船舶发电柴油机SCR系统控制系统研究与设计

船舶发电柴油机SCR系统控制系统研究与设计

夏龙 刘纯

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摘  要：介绍了运用冗余CAN总线技术和分布式结构设计的船舶柴油机选择性催化还原（SCR）系统控制系统，系统综合应用了嵌入式工控平板电脑、单片机和现场总线技术。可以根据不同船舶发电柴油机的要求进行灵活安装、配置。这种SCR系统对于各类船舶发电柴油机实现IMO TierⅢ排放标准均有重要的意义和作用。

关键词：船舶发电柴油机；SCR；控制系统；冗余CAN总线

The design of SCR control system for marine diesel generator

( 1.School of Power and Energy Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063，China)

Abstract:Thispaperintroducesthe design of SCR control system for marine diesel generator with redundancy CAN bus technology and distributed architecture.Taking advantage ofindustrial touch panel computer,microcontroller and CAN bus in this control system.This design makes the SCR control system very flexible layout and installation. Using this system can helpall types of marine diesel generators to achieve IMO Tier Ⅲemission standards.

Key words：marine diesel generator；SCR；control system；redundancy CAN bus

引言

近年来，关于船舶柴油机有害气体的排放问题越来越受到重视。国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）第58届会议修订了MARPOL公约附则Ⅵ（MEPC.176（58）决议）的第13条及《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》（MEPC.177（58）决议），该修正案已于2010年7月1日生效。修订后的NOX排放适用要求见表1，对于船上安装的柴油机，当船舶航行在排放控制区（ECA）时，应该符合氮氧化物Tier Ⅲ排放标准[1]。

表1 2000年1月1日以后建造船舶上安装的船用柴油机NOX排放适用要求

Table 1 Application requirements for theemission of NOX from marine diesel engines installed on a ship constructed after 1january2000

要达到Tier Ⅲ这一严格的排放要求，目前公认的有效且成熟的技术手段就是安装选择性催化还原系统（SCR系统）[2][3]。

目前，国内自主船机SCR产品基本处于空白状态，船机SCR技术市场基本都由几家国外公司所垄断，供货周期长，价格昂贵，并形成技术壁垒，成为制约我国船机排放控制技术发展的瓶颈。

针对国内SCR系统的发展现状，自主研发出船机SCR系统对我国的船舶制造业和国际航运业都有重大的意义。本文提出的这一套船机SCR系统控制系统的设计方案，将在船机SCR产品自主化方面迈出坚实的一步。

1 船舶发电柴油机SCR系统工作原理及组成

1.1 工作原理

控制器根据发动机的实时工况计算出尿素喷射量，在柴油机排气温度达到一定的限值（290℃~480℃）[4]时将流量指令发送给计量单元，计量单元准确计量尿素水溶液后经过喷射单元良好雾化后喷入柴油机排气中，尿素液滴经过蒸发、热解及水解后生成还原剂NH3，见式（1-1）。当含有NH3的废气到达催化器并与催化剂接触后，NH3在催化剂的作用下将有害的NOX转化为无害的N2和H2O，见式（1-2）和式（1-3）[5]。

                （1-1）

                （1-2）

                  （1-3）

1.2 SCR系统组成

船舶发电柴油机SCR系统通常由催化器、催化剂、泵单元、计量单元、喷射单元、混合管及混合装置、控制器组成，如图1。

图1 船舶发电柴油机SCR系统组成

催化器也叫反应器，主要的功能是容纳催化剂。

催化剂被涂在陶瓷砖的蜂窝状结构内，是催化器的重要组成元素。

泵单元用于将尿素溶液从尿素罐中输送到系统的其它部分，使尿素的压力达到合适的水平然后喷入尾气流中。

SCR控制器将计算出尿素流量指令发送给计量单元，计量单元根据流量指令准确计量尿素的喷射量。

喷射单元用于将尿素水溶液良好雾化后喷入排气管中。

混合管主要用于将喷入排气中的雾化尿素溶液和柴油机排气进行混合。

控制器采集各传感器的信息，根据发动机扭矩和转速调节尿素的喷射量，确保始终向排气管中喷入必要数量的尿素。

2  传统SCR系统控制系统结构

传统的SCR控制系统均采用信号集中处理和集中控制的方式，所有底层的信号均采集到SCR控制器中，由单一的控制器统一处理信号后控制所有回路。这种采用集中控制的系统使控制任务过于集中，降低了系统的可靠性。

3  基于冗余CAN总线的SCR系统控制系统设计

3.1 SCR控制系统总体架构设计

为了使SCR控制系统能够在恶劣的船用环境下更安全可靠地工作，在本系统中，对SCR系统控制系统的CAN总线进行冗余设计，总体架构布局采用分区模块化思想。按照功能相似、位置靠近的原则将SCR系统控制系统划分为7个区域控制模块，总体结构如图2。

图2 SCR系统控制系统总体结构图

主控制模块通过CAN总线接收各子模块发送的信息，根据实时工况计算出尿素喷射量，通过CAN总线发送给喷射管理子模块，由喷射系统进行尿素的定量喷射。此外主控器还用于人机交互，存储和监控各子模块工作状态并发出报警。

各管理子模块一方面负责采集本组信号，并根据这些实时信息调节被控量；另一方面负责将它所采集的信息和自身工作状态通过CAN总线发送给主控制器。

3.2 SCR控制系统控制模块设计

由于系统所有管理子模块都是用来进行采集和输出，并通过CAN通信。因此，可以设计一个通用的下位管理子模块，该下位管理子模块兼顾了所有子模块的接口需求，见表2，然后写入对应的程序，将完成相应的控制功能。这样，整个控制系统的设计，就简化为下位管理子模块和主控制模块这两个部分的设计。下面将分别介绍这两部分的设计。

表2 下位管理子模块接口

3.2.1主控制模块设计

主控制模块硬件结构见图3，它由工控平板电脑，固态硬盘和CAN接口卡组成，主控制模块与其他模块之间通过CAN总线通信。CAN接口卡有两个独立的CAN通道，正常工作时，一个作为主通道，另一个作为备用通道，主控制器对CAN节点进行实时监测，当主节点出现通信错误，且错误数达到256个时，主控制器将会把总线切换到另一个备用通道。

图3 主控制模块硬件结构图

3.2.2管理子模块设计

在前面表2中已经总结出了下位管理子模块所需要的接口，根据这些接口需求，我们选择一款单片机进行硬件设计。下位管理子模块硬件电路见图4。

对于下位管理子模块的CAN接口，进行了CAN总线控制器热冗余设计，下位管理子模块同时使用独立的两个CAN收发器，两个CAN控制器，并分别接在到两条CAN总线上。单片机通过两个不同的接口和中断与CAN控制器相连接。单片机上电后，2个CAN控制器的中断保持在开启状态，以使中断可以被触发。单片机对外发送数据时，不管其中一条总线是否存在故障，通过CAN控制器1和CAN控制器2对总线发送同一组报文。接收数据时，当CAN控制器1和CAN控制器2均接收到一帧报文，他们会各自向单片机发送中断请求，由于CAN总线1和CAN总线2并非严格的信息同步，这样，先向单片机发出中断请求的CAN控制器将会获得中断响应并进入中断，在中断服务程序中首先立即关闭CAN控制器中断，使中断不会被触发，然后进行数据处理，数据处理完成后，加一个短暂的延时，随后清除所有中断标识，开启CAN控制器中断，最后退出中断服务程序。

这样，如果其中一条CAN总线上的任意一个环节出现故障，则相应的CAN总线控制器就不会产生中断请求，单片机也就不会对它做出中断响应，所以收到的数据一直是另一个没有产生故障的CAN总线上的数据。

图4 下位管理子模块硬件电路

4结语

本文主要针对船舶发电柴油机SCR系统控制系统进行了研究，首先介绍了船机SCR系统的工作原理和组成结构，接着针对传统SCR系统控制系统的不足，提出了一种基于冗余CAN总线的SCR系统控制系统设计方案，同时在CAN节点布置上采用了分布式结构，使控制分散化，管理集中化。这种设计使得SCR控制系统提高了信号稳定性和节点可扩展性，整个控制系统更加安全可靠。

参考文献：

[1]中国船级社.船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南.人民交通出版社，2011

[2]Katsuya fujita,Katsumi nochi.Development of Selective Catalytic Reduction for Low-speed Marine Diesel Engines.Mitsubishi Heavy Industries Technical Review[J].2010.9

[3]Yarwil,JM,H+H.The Technological and Economic Viability of Selective Catalytic Reduction for Ships.IACCSEA White Paper[R].2012.12

[4]周细玲.船机SCR系统排气流场CFD分析与优化[D].武汉理工大学，2012.5

[5]Wartsila. Wartsila Environmental Product Guide[Z].2013.2