油模式即温度模式。

3.2.4 HFO和DO自动转换

如果加热器故障，系统自动延时2 min转换为柴油。该系统电动或气动转换阀，系统设置了主机最大燃油消耗量，如果出现燃油消耗量小于参数值2 nun后，系统自动转换到DO控制模式。由于换油过程中继续保持燃油的粘度控制，所以一旦需要加热情况，系统在此由DO到HFO模式，即保持加热到设定温度后，新一轮的粘度控制开始。

4 供油单元实训装置的设计

4.1 主控单元

本系统采用Intel公司生产的MCS80C51系列单片机，它是8048的升级。改进了8048的缺点，增加了如乘MUL、除DIV、减SUBB、比较CMP、16位数据指针、布尔代数运算等指令以及串行通信能力和5个中断源。80C51有2个16位定时计数器、2个外中断、2个定时计数中断和1个串行中断，4个8位并行接口，采用40引脚双列直插式。内有128个RAM单元及4K的ROM。由于80C51系列单片机的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且应用也很成熟，目前已经广泛作为控制系统的核心。

4.2 粘度模拟电位器

由于系统中没有真实燃油，测粘计齿轮不能干转，所以测粘计马达电源未接。为了模拟燃油粘度的变化，本系统利用了一个粘度模拟电位器，但是此电位器在本系统的实验过程中只能手动，当控制器控制蒸汽调节阀动作或系统进行“轻油一重油”转换时，需要手动调节粘度模拟电位器使之与相应粘度变化匹配。这一点会给我们的模拟过程带来误差，但是对实训装置的控制影响可以忽略不计[4]。

4.3 温度模拟电位器

由于本实验系统中用的燃油加热器是蒸汽加热器模型，所以当控制器控制蒸汽调节阀动作时，PTIOO的阻值并不改变。为此，系统中采用温度模拟电位器来模拟PTIOO阻值随温度的变化并送人电流变送器转换为标准电流信号，反映实际测量温度值。但本模拟系统中，温度模拟电位器只能手动，这需要操作人员能根据实际升温或降温情况，来模拟阻值大小，当然与实际系统相比会有一定的误差。

4.4 温度粘度控制方式

EPC-50B其实是一个单片机微处理器，可以同时实现控制、监视、显示燃油的温度粘度，主要由温度调节器和粘度调节器组成，显示和控制来自粘度传感器和温度传感器的输入信号，输出控制信号到蒸汽加热装置的蒸汽调节阀或者电加热器的接触器。可以对轻油（DO）进行温度控制，对重油（ HFO）进行温度或者粘度控制，2种控制方式在升温或者降温的过程中有升温速率的程序和降温粘度的定值控制，另外设有手动控制蒸汽调节阀调节方式。各种控制方式均有粘度和温度的显示。

4.5 温度粘度控制系统程序设计

为了满足主机燃油喷射要求需要对燃油加热使其粘度符合使用要求，燃油的温度和粘度控制主要分为以下三种模式：①当主机供油单元从停止工作到燃用轻油，首先按照预定速率规律对轻油进行加热，使其油温呈线性增加，在加热过程中低温、低粘度报警被抑制。当轻油被加热至温度定值控制设定温度以下3℃时，加热过程结束转入温度定值控制。转入温度定值控制后粘度报警被抑制。设置最长加热时间，超出后没有达到指定温度则发生报警。燃用轻油工作逻辑如图4所示。②当由停止工作或轻油转换为重油时，控制蒸汽阀的开度，对轻油加热使轻油温度呈线性上升，此时燃油低温、低粘度报警抑制。当轻油温度达到燃油切换温度时，三通转换阀开始动作，此时控制器使燃油的温度维持在切换油温，大概1 min的时间三通阀切换完毕，油温的控制由PI控制转为线性控制，使燃油温度呈线性化上升。当燃油温度达到设定温度时，加温过程结束转入温度定值或者粘度定值控制。燃用重油工作逻辑如图5所示。③当丰机燃用重油时，主机供油单元对燃油进行PI控制，此时可选择粘度控制模式或者温度控制模式。当选择粘度控制模式时，通过控制蒸汽阀的开度使其粘度维持在设定粘度范围内;当选择温度控制模式时，控制蒸汽阀的开度使燃油温度维持在设定范围内，当粘度值超过设定范围时粘度控制程序会引发中断对燃油进行粘度控制。

5 结论

本文通过研究实际船用供油单元，设计出供轮机管理师生和轮机管理从业者的供油单元实训装置，提供了一个实训操作平台，通过该装置可提高实践操作技能水平。

参考文献：

[l]贾宝柱.嵌入式船舶燃油粘度控制模拟装置[J].机电设备，2012 （4）： 30-34.

[2] TAYLOR D A.lntroduction to marine engineering[M] .London： Butterworth-Heinemann， 1996.

[3]姜瑞政.船舶燃油供給系统设计与实现[D].大连：大连海事大学，2009.

[4]肖玲娟.主机燃油粘度的模糊控制设计[D].上海：上海海事大学，2004.

[5]姜淑翠.基于单片机的船舶主机燃油黏度控制[D].大连：大连海事大学，2010.