摘 要

当今世界，能源短缺与环境污染的问题日益严重，对全球诸多行业提出了更加严格的要求，航运业也面临着新的挑战。寻找新型清洁能源，以替代总量日益枯竭的石油资源，对于提高船舶营运经济效益和降低污染物排放，是一个迫在眉睫的问题。

天然气作为一种清洁能源进入人们的视野，而且已探明其在全球范围内的储量十分丰富。船舶上通过双燃料发动机来应用天然气，因此LNG/柴油双燃料发动机的开发设计完善对于当今全球航运业有着极为重要的意义。

硬件在环仿真技术对于电控系统开发调试具有重要意义。由于双燃料发动机电控系统台架试验非常复杂，且试验成本较高，应用硬件在环仿真技术就可以简化台架试验过程，降低试验成本，并极大缩短开发周期，同时可以保证仿真的准确性和有效性。

本文主要针对仿真系统输入输出信号的采集和转换，以及信息处理和传输进行设计。仿真系统需要实现数据处理和功能控制，因此必须确定发动机运行的关键参数，并选定各参数采集所需的传感器。

本文设计了西门子S7-200PLC硬件系统，按照要求采集发动机运行过程中关键的信号参数，并绘制硬件系统的电控原理图。基于STEP7软件编写程序进行数据处理，并建立Modbus通讯网络，实现控制系统内部PLC和ECU的信息传递，以完成实时控制的功能。

关键词：双燃料发动机，硬件在环仿真，西门子S7-200PLC，Modbus通讯

Abstract

In today's world, the problem of energy shortages and environmental pollution is becoming more and more serious. It has made more stringent demands on various industries in the world, the shipping industry faces new challenge. It is an imminent problem to find new clean energy to replace the ever-depleting oil resources, to improve the economic efficiency of the ship and reduce pollutant emissions.

Natural gas come into people's vision as a clean energy, and has proven that it has abundant storage resource in the earth. Because ships use natural gas through dual-fuel engine, therefore, the development and design of natural gas / diesel dual-fuel engine is of great significance to the global shipping industry.

Hardware-in-the-loop simulation technology is of great significance to the development and debugging of the electronic control system. As the double-fuel engine electronic control system bench test is very complex, and the test cost is high, the application of hardware-in-the-loop simulation technology can simplify the bench test process, reduce test costs, and greatly shorten the development cycle, in the meanwhile,it also can ensure the accuracy and effectiveness of simulation.

This paper mainly design the acquisition and conversion of input and output signal, as well as the information processing and transmission of simulation system. The simulation system needs to achieve data processing and function control, so it must determine the key parameters of the engine operation, and select the sensors for the collection of parameters.

This paper designs the Siemens S7-200PLC hardware system, acquires the key signal parameters according to the requirements of the engine during the operation, and draw the the electronic control schematic diagram of hardware system. Based on STEP7 software to write the program for data processing, and establish Modbus communication network to achieve the information transmission between the PLC and ECU , to complete the real-time control function.

Key words: Dual-fuel engine, Hardware-in-the-loop, Siemens S7-200PLC, Modbus

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 LNG/柴油双燃料发动机技术性能指标与要求 3

1.4 本文主要工作 4

第2章 电控系统I/O设计 6

2.1 信号参数的确定 6

2.2 传感器的选型 7

2.2.1 转速的测量 7

2.2.2 油门齿条位置的测量 9

2.2.3 冷却水温度的测量 9

2.2.4 排气温度的测量 11

2.2.5 进气管压力及天然气压力的测量 13

2.3 执行器的选择 13

2.4 电源设计 14

2.5 电控系统通道的初步设计 14

2.6 本章小结 15

第3章 电控系统具体设计 16

3.1 硬件设计 16

3.1.1 CPU的选型 16

3.1.2 模拟量输入模块的选型 17

3.1.3 PLC系统的设计 19

3.2 通讯设计 20

3.3 电控箱原理图的设计 21

3.4 逻辑控制流程图 21

3.4.1 正常运行指示灯信号 22

3.4.2 运行模式指示灯 23

3.4.3 超速报警指示灯 23

3.5 PLC程序的编写 24

3.5.1 转速的测量 27

3.5.2 压力的测量 27

3.6 本章小结 27

第4章 结论与展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 未来展望 28

参考文献 29

附 录B 36

附B1 底板电路原理图 36

附B2 传感器接线图 37

附B3 电控箱门布置图 38

第1章 绪论

1.1研究背景

21世纪以来，人类社会在经济迅速发展的同时，赖以生存的石油资源日渐匮乏。我国高速发展的经济使得对外进口原油的依存度居高不下，能源安全问题日趋急迫。同时，由于石油燃烧产生的SO₂和NO_x以及未能完全燃烧产生的CO等气体，对人类赖以生存的环境危害严重，因此对于船舶排放进行限制的排放法规日益严格。MARPOL公约附则Ⅵ2011年修正案在2013年1月1日正式生效，对包括我国在内的世界航运业产生重大影响，对能量消耗和污染物排放等问题提出了更高的要求。目前虽然有一些技术可以减少部分尾气排放，例如EGR或是SCR等，但都只是在后期应用相关的技术对污染物进行处理，而不能从根本上改善发动机的排放性能^[1]。