（轮机工程专业论文）船舶最低单位距离油耗航速及控制系统研究.pdf

摘要 随着世界燃油市场价格的不断上涨，人们的节能观念不断深化，各项围绕 着节能主题的新技术不断孕育而生。就船用设备而言，主机的燃油消耗占据了 船舶营运成本的很大一部分，因此船舶主机的节能尤为重要。所以，近年来世 界各大柴油机制造商投入大量的人力财力研究开发低燃油消耗的主机，但由于 柴油机的结构、原理等方面的限制几乎已经达到了极限，所以目前船舶节能应 从现有的设备条件中挖潜力、降低燃油消耗，以最小的能量消耗获取最大的运 输效益。船舶在航行时，必须的能量形式是动能、电能和热能。供应这些能量 的装置是推进装置、发电装置和供气装置，这三个装置都直接消耗燃料。以柴 油机船为例，直接耗用燃料的设备是柴油主机、发电柴油机和辅助锅炉。其 中，船舶主机所消耗的能量占总能量的7 0 9 0 。 论文主要介绍了一种船舶最低单位距离油耗航速控制系统。利用这套系统 可以在不影响船舶航行安全和航运周期的前提下，通过实时检测的方式，控制 主机运行于最低单位距离油耗航速，从而大大降低船舶航行时的主机燃油消 耗。 作者主要完成了以下工作： 1 分析了现阶段经济航速的分类、计算方法。研究了船舶单位距离最低油 耗转速控制系统的寻优策略，包括初始寻优策略、弯道寻优策略和寻优修正策 略。 2 在此基础上，提出了船舶柴油机最低油耗航速控制系统总体设计方案并 完成了主控芯片选型。 3 以t m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 芯片作为系统主控芯片，并在t m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 芯片上 进行了嵌入式操作系统p c o s i i 的移植 4 进行系统的软件设计，包括“c o s i i 任务划分，以及各个任务的程序设 计。 关键词：船舶主机，油耗，寻优控制，p c o s i i a b s t r a c t a st h e 、v o r l do i lm a r k e tp r i c e sr i s i n g ，p e o p l e se n e 唱y - s a v i n gi d e a st oe n h a n c e ， b i m lo fm a n yn e w e n e 唱y s a v i n gt e c 王u l o l o g y t bt h em a r i n ee q u i p m e n t ，e n e 略y s a v i n g i sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tf o rm a r i n em a i n ，t h eh o s ts h i p 如e lc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o r as i g n i f i c a n tp o r t i o no fo p e r a t i n gc o s t s ，s o ，i nr e c e n ty e a r s ，t h ew o r l d sm 勾o rs h i p p i n g c o m p a n i e sal a r g en u m b e ro fh u m a na n df i n a n c i a lr e s o u r c e si n t o r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fl o w 如e lc o n s u m p t i o no ft h eh o s t h o w e v e r ，t l l es t m c t u r eo fd i e s e l e n g i n e s ，p r i n c i p l e sa i l do t h e ra s p e c t si th a sa l m o s tr e a c h e di t sl i m i t t 1 1 e r e f o r e ，s a v j n g t h es h i pf 硒m 也ec u r r e n tc o n d i t i o n so ft h ee x i s t i n ge q u i p m e n td i g g i n gp o t e n t i a l r e d u c em e lc o n s u m p t i o n ，w i mm i n i m 啪e n e r g yc o n s u m p t i o n t om a x i m i z e t r a n s p o r t a t i o ne m c i e n c y s a i l i n gs h i p ，t h er e q u i r e de n e r g ) ，f i o 珊o fk i n e t i ce n e 唱y e l e c t r i c 时a n dh e a t ，s u p p l yo ft h e s ee n e r g yd e v i c e si sp r o p u l s i o 玛p o w e rg e n e r a t i o n e q u i p m e ma n dg a si n s t a l l a t i o n s ，t h e s et l l r e ed e v i c e sa r ed i r e c t l yc o n s 砌e d 向e 1 s h i p d i e s e le n g i n e s ，f o re x 锄p l e ，d i r e c tc o n s u m p t i o no fd i e s e l 如e l i st h eh o s to fe q u i p m e n t ， p o w e rg e n e r a t i o nd i e s e le n g i n e sa n da u x i l i a r yb o i l e r s ，a m o n gt h e m ，t h es h i ph o s t so f t h et o t a le n e r g yc o n s u m e db yt h ee n e r g yo f7 0 9 0 p a ：p e ri n t r o 小l c e sam a r i n ed i e s e le n 西n em i n f u l ec o n s 啪p t i o nc o n t r o ls y s t e m u s et h i ss y s t e mw i t h o u ta f i e c t i n gm es a 凫n a v i g a t i o no fs h i p sa n ds 1 1 i p p i n gc y c l e c o n t e x t ，t h r o u 曲t h er e a l t i m ed e t e c t i o n ，c o n t r o lt h es p e e do ft h eh o s tr u n n i n go nt h e m i n i m u mm e lc o n s u m p t i o n ， w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h eh o s ts h i p sw i t h如e l c o n s u m p t i o n t h em a j o ra c h i e v e m e n to ft h i sr e s e a c hc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o 、鹕： 1 a n a l y s i so ft h ec u r r e me c o n o m i cs p e e do fc l a s s i f i c a t i o na i l dt h ec a l c u l a t i o n u i l i td i s t a 】eo fas h i pc o n t r o ls y s t e mf o rm i n i m 啪f u e lc o n s u m p t i o na i l ds p e e d o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y ，i n c l u d i n gm ei n i t i a lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y ，o p t i m i z i n gs 伽t e g y c u r v ec o r r e c t i o ns t r a t e g ya n do p t i m i z a t i o n 2 o nt i l i sb a s i s ，t h ep r o p o s e dm i n i m u m 如e lc o i l s u m p t i o ns p e e ds l l i pd i e s e l e n g i n ec o n t r o ls y s t e ma i l dp r o g r 锄d e s i g na n dc o m p l e t e d t h em a s t e rc h i ps e l e c t i o n 3 t ot m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6c h i pa st h es y s t e mm a i nc o n t r o lc h i p ，a 1 1 dc 硎e do u ti n t m s 4 7 0 r 1a 2 5 6c h i p 哪b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o s i im i 酽a t i o n 4 d e s i g no fs y s t e ms o r 眦，i n c l u d i n gu c o s - i it a s kp a n i t i o n i n ga i l dv a r i o u s p r o g r 锄m i n gt a s k s k e yw o r d s ：s h i p sm 咖e n g i n e ；0 i lc o n s 岫p t i o n ；o p t i m i 删i o nc o n 仃0 l ；“c o s _ i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 始斑帐斗 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 捌：苏捌喻匆p 武汉理r = 人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界航运业的不断发展，市场经济体制的引入，我国航运企业的外部 生存环境发生了很大的变化。这些变化不仅促进了航运业的发展，也带来了新 的挑战。使得各类航运企业日益关心自身的经济效益，希望能最大限度的提高 其经济效益，以获取更大的利润。 众所周知，效益与利润总是一脉相承的，无论哪个行业的企业发展总是不 断追求效益和利润的最大化，航运企业亦如此。航运企业效益的好坏，最直接 体现在船舶航次利润( 即船舶航次收入减去航次成本，再减去税金) 。经营船 舶的最终目的是获得尽可能大的盈利，而扩大利润的最基本方法是尽可能地增 加营运收入或减少营运成本。如何降低营运成本，以获取航运企业的利润最大 化，已成为各船务公司非常关注的问题。 随着当i j 国际燃油价格的不断高涨，燃油费的支出已经不断加大了船舶企 业的营运成本。2 0 世纪6 0 7 0 年代，船用燃油价格低廉，市场境况好，航运 业利润大。此后，燃油价格不断上涨，通过燃油成本变动分析结果表明，燃油 成本占营运成本的比例由1 3 增长到4 5 ，甚至超过6 0 。在这种情况下，航 运企业要想获取更大的利润必须的途径就是降低船舶的燃油消耗。 船舶进行降速航行是船舶节约燃油消耗的一个重要途径，由于船舶螺旋桨所 消耗的功率大约与转速的立方成正比，所以航速的少量降低便可以节省大量的 燃油消耗，但如果航速过低，就不能满足船舶航次的时间要求。所以存在一个 船舶最低单位距离油耗航速，若船舶以这个航速进行航行，可以在满足航次时 间要求的前提下最大程度的减少燃油的消耗，从而降低船舶的营运成本。 本文介绍一种船舶最低单位距离油耗航速控制系统，该控制系统可以通过 实时实地航行检测的方式，找到最准确的主机节能转速，并控制主机运行于该 转速。从而在对现有的船舶进行微小改进的基础上，实现了节能降耗的目的。 武汉理【人学硕十学位论文 1 2 现有船舶节能技术概述 船舶节能就是以最小的能量消耗取得最大的运输效益。现有船舶的主要节 能途径可以分为三个方面： 1 2 1 机械设备与系统方面 任何船舶航行时必需的能量形式是推力、电能和热能。供应这些能量的装 置是推进装置、发电装置和供气装置，这三个装置都直接消耗燃料。以柴油机 船为例，直接耗用燃料的设备是柴油主机、发电柴油机和辅助锅炉。其中，主 机所消耗的能量占总输入能量的7 0 曲0 。柴油机每小时的燃油消耗量等于柴 油机燃料消耗率与功率的乘积。因此要降低主机所消耗能量，一方面是要从减 少主机的能量转换损失，努力降低主机的燃料消耗率入手，另一方面是采用减 少船舶所需的推进功率和营运功率等措施，例如改进船型，减少船舶阻力，提 高推进效率，采用经济航速，减速航行等。理论和实践证明，这方面的措施能 显著降低主机的燃料消耗量，提高船舶的营运效益。 众所周知，燃料在柴油机气缸中燃烧所发出的全部热量，只有一部分转变 为机械功，其余部分则分别通过冷却介质、排气和散热而排入海水和大气中。 除转变为有效功的热量外，其余热量都称为废热( 或称余热) 。回收利用这部 分余热是动力装置节能的重要途径。 柴油发电机和辅助锅炉所消耗的能量也是不容忽视的，约占总输入能的 1 0 3 0 。为了减少柴油发电机和辅助锅炉的输入能，从而减少它们的燃料消 耗，除了改善这些设备本身的能量转换效率以外，从动力装置总体角度一方面 设法减少船上电能和热量消耗，同时应研究采用能量综合利用的方法将它们与 主机结合起来，利用主机余热能量提供船舶所需的电能和热能。 在研究船舶节能时，除了考虑上述三个直接消耗燃料的设备外，还要注意 担负着不同任务而且为数众多的辅助机械设备和系统的节能。这些机械设备和 系统在工作过程中都存在着能量损失。这些损失的存在必然相应的增加机械 能、电能和热量消耗，从而导致主机、发电机和辅助锅炉的输入能的增加而使 整个动力装置效率降低。所以设法降低各类设备的能量损失，提高它们的效率 也是船舶节能的一个重要途径。 2 武汉理一r 人学硕士学位论文 1 2 2 船体方面 船舶是一个整体，船舶节能不应该仅考虑动力装置的节能，船体方面对减 少主机所需的功率，降低燃油消耗量也起了重要的作用。例如改进船体线型， 采用球鼻首能减少船舶拖拽阻力，约可节约燃油6 8 。在螺旋桨外围或者前 面安装导流管，节能约6 8 。又例如，采用优质船体涂料可以显著减少船体 表面摩擦阻力，从而减少主机消耗的功率，节约油耗1 0 1 5 。总之，从船体 方面采取节能措施，减少船体阻力，同样可以取得节约燃油的效果。 1 2 3 运行与管理方面 船舶的运行与机械设备的操作也与船舶节能有密切的关系。采用减速航行 和经济航速，可以节省推进所消耗的功率，从而节省燃料；在航行时利用风力 和潮流，可以缩短航行时间和降低主机功率，达到节省燃料的效果；根据具体 的情况确定合理的航线和航速，同样也可以节省燃料；提高轮机员的技术素质 和操作能力，使机器保持良好的技术状态也都能节省燃料。 良好的营运管理可以取得较大的货运量和较小的燃料消耗的节能效果。提 高货运量不但与船舶的性能、尺度及动力装置的型式等有关，而且与良好的营 运管理有密切关系。营运管理方面的措施有：提高货运运营效果。这方面的 工作如根据货源的数量和流向进行船舶的合理调度，减少空航等；减少非生 产性停航。如建立合理的维修管理制度和提高船员的业务水平；制定节能的 管理制度，提高船员和管理人员的节能知识。 总之，节能措施是很多的，如何节能要根据实际情况选择，以便达到最佳 节能效果【1 1 。 1 3 论文研究目的及内容 本课题的研究目的是设计一套船舶最低单位距离油耗航速控制系统，利用 这个系统可以自动完成最低单位距离油耗以及对应主机转速的寻找，并且通过 控制主机调速器，使主机在最低单位距离油耗对应的转速下进行运行。从而可 以达到减小船舶燃油的消耗，降低成本，提高经济效益的目的。为了增加控制 系统的可靠性，对控制用单片机t m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 进行嵌入式操作系统“c o s i i 移植，在p c o s i i 的基础上进行应用程序设计。论文主要完成以下工作： 武汉理1 ：人学硕士学位论文 1 ) 研究、制定合理的船舶主机单位距离最低油耗转速寻找策略。包括主 机初始最低单位距离油耗转速控制策略、航行过程中对主机最低单位距离油耗 转速的修诈策略和船舶在较长弯曲航道航行时的寻优控制策略。 2 ) 提出船舶最低单位距离油耗转速控制系统总体设计方案，其中包括主 控制单元接口设计、人机接口单元设计和控制切换单元设计，并完成主控制器 芯片的选型。 3 ) 完成对控制用单片机操作系统的论证选择，在控制用单片机上移植操 作系统c o s i i ，并在此基础上进行应用程序设计。 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章船舶经济航速计算方法 2 1 船舶单位距离最低油耗航速 2 1 1 船舶航行过程推进效率分析2 1 船舶在航行过程中，船舶主机输出的有效功率，经过轴系部分传递给船舶 螺旋桨，而螺旋桨在其转动时具有一定的能量损耗，且船身与螺旋桨之间有相 互的影响，故螺旋桨所发出的克服航行阻力推动船舶前进的有效功率，总是小 于螺旋桨所收到的功率。螺旋桨的推进系数与航速之间的关系分析如下： 设船舶总的阻力系数为 乞 彳，实船总的阻力系数与船舶航速、船体线 型、排水量污底程度等因素相关。根据船舶在不同航速下的阻力系数，由式 ( 2 1 ) 计算出在不同航速下实船总的阻力。 船舶在航行过程中总的阻力： 饮= o 5 p s 矿2 气 ( 2 - 1 ) 式中：p 水密度； 5 船体浸湿表面积： 矿船舶航速( 相对水) ； 气 。船舶实际总的阻力系数。 船舶在航行过程中，螺旋桨推力克服船舶阻力推动船舶前进， 发出推力为： r 厂= 卫 5 1 一芒 式中：芒船模推力减额分数， 螺旋桨进速：匕= ( 1 一矿。) 矿 式中：伴流分数 因此螺旋桨 ( 2 2 ) 近似等于实船推力减额分数乞。 ( 2 3 ) 武汉理一1 ：人学硕七学何论文 咖2 = 嘉 协4 ， 式中：实桨进速系数 以实桨推力系数 砟，2 对于一定的船速是一常数，表示从阻力角度对螺旋桨的要求。在螺 旋桨的敞水性征图上可事先另设一个纵坐标巧2 ，并绘制该桨的，一心，2 曲线，从该曲线上可以读出巧，2 = 常数的点，该点表示了实船螺旋桨的工作 点，由此可以读出船舶在不同的航速下7 7 0 ，的值，并按照以下步骤计算出船 舶在不同航速下的各个实船性能参数。 船舶的推进效率：船舶的推进效率为船舶前进克服船舶阻力的功率与螺旋 桨收到的功率之比，等于螺旋桨的敝水效率与相对旋转效率和船身效率之积， 即： 1 一f 2 五 其中，螺旋桨敞水效率 ，7 庙相对旋转效率 船模推力减额分数乞近似等于实船推力减额分数乞。 实桨转速： 刀：生 西s 实船有效马力： 只：型 拈 7 5 实桨收到的马力： 6 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 武汉理l ：人学硕十学位论文 只：鱼 n b ( 2 8 ) 根据上述过程的计算结果，可以绘制出门一矿、吃一矿、砑历一矿曲线， 如图2 1 所示。 p ) ：s _ b s 刃 o 图2 1 实船性能曲线 在图2 1 中，为船舶推进效率，船舶推进效率7 7 胁并不是随航速的降低 而降低，图中一矿曲线表示船舶推进效率随航速变化趋势。 2 1 2 船舶主机耗油率与转速的关系 主机的燃油消耗率为柴油机每小时单位有效功率所消耗的燃油量。即 = 号 协9 ) 如图2 2 所示5 l 6 0 m c 型柴油机耗油率与转速关系曲线【5 1 。当船舶柴油机 功率转速变化时，其燃油消耗率由于受到喷油量、换气质量、转速等影响， 不是一个定值，： 7 武汉理i ：人学硕士学位论文 s f o c ( g o 7 3 5 k wh ) 1 2 2 1 2 1 1 2 0 1 19 1 l8 l f j 、h i k 、oa 、 c 、u一(r 1 8 0 9 0 1 0 0 1 1 图2 2 一刀特性曲线 惠洳 由图2 2 可知，主机转速在额定转速9 0 附近耗油率最低，当主机转速 低于最低耗油率转速时，降低转速主机耗油率增大。 2 1 3 船舶单位距离油耗量与航速之间的关系 只。：生：盟：塑盟盟! ：出， ( 2 - 1 0 ) 肪 7 7 口7 九7 5 刁胍仉7 5 7 7 胎，7 。 l5 0 刁。7 7 胎 所以，主机单位时间的耗油量q = 只= 案岛筹矿 ( 2 - 1 1 ) 主机单雠离的耗油量q = 量萨= 蹀 ( 2 - 1 2 ) 船舶在航行过程中，船舶航速与主机转速关系， y = 二聆 ( 2 1 3 ) 1 一w 一 妣q = 絮沪= 絮w 矛 其中7 7 为轴系传送效率，p 为水密度，s 为船体浸湿表面积，上述参数在 8 武汉理，1 ：人学硕士学位论文 船舶航速改变前后几乎不变，可以视为常数。 设考去为k k 为常数。 q 一( 南) 2 警乔 由式( 2 1 7 ) 可知，船舶在航行过程中主机单位距离油耗量与船舶推进效 率、耗油率以及螺旋桨进速系数、实船阻力系数相关。 在船舶柴油机刀特性曲线上取9 个点，设船舶主机最高额定转速为 m 。由图2 2 可以得到主机各转速对应的耗油率，由公式2 1 7 ，计算得到主机 在各个转速对应的单位距离耗油量和航速，如表2 1 所示： 船舶航速( 相对地)主机耗油率 船舶航速( 相( u 为水流速度， 主机转速 ( 纠q 肭办 船舶单位距离油耗 对水)上水时取一，下水时 取+ ) a n o = n e 圪= 击札咯高u g 。= 1 2 0 q 删导哪 b = 0 9 7 札 卿嗳1 一” 蟛一o 卯熹心州 = 1 1 9 5 蚪吨：皓w c = 0 9 5 m 卿9 5 高越 一o 鳄高睨柑 = 1 1 9 蚓吨 2 皓增 d 嘞= 0 9 m 啪毪魁姐9 高m + u g 耐= 1 1 8 5 q 吨了皓m e 心= 0 8 7 m 啪嗳也嘭= 啷南魁+ u = 11 9 q = 喂：訾圮 f 唧= 0 8 4 m 哆一i h 睦心 哆= o 斛高也+ u = 1 2 0 g 吨) 2 皓增 9 武汉理厂人学硕十学位论文 g 门g = o 8 2 m _ 跎熹m蟛= q 挖f 笔m + u = 1 2 1 卿啪 导龙 h = 0 8 札 唧哇m巧一o 8 去m + u g 曲= 1 2 2 q = 俺咄：峥吖 l 啊= 0 7 8 札 唧畦聪 = o 弼熹m + u g 。，= 1 4 0 g = 鼢皓 2 峥孵 根据图2 1 可知船舶的推进效率随航速变化规律，根据螺旋桨敞水特征图 上的，一以2 曲线，可以读出船舶在不同航速下值，并结合在船舶航速变 化前后伴流分数和船舶阻力系数的变化，可以计算出： 皱= 1 1 4 8 彤，铱= 9 8 刷；，q = 9 3 6 彬，仍= 5 1 1 彤， 纯= 4 3 6 彬，砟= 4 1 彬，铱= 2 1 6 川，矾= 1 8 9 ， q = 2 2 4 彬。 由此可以得出结论：在船舶降速航行过程中，船舶主机单位距离油耗量随 航速的降低而减少，并出现一个最小值。如果主机转速低于最低单位距离油耗 对应的主机转速，此时降低航速，主机单位距离油耗量增大。 在上述分析过程中，船舶最低单位距离油耗航速y 指的是船舶与水的相对 航速，而船舶最低单位距离油耗对应的与地面的相对航速应当是矿1 = y + 。 u 为水流速度，逆水航行时取一，顺水航行时取+ 。船舶航速( 相对水和相对地 面) 与主机单位距离油耗量关系如图2 3 所示。 l o 武汉理f ：人学硕十学位论文 ( q ) ( y 船舶相对地航速， 为水流速度，上水取一，下水取+ ) 图2 - 3 矿一q 曲线 事实上，当船舶主机转速低于低限功率转速时，降低主机转速会引起主机 单位距离油耗量增大。 主机低限功率呢= 朋朋c - r ( 2 - 1 6 ) 式中，册为减功度 脱r 为主机最大连续功率 减速航行时减功度珊，主机工况调整后的肌值与不调整主机工况时的朋值 是不同的。m 的具体数字要视每条船舶的主机性能而定，从实践中确定。如以 符号圪表示主机在低限功率时的航速( 相对水) ，则： 圪即溉 协1 7 ) 式中：为不减功时船舶航速 札。不减功时主机功率【7 1 。 2 1 4 船舶最低单位距离油耗航速适用条件 当某段时期内，运力相对过剩，对船舶快速性要求不高，这时明显降低航 武汉理i ：人学硕士学位论文 速不会因为固定费用的增加而对船舶营运的经济性造成较大影响。对于这种情 况，可以使营运船舶在满足航次时阳j 要求的前提下，按照最低单位距离油耗航 速进行航行，以达到降低航次成本和提高经济效益的目的。 2 2 营运船舶的经济航速 营运船舶经济航速的选择涉及很多经济及技术方面的问题，从不同的角度 考虑，可以得到满足不同要求的相应航速。 2 2 1 最低营运费用航速 6 】【7 】【8 】 船舶最低营运费用航速是指在某一航次内船舶营运费用最低时的航速，船 舶的营运费用为该航次内的燃油费用与其它费用之和。 船舶航行时，每天的航行费用可以用下式表示： c 胂= 厂+ 后矿3 ( 2 1 8 ) 式中：c 拥为每天航行总费用； f - 船舶固定费用。船舶每天分摊的利息、折旧费、保险费、管理费、船员 工资、维护费( 与航速无关) 、润滑油费、发电机用燃油费、全船的加热采暖 空调费等，这些统称为固定费用。固定费用与航速之间并无直接关系。单位为 人民币( 或美元) ； 七一船舶功能系数。它是与船舶性能( 螺旋桨、吃水、船体线型、航行状 态等) 、主发动机和推进装置型式以及燃油品种、价格等因素有关的系数。k 值 的确定一般由实船在一定的水域通过实验测量某些数据，然后计算所得。简单 地，一般根据下列算式确定： 七= 2 4 1 0 巧u a 矿3 ( 2 一1 9 ) 式中：i l 燃料价格( 元吨) ： g 卜主机有效耗油率( 克千瓦小时) ； n 卜主机有效功率( 千瓦) ； v 一船舶静水速度( 公里，j 、时) 船舶在一定的航速范围内航行，其主机的燃油消耗量与船舶的推进功率成正 比，因此，船舶燃料的推进费用可以表示为七矿3 。 1 2 武汉理工人学硕七学位论文 设船舶航行每海里的营运费用为e ，则： g = 菇钿= 揣 ( 2 2 0 ) 式中：u 为水流速度( 公罩，j 、时) 。船舶顺水航行时取“+ ，值，逆水航行时 取“一”值。 如果不计船舶每天的固定费用，即f = o ，则e 表示为航行时主机每公旱燃 料消耗费，即 e ：黑 ( 2 - 2 1 ) 2 丽 u 如果船舶每天固定费用只包括发电机燃料消耗费，而不包括船舶折旧、修 理提成、工资奖金津贴等费用，那么式( 2 2 1 ) 就成为船舶航行时每公里总的 燃料消耗费用计算公式。 通过对式( 2 2 0 ) 求导，并令其等于零，就能得到船舶在航行过程中每公 里费用最低时的航速。 坠：型竺竺! ：型：二【! ：竺! ：竺：o( 2 2 2 ) = = 一= u 、z z z ， d y 2 4 ( y + 【，) 2 化简得：2 后y 3 + 3 【，y 2 一厂= o 方程有一个实根和两个虚根，其实根为： = 非+ 痧h 摆一痧n 2 3 ， 如果船舶按照该航速进行航行，那么其每公里航行费用最低或每公里总燃 料费用最省。该航速就称为最佳航速，用表示。与最佳航速相对应的最佳 航速费用，以e ( 掣) 表示。 若u = o ，( 2 - 2 3 ) 式为k 2 去 2 - 2 4 这就是船舶在静水中的最佳航速，也称它为经济航速。 代入( 2 2 0 ) 式，可求得每公里航行最低费用 武汉理j ：人学硕士学位论文 ，= 去( 等b 2 2 2 最大盈利航速【1 0 】【1 1 】 ， 1 ， 3 二) 二 痧压 = 去彤 协2 5 ， 如果船舶以某航速进行航行，能够在营运期内获得最大的盈利，那么该 航速就称之为船舶最大盈利航速。船舶在营运过程中，航运公司为了使盈利最 大化，不仅要考虑船舶的支出，而且要考虑船舶的收入；不但要使船舶以最低 的成本运营，而且要使船舶能够获得最大的盈利。如果船舶降速航行，必然会 使船舶的航次周期延长，并且会降低船舶的周转量和运输能力，这样船舶的油 耗、营运成本虽然降低了，但是也减少了运费收入。船舶在最大盈利航速下进 行运营，虽然成本不是最低，但是盈利最大。 航运公司通常以每个月或每个航次作为经济核算单位，即以船舶每个月或 每个航次的最大盈利值作为建立盈利航速的目标函数。若以船舶往返一个航次 作为经济核算单位，设航行中平均每天最大的盈利值为r ，则 ，= ( f c ，) d ， ( 2 2 6 ) 式中：f 为航次的纯运费收入( 扣除手续费、装卸费、港口费等，元或美 元) ；e 为航次的营运成本费用( 元或美元) ；域为航次的营运天数。 每航次的营运天数域是该航程中航行天数日与停港天数d 2 之和，即 域= d l + d 2 。每停港一天的费用c 2 等于前述的。 已知海上航行1 天的平均费用，则每航次的营运成本费用 c = d 2 c 2 + q q = q 厂+ d l 七哆 ( 2 2 7 ) 若取航速为平均航速，则海上航行天数u 为总航程s ( nm i l e ) 除以2 4 v 矿 ( k 1 1 ) 所得之商。每营运天的最大盈利值r 和相应的盈利航速7r 均取决于每 海里纯运费的平均收入州s 以及航程s 与停港天数d 2 之比。 如停港天数= o 时，由式( 2 2 7 ) 可推导出最大盈利航速的极大值 1 4 武汉理一i ：人学硕十学何论文 圪觚 矿。= ( 8f 七s ) 2 8 ) 2 9 ) ( 2 这极大值所对应的最大盈利的极大值a x 可用式( 2 2 8 ) 和砬：0 求得： 。= 2 七矿：。一厂 ( 2 由上可知：由于每个航次的停港天数b 一般不为0 ，所以当停港天数d 2 增加时，盈利航速矿，就会降低。这说明停港损失的时间不能通过提高航速来 弥补，否则只会加剧盈利的下降。 式( 2 - 2 8 ) 和式( 2 - 2 9 ) 说明最大盈利与固定费用厂关系很大，但最大 盈利速度与厂无关，这与最低营运费用航速不同。 武汉理一1 ：人学硕士学位论文 3 1 系统总体设计 第3 章系统与硬件 本文按照南京油运公司提出的“最小单位距离油耗”的方案设计系统。控制 系统功能如下： 控制系统自动采集船舶主机油耗、船舶航速、船舶位置和主机转速等参数 信号，根据船舶所在位置和目的港之间的航行距离以及航行目标时间等条件， 经过寻优模型的计算分析，得出最小单位距离燃油消耗对应的主机转速，并控 制主机稳定运行于该转速。 控制系统还有信息记录功能。船舶在航行过程中，寻优结束以后，控制系 统将主机油耗、转速以及船舶航速等信息保存在存储卡当中。控制系统对这些 数据进行理论计算，可以得到船舶在该航次内的最低单位距离油耗的主机转 速，并随着实测数据的累积，对该转速进行修正。在下次航行该航线时，控制 系统直接找到最佳航速( 转速) 点，最低油耗航速的寻找只需在此点附近进 行；控制系统对主机最低油耗转速进行校正时，以该转速作为参考，确定转速 变化方向。 当控制系统工作时，船舶的主要工作参数( 船舶主机瞬时油耗、船舶航速和 船舶位置等) 可以通过控制系统的人机接口来显示。如果在航行过程中需要手 动控制，只须操作车钟手柄，就可以恢复恢复主机遥控系统及车钟手柄控制。 基于有气动主机遥控系统的双主机船舶对控制系统进行总体设计。控制系 统总体结构如图3 1 所示，控制系统主要是由主控制单元、人机接口单元和控 制切换单元三个部分组成。 1 6 武汉理f ：人学硕十学位论文 调一 速： 一 一一- 嚣 左主机 油敞g 黔一转速油耗位置转速 油耗位置 左主机左主机左车钟右主机右主机右车钟 i ； ：； ：j 一一一一j 一_ t _ 一1 霎：， 富；蓁薰奏蠢 营：，二 | | ：， 一击；莞薰鍪蠢 点i ，二荤 石器嚣一 j 删溯l 一一嚣器兀 气灏控嗣一一1 l 一一控制气潭j 兰莓j = ：熊蠹i ：摹兰： 一l 一一1 ；弧一一。 丘线 左主机 遥控系统 图3 1 系统结构原理图 3 2 核心c p u 的选型 3 2 1 核心c p u 选型原则 r 上一伺服机柯一 2 ，一调j ：j ，速 枞i 广 遥控系统 右主机。 船舶单位距离最低油耗转速控制系统的开发是以对单片机的开发而开展起 来的，因此对于单片机机型号的选择也是很重要的。在单片机选型的时候，主 要要考虑到以下几个方面问题：( 1 ) 控制对象和目标；( 2 ) 工作条件；( 3 ) 控 制精度；( 4 ) 环境温度；( 5 ) 价格；( 6 ) 兼容性和可靠性。由于船舶单位距离 最低油耗控制系统是一个结构复杂、管理任务繁重的实时控制系统，这就要求 单片机不但要具有强大的功能，而且还要求单片机具有较高的可靠性、较强的 抗干扰能力和较高的控制精度。同时还应考虑芯片的兼容性和市场来源，只有 兼容性好、市场来源充足的芯片才有利于今后的控制系统进一步的开发和推广 应用。在选择单片机时不能片面追求运算速度、系统资源等指标，应根据实际 情况，选择最适合的。 蠹一 武汉理l ：人学硕七学何论文 3 2 2t m s 4 7 0 r l a 2 5 6 处理器简介【2 8 】 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司在低功耗、低成本的嵌入式应用领 域具备市场领导地位，a r m 公司自成立以来已经占有了大部分的3 2 位嵌入式 产品市场，并在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t n j c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u 开发领 域不断取得突破。目前，包括h i t e l 、i b m 、l g 、n e c 、s o n y 、p h i l i p s 以及 国内的中兴通讯和华为等许多大公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议。 此外，a i u 芯片还获得了w i n d o w sc e ，l i n u x ，p s o s ，v x w 6 r k s ，n u c l e u s ， e p o c ，u c 0 s ，b e 0 s 等实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 供应商的 支持。 t i 公司推出的基于3 2 位a r m 7 t d m i 微处理器t m s 4 7 0 ，可以提供最高达 l m 的内嵌闪存，工作频率最高可达6 0 m h z ，可以应用在包括工业、医疗仪 器、汽车电子等方面。综合考虑船舶最低油耗转速控制系统对控制器的要求， 选用t i 公司的t m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 作为中央处理器。t i 公司推出的 t m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 是一款具有删7 t d m i 内核的3 2 位精简指令集的高性能嵌入 式微处理器，为工业和汽车电子提供了高性价比和高性能的微处理器解决方 案。其主要特点有： 采用高性能静态c m o s 技术 t m s 4 7 0 r l x 采用1 6 3 2 位精简指令集内核( a r m 7 t d m i ) 2 4 m h z 系统频率( 最高可达4 8 m h z ) 1 2 k bs r a m ，2 5 6 k bf l a s h 工作特性：低功耗模式( 等待模式和停止模式) 温度范围适用于汽车级( 4 0 1 2 5 ) 标准的j t a g 测试接口 i o 电压为3 3 v ，内核采用1 8 v 供电 六个通信接口 二个串行外围接口( s p is ) ，2 5 5 个可编程波特率 二个串行通信接口( s c is ) ，完全兼容c a n 2 0 协议 二类串行接口( c 2 s i b ) ，二个可选数据传输速率，标准模式1 0 4 k b p s 和4 x 模式4 1 6 k b p s 。 其内部结构如图3 2 所示。 3 3 系统硬件设计 3 3 1 主控制单元 武汉理j ：人学硕士学位论文 图3 21 m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 内部结构图 主控制单元选用德州仪器的t m s 4 7 0 r 1 a 2 5 6 为核心控制芯片，外围接口包 括信号采集模块、数据通讯模块和控制信号输出模块。 1 9 f一”i一 t一，古drt日 t 薯矗i t a ，r王ii-ua=坞 ，zu口i r一，6卧j：c-；址h峰 t t ，矗2 k t，*墙急一鼻 伊譬口o s n f 置一 ，净“峙t啦a i色一i奇掌2- 武汉理i 大学硕十学位论文 3 3 1 1 信号采集模块 ( 1 ) 信号采集模块功能 信号采集模块的功能是采集传感器信号，可以采集的信号包括： 1 左、右主机转速传感器信号； 2 左、右车钟位置传感器信号； 3 左、右主机燃油消耗量传感器信号。 该模块通过通过通用i o 接口，接收转速传感器和油耗传感器发送的脉冲 信号；通过，d 接口接收车钟位置传感器信号。 在正常航行过程中，可以利用测量单机油耗进行寻优控制，因此系统可以 只安装单机燃油消耗量传感器； 本设计中，设计两个油耗传感器接口，安装左、右主机燃油消耗量传感 器，可以实现以下功能： 可以利用监测短时突发性误差以判断和诊断传感器故障； 可以利用长时间监测记录的数据，根据数据的偏离和趋势，分析左、右主 机的燃油消耗量的变化，以及两主机油耗量变化的差异，进而分析主机关于燃 油消耗量相关的技术状况。 ( 2 ) 船舶主机油耗信号的采集 燃油消耗量的测量方法有容积法、质量法和流量计法。船用柴油机多使用 容积法和流量计法。在本系统当中主机油耗的测量采用的是双流量计测量法。 本系统船舶主机油耗的测量选用的是l w c g 型涡轮流量传感器。l w c g 型 涡轮流量传感器的工作原理是利用在被测流体中自动旋转的叶轮转速与被测流 体的流速成正比的原理，把流体流速( 流量) 的测量转换成叶轮转速的测量。 由于涡轮的转速力与燃油的平均流速( 流量) 成正比，而磁电转换器产生的电 脉冲信号频率厂又与涡轮转速刀成正比，所以输出的电脉冲频率厂与流量成正 比。在测量范围内，涡轮流量传感器的流量脉冲频率厂与体积流量口成正比， 这个比值即为传感器的仪表系数斤，其计算公式为： ：( 3 1 ) p 武汉理工人学硕士学伉论文 图3 3 双流量计测试法 如图3 3 所示，在柴油机的进、回油管道中各安装一只l w g y 型涡轮流量 传感器，用来测量工况下管道燃油体积流量。为了提高测量精度，涡轮流量计 上游直管长度厶应不小于1 5 刃( 刃为管路直径) ；下游直管长度厶应不小于 5 刃。 燃油经流量传感器进入柴油机，流量传感器测量燃油流量，以脉冲( 频率 在改变) 形式输出信号至主控单元。主控单元对两路脉冲信号进行差值计算后 和仪表系数进行相应的计算即得到体积流量p 。设p 为实际耗油量，酿为进油 管道燃油流量，酿为回油管道燃油流量，则实际耗油量： p = q 一皱 ( 3 - 2 ) 3 3 1 2 数据通讯模块 ( 1 ) 数据通讯模块功能 模块的功能是与智能( 或数据) 单元( 或设备) 通讯，包括： 1 人机接口单元； 2 智能油耗积算仪； 3 g p s 模块。 4 数据存储卡。 该模块通过s c i 接口接收g p s 发送的船舶航速、船舶位置等数据信息以及 2 l 武汉理 人学硕七学位论文 智能油耗积算仪发送的瞬时油耗；通过c a n 总线与人机接口单元进行数据通 讯；通过s p i 接口与数据存储卡进行通讯，向存储卡发送航线、主机在该航线 内最低油耗转速等信息。 人机接口单元主要用于输入船舶航行始发港、目的港、航行目标时间等信 息以及操作人员的控制指令。 系统同时设置了智能油耗积算仪通信接口，和燃油消耗量传感器等有关传 感器接口。系统可以通过智能油耗积算仪获取所需数据，也可以直接通过传感 器采集相关信号。两种方式的区别在于： 通过智能油耗积算仪获取数据：系统与智能油耗积算仪进行通信，读取数 据； 通过传感器采集相关信号：系统