轮机自动化3 VISCOCHIEF控制的燃油粘度控制系统

第三节用单片机组成的燃油拈度有动控制系统VISCOCHIEF 型系统是新一代可用于船上的燃油粘度自动控制系统。

其粘度传感器和调节器无论在结构上，还是在工作原理上都较以往用于船上的 VAF、NAKAKITA 等型燃油粘度控制系统有根本的改变。

粘度传感器 EVT-10C 和控制器 VCU-160 均用单片机取代了常规的变送器和调节器。

在系统中可采用 SHS 蒸汽加热装置，也可采用 EHS 电加热装置或两者兼用。

这种粘度控制系统在 90 年代造的船舶上被越来越多地采用。

一、控制系统的组成、功能及特点VISCOCHIEF 燃油粘度自动控制系统如图1-3-1 所示。

它主要由 EVT-10C 粘度传感器、PT100 温度传感器、 VCU-160 控制器、 SHS 蒸汽加热装置和 EHS 电加热装置等部分组成。

粘度传感器和温度传感器分别检测燃油加热器出口燃油的粘度和温度，两者将粘度和温度值按比例转换成标准电流和电压信号送到控制器。

VCU-160 型控制器是一种具有比例积分控制规律的全自动控制装置，可以对燃油粘度或温度进行定值控制，有柴油温度定值控制和重油粘度又可以进行现场自动控制，必要时经转换也可手动控制。

用数码显示器可以同时显示系统中燃油的粘度和温度值，另外也可显示参数设定值和故障种类。

VISCOCHIEF 粘度自动控制系统与常规的粘度控制系统相比较，具有如下主要特点：l ) VISCOCHIEF 粘度自动控制系统利用改进后的温度传感器检测温度敏感性好，即对温度的变化响应速度快，单片机粘度传感器测量精度高，同时又采用了粘度和温度控制回路新方案，使用中不需参数整定，大大提高了系统的动态控制精度，并提高了系统的稳定性。

2）粘度传感器采用新的结构以后，没有运动部件（只有振动杆件），可在全流量下测量，不易堵塞，结构紧凑，重量轻，在主机燃用劣质高粘度燃油情况下仍具有较高的测量精度。

3）由于该粘度控制系统采用了单片机，因此，它具有完善的自检、控制、显示、多种故障报警等功能，大大提高了系统的可靠性。

很多功能设置的改变是靠改变控制系统的某些参数来实现的，这就使它具有很强的适应性和灵活性，并具有与上位机进行通讯的功能，是船舶动力装置实现分布式集中监控的必要条件之一。

二、测量单元1．EVT-10C 粘度传感器EVT-10C 型粘度传感器由测粘计和单片机变送器两部分组成，其结构原理如图1-3-2 所示。

下面分别叙述它们的结构和工作原理。

（1）测粘计测粘计是燃油粘度的测量装置，它把燃油粘度的变化转换为感应电动势的变化量并送到单片机变送器。

测粘计的主要部件是振动杆 1 、动力线圈 2 、永久磁铁 3 、检测线圈 4 、永久磁铁 5 等。

工作原理是基于插入到流动燃油里振动杆的强制振荡进行测量的。

振动杆的强制振荡是由动力线圈2和永久磁铁 3 产生并保持的，其振荡频率是固定的。

振动杆的自振频率取决于振动杆的几何尺寸。

当设计的振动杆几何尺寸使其自动频率等于强制振荡频率时，将发生共振。

在这个振荡频率上，振动杆的振荡幅值达最大。

燃油的摩擦阻力将衰减振动杆振荡的幅值，振动杆的幅值衰减量正比于燃油粘度。

在测量管路里流过燃油的粘度越高，振动杆振荡受到的衰减越大，杆的振荡幅值越小。

反之，粘度越低，衰减量越小，杆的振荡幅值越大。

通过固定在振动杆上的永久磁铁 5 和在其上方的检测线圈 4 进行测量振动杆的振荡幅值。

检测线圈内感应电动势的下降量与振动杆振荡幅值的衰减量成正比。

振荡电路的共振频率，即动力线圈电源的频率在制造时已被调准，并把这个频率值储存在单片机系统 6 内。

在工作期间，单片机随时对这个频率进行检查核对是否保持在特定范围内。

传感器的校准是在工厂里用三种不同粘度（ 10 cSt , 20 cSt , 50cSt ）专用高等级标准油样进行粘度值标定的，从测量线圈检测到毫伏信号作为毫伏输出曲线储存在单片机系统里。

（2）单片机变送器粘度传感器内的单片机变送器采用 Intel 公司 MCS-51 系列单片机80C31 组成单片微型计算机变送系统，电路如图1-3-3 所示。

它把测量线圈产生的感应电动势经数据放大后送入精密电压一频率转换器 LM231 ，它输出的脉冲信号频率与输入电压严格成比例，实际上LM231 是起模数转换器的作用。

该脉冲信号送到80C31内部定时器T0，记录单位时间脉冲数，该数值就反映了燃油粘度的实际值。

为了防止振动、温度、流量、压力、流速等外界因素的干扰，软件上采取了数字滤波等抗干扰措施，并进行数值标定。

80C31 再把表示粘度值的数字量送入AD7543BD 数模转换器转换成电压模拟量，经电压电流变换电路转换成标准4mA ~20 mA 电流输出，其对应的粘度测量范围是0cSt ~50cSt。

2．PT100 温度传感器PT100 是一种热电阻式温度传感器。

这种传感器是利用金属材料电阻值随温度升高而增大，且在检测范围内它们之间保持良好线性关系的特性制造的。

利用测量电桥把测温元件（金属丝）电阻值变化转换成电压信号，该电信号与所检测的温度成比例。

测量电阻R，是测量电桥的一个桥臂，它是安装在所要检测的管路中，离测量电桥较远。

为补偿环境温度变化所产生的测量误差，在实际测量电路中往往把“两线制”接法改为“三线制”。

PT 100 温度传感器在结构上与以往使用的温度传感器有所不同，如图1-3-4 所示。

检测元件 1 直接插入被检测介质中，不用壳体防护，以避免热电阻与壳体之间的空气影响传热速度。

为了防止更换或检修传感器时介质外逸，采用了特殊的弹簧囊结构。

若要拆下传感器 7 ，应先松开锁紧螺帽5 ，随后可旋出传感器。

与此同时，止回帽 2 在弹簧 3 和燃油压力作用下，将导向管4下端口盖住，从而可防止管路 6 中燃油的逸出。

这种改进后的温度传感器的惯性很小，能及时感受温度的变化。

三、VCU-160 粘度控制器1．控制方式和过程VCU-160 粘度控制器用单片机8031 可以同时监视、控制、显示燃油温度和粘度，它主要由Pl 温度调节器和 Pl 粘度调节器组成。

控制和显示所用的输入信号来自于 EVT-10C 粘度传感器和 PT100 温度传感器，输出控制信号到蒸汽加热装置的蒸汽调节阀或电加热装置的接触器。

可以对 DO（柴油）进行温度定值控制，对HFO（重油）进行温度或粘度控制，两种控制方式在升温或降温过程中有升温速率的程序和降温粘度定值控制，另外设有手动控制蒸汽调节阀调节方式。

在各种工作方式下均有温度和粘度显示。

当把控制方式选择开关从停止转到 DO 位置（温度控制）时，开始对柴油进行加热，温度升高的速率是按事先设定的规律进行程序控制的，当温度达到设定的 DO 定值控制温度以下3 ℃之内时，加温过程的程序控制结束，自动转入温度定值控制，此时粘度警报被自动关掉。

当把控制方式选择开关从停止或柴油位置转到 HFO 位置（粘度控制）时，升温过程与 DO 工作方式升温过程相同，只是当温度达到 HFO 设定温度以下 3 ℃之内时，自动转入粘度定值控制，同时闪亮的 DO 工作指示灯灭， HFO 工作指示灯亮。

工作状态稳定后，改为对HFO 进行温度或粘度的定值控制。

当粘度被控制到给定值与测量值的绝对偏差在 0 . 5cSt 以内时，温度调节器开始以粘度设定值所对应的当时温度值作为温度给定值，对 HFO 进行温度定值控制，只要粘度保持绝对偏差在0.5cSt 以内，温度调节器就一直输出控制信号，使系统温度保持在当时温度上。

当粘度绝对偏差值超过0.5cSt 时，粘度调节器开始工作，使其恢复到绝对偏差在0.5 cst 以内时，温度调节器又以此时粘度所对应的温度为给定值进行温度定值控制。

定值控制用的比例积分作用规律和程序控制功能均由软件程序来完成。

控制过程曲线如图1-3 -5 所示。

从曲线上可看出，某燃油粘度的给定值为 12cst ，当燃油实际粘度达 12cSt 时的温度是 150 ℃，根据前面所述可知，这时应为温度定值控制。

随着主机用油品种或油质的变化，在时间T l 时燃油实际粘度已变化到 12.5cSt ，粘度偏差已达0.5 cst ，粘度调节器开始工作，执行机构改为按粘度调节器输出的控制信号动作，使粘度逐渐向给定值方向恢复。

当时间刚过T2时，实际粘度已回到 12.5 cst 以下，这时的燃油温度为 154 ℃，温度调节器又以 154 ℃为温度给定值进行温度定值控制。

此后，只要实际粘度值与给定值的绝对偏差不超过0.5cSt ，就一直保持在这个温度上的温度定值控制，若绝对偏差超过0.5cSt ，调节器将重复上述动作过程。

当把控制方式开关从重油位置转到柴油位置时，系统将连续工作在柴油粘度定值控制方式，控制器通过减小对燃油的加热强度来保持粘度值，当温度下降到柴油温度设定值时，温度调节器自动开始温度控制。

在本系统中，采用粘度或温度定值控制是基于同一燃油温度的变化要比粘度的变化灵敏这一事实，特别是在温度传感器经改进后，检测温度很敏感的情况下，可大大提高系统的灵敏性，改善系统的动态特性，同时，两种定值控制可以互为备用，从而也可提高系统的可靠性。

2．控制板电路VCU-160 控制器的电路是制做在一块印刷电路板上的。

这块控制板装在主控制箱中，它由输入端输入粘度控制系统中各种模拟量和开关量信号，经 8031 单片机处理后，由输出端输出各种控制、显示和报警信号。

这块电路板实际电路较为复杂，为了便于讲清它的工作原理，我们对该电路板的实际电路作了适当的简化，简化后的电路如图1-3-6 所示。

( 1 ）模拟量输入电路控制和显示等所用的输入信号来自 EVT-10C 粘度传感器和 PT 100 温度传感器的模拟量。

它们分别是毫安电流和毫伏电压信号，经各自数据放大器A1和A2放大后送入8 位多路转换开关 DG 508 。

多路转换开关的作用是在某一时刻只能选择一个通道的信号输入，这一功能是由多路转换开关内地址译码器实现的。

从图中可见，该地址来自可编程并行接口 8255 。

82 55 接口片子有 3 个端口 PA 、 PB 和 PC ，每个端口有 8 条I/ O 线， 3 个端口 24 条可编程 1 / 0 引脚，这些引脚可分成两组（每组 12 条）分别编程。

8255 有 3 种工作方式，即方式0——基本的输入／输出方式，方式1——带选通的输入／输出方式和方式2——双向总线方式。

由于在该粘度控制系统中 8031 是单向地从 8255 接口输出信息，且不采用中断方式，所以 8255 接口用控制字已将 PA、PB和PC 三个端口均置成工作方式0，且全部为输出状态，这时控制寄存器的内容应该是80H。

控制字的格式为：8255选端口的地址线A0和 Al 这两个输入信号与RD 和WR 输入信号一起，用来选择三个口或控制字寄存器。