船舶柴油机冷却水温度控制系统.docx

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船舶柴油机冷却水温度控制系统

IMBstandardizationoffice【IMB5AB-IMBK08-IMB2C】

船舶柴油机冷却水温度控制系统

摘要

船舶柴油机冷却水的温度是影响柴油机工作的重要热工参数。

精确控制冷却水的温度，对于提高柴油机的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量等方面都有着重要的意义。

本设计的单片机系统采用了AT89C51作为微处理器，采用铂电阻（pt100）作为温度传感器，与运算放大器（op27）相结合构成精密测温电路，采用了ADC0809芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道。

键盘矩阵采用2行3列非编码方式，显示部分为3位LED数码管显示，看门狗电路采用了较为常见的X25045芯片。

系统输出环节通过单片机输出口传递输出控制信号，经光电藕合4N25和模拟开关CD4052后去控制继电器的通断，进而控制三相伺服交流步进电机电机的旋转，当实际温度偏高时，单片机输出控制信号使正转继电器通电，伺服电机正转，改变三通调节阀的开度，增加流过淡水冷却器的淡水量，使淡水温度降低;当实际温度偏低时，单片机输出控制信号使反转继电器通电，伺服电机反转，改变三通调节阀的开度，增加旁通冷却水流量，使淡水温度升高，最终起到温度控制的作用。

本设计引入了功率模糊控制信号的智能温度控制系统，有效地克服了水温的时滞特性，大大地降低了冷却水温度的超调量，并提高了系统的响应速度；采用屏蔽与隔离技术，提高了控制系统在恶劣环境中的抗干扰能力；采用指令冗余及数字滤波技术，提高了系统的软件抗干扰能力。

关键词：

船舶柴油机；冷却水温度；单片机；数码管显示

Abstract

Thetemperatureofcoolingwaterofmarinedieselengineisanimportantreference.Itisverysignificanttocontrolthetemperatureofcoolingwateraccurately.Forimprovingthepowerperformanceofdieselengine,decreasingtheexhaustingandsavingfiiel.

ThedesignoftheSCMsystemusesAT89C51asthemicroprocessor,usingplatinumresistance（pt100）asatemperaturesensor,andoperationalamplifiers（op27）combinedconstituteprecisetemperaturemeasurementcircuit,usingADC0809chipasprecisiontemperaturemeasurementcircuitandmicrocontrollerconversionchannels.Keyboardmatrixusingtworowsthreenon-codingmode,thedisplaypartofthethreeLEDdigitaltubedisplay,thewatchdogcircuitusesmorecommonX25045chip.Systemoutputlinkpassingthroughthemicrocontrolleroutputportoutputcontrolsignal,theopticalcouplingandanalogswitchesCD40524N25goaftercontrolrelayoff,andthencontrolthree-phaseACservomotorsteppermotorrotation,whentheactualtemperatureishigh,themicrocontrolleroutputcontrolsignalforwardrelayisenergized,theservomotoristransferred,changedwayregulatingvalveopening,increasingfreshwaterflowingfreshwatercooler,sothatfreshwatertemperaturedecreases;whentheactualtemperatureislow,themicrocontrolleroutputcontrolsignalreverserelayisenergized,reversingtheservomotor,three-wayvalvetochangetheopeningdegreeofthebypasscoolingwaterflowincreases,thefreshwatertemperature,thetemperaturecontrolendplayarole.

Thisdesignintroducesafuzzycontrolsignalpowerintelligenttemperaturecontrolsystem,effectivelyovercomethedelaycharacteristicsofthewatertemperature,whichgreatlyreducesthecoolingwatertemperatureovershoot,andimprovessystemresponsespeed;usingshieldingandisolationtechnology,improvethecontrolsystemintheharshenvironmentoftheanti-jammingcapability;usinginstructionredundancyanddigitalfilteringtechnologytoimprovethesystem'ssoftwareanti-jammingcapability.

KeyWords：

SMarineEngine；TemperatureofCenterCoolingWaterSystem;SCM;Digitaldisplay

第1章绪论

课题背景

船舶柴油机冷却水温度控制技术是轮机自动化技术的重要组成部分。

轮机自动化，是指用各种自动化仪器仪表、控制元件、逻辑元件，以及计算机系统等组成的各种自动控制和监测系统。

它可以对船舶机舱内动力装置的运动参数进行自动控制，对机器设备的运行状态进行监测和报警，也可以对主要机器设备进自动操作等。

我们知道，船舶主柴油机动力装置运转时，有许多机械、设备等的运动部件将会产生热量，而燃烧的燃气和压缩的空气也会散发出大量的热量，为了保证受热部件的温度不致于过高而影响其正常工作，或者不致于因热负荷过大而使其损坏，必须及时而有效地将这些多余的热量散发出去。

因此，冷却水系统的功用，就是对需要及时散热的机械和设备提供足够的冷却水进行冷却，以保证其在一定合适的温度范围内安全、可靠地工作。

目前，船舶柴油机冷却水温度的自动控制系统大多采用的是电子式控制方.式，使用的是模拟式调节仪表，主要以电子器件的逻辑运算输出控制信号，来驱动继电器对电动机进行转向控制，从而达到对温度的控制。

从整体上看主要存在以下两个明显就缺点:

①采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度;②由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能的限制，因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。

由于冷却水流经一定长度的管路，需要一定的时问，同时控制信号的执行部件，如电动机、三通阀门等都使得系统具有较大的时滞特性和非线性特性。

传综合以上的各种不利因素，我们认为，此类控制系统已经无法满足日益提高的控制性能需求，必须采用新的控制方式。

鉴于此，我们提出了基于单片机控制的船舶柴油机冷却水温度控制方法。

我们知道，单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。

同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，来智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，使得船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求

船舶柴油机冷却水温度控制技术发展历程

船舶柴油机冷却水温度控制技术，在20世纪中得到了飞速发展。

其大致发展历程如下：

1．直接作用式控制方式：

在20世纪50年代末期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用直接作用方式。

这是一种早期的反馈式控制方式。

其特点是，他们都不需要外加能源，而是根据在冷却水管路中的测量元件内充注的工作介质的压力随温度成比例变化而产生的力来汽接驱动二通调节阀，进而改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量，从而进行温度调节的。

这种控制方式的缺点也是显而易见的，测量元件内充注的工作介质对密封性要求很高，如果造成测量元件内充注的工作介质泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制失去作用。

同时，其控制精度不高，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行不利。

2．气动式控制方式：

在20世纪70年代末期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用气动式作用方式。

其特点是，利用感温元件和温度变送器，把气缸冷却水温度的变化成比例地转变成气压信号的变化送至调节器，与调节器的给定信号相比较，其偏差信号经调节作用规律运算后，成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。

它也存在着以下的一些问题，例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高，对运输和储存气体的管系的密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使得控制精度降低，效果减小。

因此，这种控制方式现在也很少采用了。

3．电动式控制方式:

在20世纪80年代中期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用气动式作用方式。

也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。

它的作用方法是，利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件，通常为电阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻，经分压器分压把冷却水温度成比例地转换为电压信号，这个测量信号与由电位器整定的给定值电压信号相比较得到偏差信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号并将此控制信号送至脉冲宽度调制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度。

尽管此类电动控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足了船舶营运者的需求，但是这并不说明这种控制方一式是完美无缺的。

首先，这些控制系统的调节器采用了较为简单的控制规律，比如比例微分（PD）控制规律或者比例积分（PI）控制规律，若采用PD控制会出现静态误差，使系统长时间偏离最佳工作点运行，若采用PI控制，则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被控对象会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量，使得系统动态特性较差，而且调节阀的开度改变以后，温度传感器不能马上反映出调节作用的结果，存在滞后，难以得到满意的控制效果。

其次这种控制系统的测量和控制部分，是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的，它的缺点就是一旦逻辑输出部分机械部件出现故障，则整个测控系统的控制能力和精度就会出现故障，其工作效果大打折扣。

而冷却效果的下降，将会产生严重的后果，如船舶主柴油机气缸和活塞温度升高、润滑油随温度的升高而粘度降低造成机械运动的磨损，缩短了柴油机的使用寿命等。

主要研究内容

“基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”是以现代远洋船舶上广泛应用的船舶中央冷却系统为研究模型，以船舶柴油机冷却水的温度测量和控制为研究对象进行的。

首先，我们介绍一下现代远洋船舶绝大多数所采用的中央冷却系统的工作过程。

利用船舷外的海水泵输送海水进入中央冷却系统，来冷却低温淡水，被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高温淡水。

因此，这种冷却系统中就有两个冷却水回路:

一个是低温回路，就是由舷外海水来冷却低温淡水的回路，因为海水的流入和流出不是一个闭合的过程，因此又称为开式冷却;另一个是高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却。

在这种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机的冷却空间，因而避免了海水引起的腐蚀，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。

我们设计的“基于单片机的船舶柴油机冷却水控制系统”应该重点解决以下内容：

其一，攻关任务:

研究船舶柴油机冷却水温度控制系统，开发出具有智能控制装置，实现对温度进行测量和控制;

其二，目标:

提供具有温度测控功能的智能控制设备一套;

其三，研究的技术关键：

①多点测量:

分别在船舶柴油机中央冷却系统的高温淡水的进口和出口、低温淡水的进口和出口处安装了温度传感器。

采用“进口处温度测控，出口处报警”的方式，这样，使整个系统各循环回路的温度均可自动调节，提高了整个系统的适应性和控制精确性:

②通讯方式:

在系统设计中，我们分析了多种单片机与上层控制计算机的通讯方式，最终实现了RS-232串口通讯接口，有利于系统今后的扩展;

③控制算法:

分析了几种在温度控制中常见的控制算法，根据各自的优缺点，以及针对冷却水的固有特性的分析，实现了带有smith补偿的PID控制;另外，搭建整个系统的计算机控制中心（上位机），应用现有的船舶网络进行系统通讯和数据传输。

硬件电路设计

在硬件路设计中主要设计了单片机控制电路、温度检测电路、A/D转换电路、键盘与显示电路、驱动电路、声光报警电路、看门狗电路。

单片机部分采用ATMEL公司的AT89C51控制芯片，是一种高性能、低电压、低功耗的8位CM05微型处理器。

在控制软件的支持下，CPU对外围电路进行控制、计算，将温度检测电路输入的温度测量数值进行处理，并扫描、显示，同时将计算得到的控制结果输出给控制电路对执行机构进行操作，完成整套控制过程。

温度传感器采用的是铂电阻Pt100，带有不锈钢钢套，具有良好的精度指标和稳定性，由于温度系统对温度精度要求不高，在0~150℃的范围内可以按照具有线形关系处理，性能优良，成本低。

A/D转换电路中采用了比较常用的ADC0809芯片。

ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，它由8通道模拟开关和A/D转换两部分组成，其转换时间大约为100μs，转换精度为0.4℃。

由于冷却水是大惯性的传热介质，ADC0809的此项性能指标己经满足了温度控制的时间和精度，因此，我们选择ADC0809作为模拟/数字转换芯片，使系统成本较低。

由于CPU管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了8279可编程的键盘显示一专用扩展I/O接口芯片，它本身能够提供键盘、显示控制所需的扫描信号，因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。

声光报警电路部分采用了一片时基集成电路NE555，AT89C51的引脚输出端为高电平，扬声器（SP），三极管。

当系统被测温度出现高于上限或者低于下限的情况时，AT89C51启动自身定时器，这样，NE555时基电路根据其复位端的信号变化，在它的输出端产生频率的输出，输出信号给继申器（J）动作信号，继电器常开开关闭合，推动扬声器（SP）工作，获得声音报警信号，报警灯同步闪亮。

AT89C51根据采样的温度数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后，得出控制结果，输出相应的控制信号，经过光电隔离器后，去控制继电器动作，再经过继电器控制三相伺服交流步进电机，因而使冷却水温度得到控制。

软件设计

软件设计是实现船舶柴油机冷却水温度智能控制的关键所在，在系统的软件设计的过程中，采用了模块化的设计思想。

系统软件由主程序模块、A／D转换模块、中断程序模块、键盘与显示模块、串行通信模块和智能控制算法模块等。

第2章系统基本构成与性能指标

系统构成框图

该系统主要由单片机控制电路、温度检测电路、A/D转换电路、键盘与显示电路、声光报警电路、驱动电路等部分组成。

见图。

温度传感器电路

在系统设计时，我们采用了具有良好性能的感温元件，铂热电阻Pt100，用来测量冷却水的温度。

同时，为了保证测量的准确性，我们采用了多点测量的方法，即在高温回路中高温冷却淡水的进口和出口、低温回路中低温冷却淡水的进口和出口都安装了温度传感器，分别测量这几点的温度，然后单片机控制多路开关，分别采集这几点的温度数值。

在某一时刻，单片机采集的是某个点的温度实际数值，然后与该点的设定数值相比较，再输出控制信号，因此，并不会增加单片机的运算负荷，使得单片机完全有能力承担控制中心的任务。

由于采用了这种多点测量的方法，克服了在以往温度控制中，只能单一的测量冷却水进口或者出口的实际温度，出现偏差的现象，这也证明了本课题设置的科学性和合理性。

单片机控制电路

本课题中AT89S5l是控制电路的核心，它的功能是：

配合相应的外围电路实现温度采集，同时处理采集的信号，实现智能控制算法，输出越限报警及阀门开度调节信号；另外，结合键盘显示专用芯片8279，实现信息的输入与显示功能。

单片机测控平台是整个温度控制系统的重要组成部分，是联系温度信号采集和计算机管理控制中心的枢纽。

一方面，它要获取温度传感器组的测量数据，并且与温度设定值进行比较，同时输出控制信号到执行机构;另一方面，它要将温度测量数据和设定数据上传到计算机管理控制中心（连接打印机）。

键盘与显示电路

由于CPU管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了8279可编程的键盘显示一专用扩展I/O接口芯片，它木身能够提供键盘、显示控制所需的扫描信号，因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。

其中，键盘矩阵采用2行3列非编码方式，采用软件查询方法来设计，低电平有效。

为了消除按键抖动对系统的干扰，在键盘软件设计中，我们采用了20ms的延时程序。

显示部分为3位LED数码管显示，显示的内容是温度数值的，十位、个位和小数点后一位，软件设计中采用动态扫描显示的方法，以减少硬件成本和增加系统可靠性。

键盘控制的方式是采用8279扫描键盘，判断是否有按键按下，进而判断按键的内容，送至AT89C51处理。

显示程序的执行过程是:

首先AT89C51通过P口选通8279，低电平有效，然后把将要显示的数字，其相应的字型码送至DB口，接下来设置位选信号，利用SL0、SL1、SL2二分别设置0或者l，分别选择要显示的}二印数码管（共阴极），8279将要显示的数字通过OPTB和OUTA口显示在LED数码管上。

同时，我们将要显示的数字的二进制代码转换成7段码形式，编写成数据表格的形式，存储在单片机内部存储空间里，这样，单片机将A/D转换的结果与表格的指针相结合，直接将A/D转换结果显示出来，可以减轻系统计算量，提高系统的数据处理和显示速度。

看门狗电路

系统设计了硬件看门狗电路，采用了较为常见的X25045芯片。

具有掉电数拒保护功能和系统故障复位功能，如果系统突然失去电力，测量数值可以保存在看门狗电路的EEPROM中，在系统重新工作时，可以重新从看门狗的存储单元里读取数据，保证了数据的安全，同时，如果系统出现死机或者程序跑飞而进入某个死循环，由该看狗电路向CPU（控制器）发出复位信号，使系统重新开始运行从而保证了系统安全、可靠地运行。

驱动电路

AT89C51根据采样的温度数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后，得出控制结果，从AT89C51的P2口输出相应的控制信号，此控制信号为0、1（低、高电平）连续脉冲信号，经过光电隔离器4N25和CD4052后，去控制继电器动作，再经过继电器控制三相伺服交流步进电机，步进电机是以脉冲方式进行工作的，线圈中每输入一个脉冲，转子就旋转一个步距角，因此，可以由电机的正转或者反转来调节三通调节阀的开度，因而使冷却水温度得到控制。

其中，

口输出的高低电平的占空比，有PID控制算法来决定，从而实现了系统闭环自动温度控制。

报警电路

采用了一片时基集成电路NE555，AT89C51的引脚输出端为高电平，扬声器（SP），三极管。

当系统被测温度出现高于上限或者低于下限的情况时，AT89C51启动自身定时器，这样，NE555时基电路根据其复位端的信号变化，在它的输出端产生频率的输出，输出信号给继申器（J）动作信号，继电器常开开关闭合，推动扬声器（SP）工作，获得声音报警信号，报警灯同步闪亮。

系统主要技术指标

通过3位LED输出显示；

主要采用单片机控制电路、显示板电路；

具有冷却水温度显示，冷却水水温异常报警，自动调节水温，存储数据功能；

监测水温的范围：

40~90℃；

整体电路供电：

5V。

系统主要功能

在制定系统总体方案时，根据要求对方案进行了总体优化，力求使系统功能实用、性能稳定、具有较高的性价比。

系统主要的功能就是对船舶柴油机冷却水温度采集后能实时显示，并可以根据预设的程序，单片机判断出是否需要驱动报警电路、是否需要驱动三通交流阀，调节冷却水温度。

报警功能

为了系统的安全运行，我们对冷却水温度进行上限或下限声光报警处理，我们采用了如下的判断报警方法:

以冷却水温度设定值T设为参考数值，则温度变化的上限是T:

=T设+5℃，下限是T=T设-5℃.当测量到的冷却水温度持续增加，高于上限

时，即T>

，时，则上限报警状态值THA=l;当测量到的冷却水温度持续减少，低于下限

时，即

时，则下限报警状态值TLA=l。

这样，当出现上、下报警状态值（THA，TLA）为1的情况时，就会触发系统报警电路。

当温度测量数值偏离设定数值士5℃时，系统会自动报警，以提醒轮机管理人员注意，及时查明故障原因和解决问题。

按键输入功能

用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、三位LED数码管显示，其显示数值范围是000一999，代表温度范围是0一99.9℃。

在小键盘上有六个按键，分别是“设置状态”按键、“运行状态”按键、“数值增加”按健、“数值减少”按键、以及“高温”按键和“低温”按键。

当系统开机运行时，其温度设定值由软件编制时事先设置好，当需要改变数值时，用户首先按下键盘的“设置状态”按键，使显示部分切换到设定值的显示，然后由键盘的“高温”或者“低温”键切换到需要更改的温度显示，此时，三位LED数码数码管中的最低一立开始闪烁，再由“数值增加”或“数值减少”按键输入所需设置的数值，可以改变了设定数值。

当设定好新的数值后，用户再次按下“运行状态”按键，切换列系统运行状态，这时三位LED数码管所显示的就是测量温度数值。

小结

本章首先介绍了船舶柴油机冷却水温度控制系统的组成，并对系统各组成部分功能作了简要说明，对系统主要技术指标及各部分组成芯片作了简要介绍。

系统结构设计方案主要侧重于使用维护方便，性能可靠稳定等特点。

第3章系统硬件电路设计

本章将详细介绍船舶柴油机冷却水温度控制系统的各部分硬件电路工作原理并对主要芯片原理与应用作以介绍。

单片机控制电路设计

该电路主要完成系统的各种控制功能，主要键盘输入、LED液晶显示、声光报警、看门狗电路四部分组成。

AT89C51微处理器

本系统因为应用于船舶系统中，周围信号干扰强，最好系统使用尽可能少的外围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以就要求使用的单片机具有片内足够大的ROM和RAM。