基于总线的船用电控柴油机控制系统研究

【摘要】1 前言 柴油机是船舶主要的动力来源，其技术开发一直受到柴油机使用者和制造商的广泛重视。传统的机械式柴油机喷油定时、排气定时等用凸轮轴控制，只能按出厂时设置好的模式工作，...

摘 要：新型船用电控柴油机是现今船舶的主流机型，其控制系统是关键核心，直接影响船的航行运营情况。本文研究分析柴油机结构及其控制参数，采用CAN总线构建电控系统的控制网络结构及智能节点设计、电控系统功能设计，并对控制系统所实现的控制过程进行分析。

关键词：船用电控柴油机；控制系统；CAN总线

中图分类号：U664.121 文献标识码：A

Abstract：Marine electronic control diesel engines are commonly installed in most ships and its control system is the key part which has direct effect on ship navigation and operation. This paper studies and analyses the structure and control parameters， design of CAN bus based control network structure and intelligent node， function design of electronically controlled system and control process of control system of the diesel engine.

Key words：Marine electronically controlled diesel engine；Control system；CAN Bus

1 前言

柴油机是船舶主要的动力来源，其技术开发一直受到柴油机使用者和制造商的广泛重视。传统的机械式柴油机喷油定时、排气定时等用凸轮轴控制，只能按出厂时设置好的模式工作，控制策略单一，效率低下。要实现柴油机的高效率和降低废气排放量，只有通过高度集成的控制系统才能快速精确控制，适应不同的工况要求。本文以具有高通讯可靠性、实时性和网络安全性的CAN总线，设计柴油机的总线集成控制系统，把分散化的多功能监测控制设备变成智能节点连接成网络，成为一个实现数据传输、智能控制、工况参数显示、报警、修改等功能的多功能自动化控制系统。

2 共轨柴油机组成

船用高压共轨柴油机是由高压燃油共轨系统、高压伺服油系统、曲轴转角系统等组成，如图1所示。

2.1 高压燃油共轨系统

由2台燃油泵、共轨管、喷油器和轨压安全阀等连接而成。共轨管储存高压油泵提供的高压燃油，起蓄压器作用，能抵消柱塞泵供油和喷油器喷油过程引起的压力波动，供应稳定压力的燃油给各喷油器；主机曲轴经过齿轮箱带动多个凸轮直列柱塞式油泵，向共轨提供高压油，利用其本身输送的油液进行和冷却；每个泵上都有PCV电磁阀，其通电和断电时能控制供入共轨管内的燃油量，从而调整共轨管内的燃油压力；燃油喷射压力完全独立于发动机转速，在低速低负荷工况下同样可以实现高压喷射；在共轨端部安装有轨压安全阀，防止共轨管压力超压和应急停车时能迅速泄放来降低轨压；每个缸喷油定时由独立的电磁阀控制。

2.2 高压伺服油共轨系统

由3台伺服油泵、共轨管、排气阀和轨压安全阀等连接而成，如图2所示。

由主机曲轴经过齿轮箱带动多个伺服油泵，向共轨提供高压伺服油，可通过PWM信号给泵内自带的压力控制器来调节泵输出油压，调节实际轨压。伺服油是主机油在经过一次过滤后的滑油。每个缸排气阀由电磁阀通断控制的伺服油来驱动打开的，在由高压空气弹簧关闭，进而控制其排气定时，位置传感器可以获取气阀的开启程度[1]。

2.3 曲轴转角系统

曲线转角系统，如图3所示。

主机曲轴基准位置是分别通过上止点传感器和下止点传感器监测上止点齿和下止点齿的中心来确定。只能在柴油机转过上止点或下止点后，获得基准标记，才开始接收曲柄转角信号计算曲柄转角。两套传感器测量齿轮轮齿来获得曲柄转角信号，用累加算法计算从基准点至当前点的脉冲数计算曲柄转角。

3 共轨柴油机电控系统网络结构设计

共轨柴油机电控系统是由基于CAN总线通信的主控模块（MCM）、气缸控制模块CCM和本地控制模块（LDU）构成，整个系统就一个MCM，每个气缸配一个CCM，总线网络拓扑图如4所示。它的主要特点是：模块化设计，分布式控制，关键控制程序运行在至少2个模块内；系统内部主模块间的通信是通过带有冗余的CAN总线实现的；显示单元的通信可以由CAN总线和Ethernet共同完成。

MCM、CCM、LDU是CAN现场总线网络内的智能节点。在现场总线网络中，智能节点是信息接收和发送的装置，能根据接受的数据信息和本地采集的数据信息及时完成程序设计的控制功能。在柴油机控制系统中，CAN总线智能节点地位一样，一方面与其它远程的CAN智能节点进行通信，另一方面直接连接着传感器和执行机构，能根据系统的需要对现场的执行机构或者传感器进行控制和数据采集。在控制系统设计的时候，尽量将过程控制程序放在就近的智能节点模块中，从而减少通信量，提高了系统控制的实时性。

每台控制系统仅配一个主控制模块MCM，主要管理和控制整台柴油机，又能与主机遥控和全船监控和报警系统通信。MCM内有主控程序，主要负责对整个系统进行初始化，实现系统的工作时序程序、控制摸式判定程序、转速与负荷处理程序、中断处理程序、MAP查表程序等。

每个气缸单独配一个气缸控制模块CCM，主要收集与每个气缸有关的传感器信号，对此气缸相关的喷油、排气、汽缸油、曲轴转向和转角计算等进行管理和控制。同时，在某个或某2个CCM模块中设置有柴油机辅助功能控制程序，如某CCM接收主机转速信号和燃油轨压信号，发给MCM运算后得到反馈的轨压目标信号，此CCM内程序控制油泵PCV阀调节燃油共轨压力；某CCM采集伺服油轨压信号，与MCM的给定值信号比较，压差超过一定值时，此CCM就发PWM信号给伺服油泵的压力控制器来调节轨压。以上控制动作不受主机转速影响，完全能够根据实际运行情况独立受控操作。

每台控制系统配2个就地显示单元LDU，带有液晶显示屏和控制按钮进行机旁监控，能实时查看柴油机的运行数据，方便就地控制，且有最高控制级，高于集控室和驾驶台控制。

每个CAN智能节点都有CAN通信模块，由CAN控制器和CAN总线驱动器构成。CAN控制器没有集成在智能节点的主算法控制器内，保证主控制器主要用于实时处理多个控制任务，不用分时处理通信任务，降低了主控制器的负荷，提高了系统效率，还可以对通信模块进行电磁兼容，提高了抗干扰能力。

提高控制系统可靠性必须考虑系统冗余设计，因船舶海上航行环境十分恶劣，通信线路一直处在潮湿和腐蚀性较强的机舱内，容易出现意外故障，虽然CAN总线的抗干扰能力和可靠性较强，但是一旦出现故障，柴油机作为整个船舶的心脏设备将造成不可估量的损失，所以必须进行冗余设计。采用双CAN总线完全冗余设计，系统中使用两套总线，每套总线都有完整的总线控制器、总线收发器和电缆，两套总线有主从之分，一套运行时另一套处于备用状态，发生故障时随时快速可以切换。

4 共轨柴油机电控系统功能设计

基于总线的船用电控柴油机控制系统，主要由以下部分组成（图5）：

（1）运行模式控制程序

它主要由起动模式、正常运行模式（燃油经济性模式、低排放控制模式、主机运行保护模式等）、停车模式等组成。可根据船舶实际航行情况，由系统自动或由操作人员手动切换所需的运行模式。

（2）主机子系统控制程序

主要是由气缸喷油量控制、燃油共轨控制、转向监测和曲轴转角计算、排气阀控制、伺服油共轨控制、涡轮增压器运行控制等单元组成，它控制了柴油机各子系统运行。

（3）主机工况监管程序

自动采集主机工况的各种运行参数，通过主机子系统控制程序优化柴油机控制，使主机始终运行在最佳状态。它主要是由气缸压力监测、活塞环磨损监测、扭矩和振动监测以及柴油机智能优化管理等单元组成。

5 共轨柴油机控制过程分析

5.1 起动模式

（1）首先检查起动条件：盘车机脱开信号、主起动阀位置信号、起动空气压力信号、滑油压力信号、遥控系统电源信号、操纵部位转换信号、故障停车复位信号、三次起动失败信号、起动限时信号、起动转速信号等起动准备的逻辑条件是否都满足，若满足气缸内就通入高压空气开始起动，一旦到达发火转速停止起动空气，完成高压空气起动过程。

在进行空气起动前，电控伺服油用服务泵已经开始工作，将伺服油共轨的压力稳定在系统规定的共轨压力值，保证伺服油供给排气阀动作。

在压缩空气起动主机过程中，多台高压燃油泵由主机轴系带动运行，迅速将燃油共轨的压力稳定在系统规定的起动压力值，满足后续喷油时刻的燃油要求。

（2）根据转速传感器的信号，达到发火转速后，控制信号发送给每个气缸的喷油电磁阀，开启后喷入高压燃油，进入喷油起动模式，检查控制喷油量MAP，喷油定时取设定值，以固定的喷油脉宽开始，每次喷射以一定的步长增加，但喷油脉宽不能大于最大脉宽，直到柴油机转速超过设定最低稳定转速，随后转入正常运行工况。

5.2正常运行模式

当转速达到最低稳定转速时，进入正常调速模式。在此模式下，MCM内调速器工作控制实时喷油过程，进而控制主机速度。主要是根据柴油机车钟位置和转速，通过查询喷油量MAP确定基本喷油量，结合加速速率限制、临界转速控制、转矩油量限制、扫气油量限制和手动油量限制等，对基本油量进行修正，得到的结果与当前转速下的最大喷油量作比较，较小的值即为最终总喷油量。然后根据当前的共轨压力，通过查油量和脉宽的对应关系MAP，计算出喷油脉宽，通过喷射控制程序驱动喷油器电磁阀完成喷油控制[4] 。

在此模式下，MCM内进行燃油共轨压力和伺服油共轨压力目标值的计算，根据发动机转速和最终喷油量确定主机的负荷，进而计算出喷油压力目标值，送至CCM #1内（CCM #2备用），CCM进一步控制轨压。

5.3停车模式

当柴油机处在停车模式时，燃油共轨上的泄放阀立刻打开，共轨压力迅速降低为零，停止喷油。

6 结论

基于CAN总线通信的系统结构，能够安全快速实现数据传输，极大的简化了控制系统结构；模块化设计，避免了集中处理，提高了相应速度，具有传统柴油机无法实现的灵活性和快速准确性。

参考文献

[1] 高勇军，黄连忠.船用智能柴油机的最新技术特点和管理[J].世界海

运，2007.30（4）.

[2] 谢荣.船用柴油机电控共轨系统的控制策略[J].船海工程，2009.38（1）.

[3] 李永强.基于CAN总线下的电控柴油机多ECU通信平台的设计[D].大连

理工大学硕士学位论文，2003.3.

[4] 安利强.电控单体泵柴油机关键MAP的匹配与标定[J].车用发动机，

2004.4（152）.