CN217270500U - 船用多缸柴油机双冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

一种发动机技术领域的船用多缸柴油机双冗余控制系统，包括主控制器、冗余控制器、冗余切换装置、ECU切换开关，主控制器、冗余控制器的控制电路板均包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、频率信号处理模块、ECU识别电路、低压电源模块、Boost电源模块、存储模块、CAN通讯模块、模拟信号输出模块、H桥驱动电路、低边驱动电路、高边驱动电路、喷油电磁阀驱动电路、中央处理器；切换装置电路板包括ECU切换控制电路、ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路。本实用新型将ECU系统识别和喷油驱动切换集成于冗余切换装置，这使得主控制器和冗余控制器可作为独立的系统工作，互不影响，可保证系统故障时刻不间断运行，可满足船用多缸柴油机系统实时工作要求。

Description

船用多缸柴油机双冗余控制系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种发动机技术领域的控制系统，特别是一种带有双ECU和冗余切换装置的船用多缸柴油机双冗余控制系统。

背景技术

随着自动化技术的发展，对柴油机安全性和可靠性的需求变的越来越高。冗余技术就是通过增加同等功能的冗余部件，使得当系统出现故障时，其冗余部件可以接替工作，减少系统停机时间，保证系统正常工作。现有的柴油机仪表监测控制系统体积大，集成度低，安装繁琐，最重要无法对柴油进行故障诊断，也无法对柴油机的状态进行有效的监测与管理。导致柴油发动机可靠性低，故障率高，加大了柴油机的调试和故障诊断与排除。

目前市场上柴油机控制器大都不具备冗余控制功能，或切换系统切换后影响喷油驱动性能，亦或是无法满足驱动故障发生时刻正常切换。比如大多场合柴油机发动机只配一套ECU，当发生故障时只能停机检查，等待配套服务站更换或维修，其效率低，成本高，耽误系统工作，且花费成本高昂。

因此，有必要开发一套时效性高、响应快且满足实时监测故障便于切换的柴油机双ECU冗余控制系统。

发明内容

本实用新型提出一种船用多缸柴油机双冗余控制系统，创新地使用主控制器、冗余控制器和冗余切换装置组合的方案，形成船用多缸柴油机双冗余控制单元，可在发生故障或者性能偏差时实时切换电路，保证发动机的不间断运行。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的，本实用新型包括主控制器、冗余控制器、冗余切换装置、ECU切换开关，主控制器、冗余控制器均包括控制器上盖板、控制器下盖板、控制器控制电路板，控制器控制电路板布置在控制器上盖板、控制器下盖板所构成的空腔内；冗余切换装置包括切换装置上盖板、切换装置下盖板、切换装置控制电路板，切换装置控制电路板布置在切换装置上盖板、切换装置下盖板所构成的空腔内；主控制器、冗余控制器的控制器控制电路板均包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、频率信号处理模块、ECU识别电路、低压电源模块、Boost电源模块、存储模块、CAN通讯模块、模拟信号输出模块、H桥驱动电路、低边驱动电路、高边驱动电路、喷油电磁阀驱动电路、中央处理器；切换装置控制电路板包括ECU切换控制电路、ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路；冗余切换装置把接入的水温信号、电子油门信号、燃油温度信号同时输入给主控制器、冗余控制器；主控制器的输入信号还包括第一凸轮轴信号、第一曲轴转速信号、第一增压压力信号、第一机油压力信号和第一机油温度信号，以及冗余切换装置中ECU切换控制电路、ECU状态识别电路输出的主控制器ECU控制信号；冗余控制器的输入信号还包括第二凸轮轴信号、第二曲轴转速信号、第二增压压力信号、第二机油压力信号，以及冗余切换装置中ECU切换控制电路、ECU状态识别电路输出的冗余控制器ECU控制信号；冗余切换装置中喷油驱动切换电路的输入信号为主控制器输出的第一喷油驱动信号和冗余控制器输出的第二喷油驱动信号，喷油驱动切换电路的输出连接到喷油器上，驱动喷油器工作；

控制器、冗余控制器之间通过CAN0通讯信号相通讯；ECU切换开关通过线束与冗余切换装置中的ECU切换控制电路相连接。

进一步地，在本实用新型中，模拟信号处理模块、数字信号处理模块、频率信号处理模块的输出信号为中央处理器的输入信号，模拟信号输出模块、H桥驱动电路、低边驱动电路、高边驱动电路为中央处理器的部分输出信号，喷油电磁阀驱动电路的输入信号为中央处理器的部分输出信号以及Boost电源模块的输出信号，存储模块、CAN通讯模块与中央处理器之间相互通讯。

更进一步地，在本实用新型中，模拟信号处理模块的输入信号包括但不限于电子油门、进气歧管压力、冷却水温信号，数字信号处理模块的输入信号包括但不限于点火开关、诊断请求开关、怠速开关信号，频率信号处理模块的输入信号包括但不限于曲轴转速、凸轮轴转速信号；H桥驱动电路的输出信号为电机执行器信号，低端输出模块的输出信号包括但不限于故障指示灯，喷油电磁阀驱动电路的输出信号为喷油器驱动信号；与CAN通讯模块相互通讯的信号包括但不限于发动机传感器信号、监测信号、标定故障诊断信号。

更进一步地，在本实用新型中，喷油电磁阀驱动电路可实现改变喷油器电流和驱动阶段，可实现对不同驱动特性和电流要求的喷油器的匹配。

更进一步地，在本实用新型中，频率信号处理模块可同时兼容正弦波和方波信号；数字输入信号模块具有多路数字输入通道，除上电开关为高有效识别，其余数字输入均兼容高有效与低有效电压；H桥驱动电路具有多路驱动，单路驱动可支持4A的驱动电流。

更进一步地，在本实用新型中，主控制器的CAN通讯模块与冗余控制器的CAN通讯模块通过CAN通讯线束连接至监测仪表。

更进一步地，在本实用新型中，冗余切换装置的ECU切换电路输出控制信号给ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路，于切换控制器工作，实现第一喷油驱动信号和第二喷油驱动信号的更换。

更进一步地，在本实用新型中，ECU状态识别电路和ECU切换控制电路均具有一定的安全识别阈值与保护电路。

更进一步地，在本实用新型中，冗余切换装置通过主控制器和冗余控制器的CAN总线通讯，以及ECU状态识别电路实时监控主控制器和冗余控制器状态，并设有一定的误差阈值决定是否由冗余控制器接替主控制器。

在本实用新型中，频率信号处理模块能够处理正弦波信号、方波信号，其中正弦波信号通过比较器电路转化为方波信号进入到中央处理器采集。数字输入信号模块的比较器输入端具有动态可调节的参考电压。频率信号处理模块可同时兼容正弦波和方波信号，通过软件匹配实现，而不用修改硬件参数。喷油电磁阀驱动电路可驱动多种不同参数的电磁阀，可输出多达三种驱动电流波形，驱动电流大小均可实现软件调节。数字输入信号模块具有多路数字输入通道，除上电开关为高有效识别，其余数字输入均兼容高有效与低有效电压；其中高电压阈值为3.5V，低电压阈值为1.5V，数字信号通过接插件进入到控制器后，依次通过EMI电容，电源上下拉，在通过RC滤波限流后进入到单片机进行识别处理。H桥驱动电路是具有多路驱动，单路驱动可支持多达4A的驱动电流；H桥驱动电路均具有过流保护、过压保护、短路保护等破坏性故障保护功能以及开路诊断等非破坏性驱动的诊断功能。

在本实用新型中，基于曲轴或凸轮轴相位或传感器输出的正弦信号在不同转速时，其输出电压也不相同的特性，动态调节信号参考电压的大小，实现对曲轴或凸轮轴信号相位的良好信号调理。

在本实用新型中，主控制器的模拟信号处理电路、数字信号处理电路、频率信号处理电路处理主控制器输入信号和ECU切换开关信号；所述冗余控制器的模拟信号处理电路、数字信号处理电路、频率信号处理电路处冗余控制器输入信号和ECU切换开关信号。主控制器的喷油电磁阀驱动电路用于输出第一喷油驱动信号，冗余控制器的喷油电磁阀驱动电路用于输出第二喷油驱动信号，对喷油器负载进行驱动。

在本实用新型中，主控制器的CAN通讯模块与冗余控制器的CAN通讯模块通过CAN通讯线束连接至监测仪表，使用CAN0通讯用于两控制器间的通讯，通过冗余切换装置监测主主控制器状态，检测到主控制器发生故障时，冗余控制器自动接管主控制器的工作，产生系统输出。冗余切换装置的ECU切换电路输出控制信号给ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路，用于切换控制器工作，实现第一喷油驱动信号和第二喷油驱动信号的更换，并通过ECU状态识别电路输出两个控制器的工作状态，通过CAN通讯将工作的ECU是主还是冗余控制器发送给采集软件和仪表显示。

在本实用新型中，主控制器和冗余控制器都具有系统输入，当主控制器正常运行时，冗余控制器处于“热备份”的冗余状态，仅由主控制器产生系统输出，而冗余控制器不产生系统输出，通过冗余切换装置监测主主控制器状态，检测到主控制器发生故障时，冗余控制器自动接管主控制器的工作，产生系统输出。

在本实用新型中，水温信号、电子油门信号、燃油温度信号在冗余切换装置上分成两组信号，每组信号都包含水温信号、电子油门信号、燃油温度信号，这两组信号分别输入给主控制器、冗余控制器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果为：第一，具有高集成性，将传感器、H桥驱动、喷嘴驱动、通讯模块等集成于一体，节约空间，可靠性更高；第二，电磁阀驱动电路驱动电流和驱动阶段的可调节，大大增加了控制器的拓展性，可广泛应用于不同电流和驱动要求的喷油器；第三，曲轴传感器或者凸轮轴传感器的正弦信号参考电压可调节，可根据传感器输出信号特性实现良好的调理；第四，本实用新型具备双路输入信号冗余，保证输入信号稳定正常；第五，本实用新型采用“热备份”冗余技术，就是两个控制器同时工作，即主控制器和冗余控制器，主控制器按照系统要求正常工作，冗余控制器处于热备份状态，且冗余切换装置实时监控控制器工作状态，一旦检测到主控制器出现故障，ECU状态识别发生改变，控制ECU切换，冗余控制器便可自动接管主控制器工作,实现喷油驱动切换，系统不需停机即可满足切换。该冗余技术中，冗余控制器模块和主控制器模块都拥有系统输入，只有当主控制器模块出现故障时，冗余控制器才接替主控制器模块并产生系统输出。“热备份”省去了系统停机时间，系统故障时可无间断运行，可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型控制单元的结构图；

图2为本实用新型频率信号处理示意图；

图3为本实用新型ECU切换状态识别与喷油器驱动切换电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

具体实施例图1所示，本实用新型包括主控制器、冗余控制器、冗余切换装置、ECU切换开关，主控制器、冗余控制器均包括控制器上盖板、控制器下盖板、控制器控制电路板，控制器控制电路板布置在控制器上盖板、控制器下盖板所构成的空腔内；冗余切换装置包括切换装置上盖板、切换装置下盖板、切换装置控制电路板，切换装置控制电路板布置在切换装置上盖板、切换装置下盖板所构成的空腔内；主控制器、冗余控制器的控制器控制电路板均包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、频率信号处理模块、ECU识别电路、低压电源模块、Boost电源模块、存储模块、CAN通讯模块、模拟信号输出模块、H桥驱动电路、低边驱动电路、高边驱动电路、喷油电磁阀驱动电路、中央处理器；切换装置控制电路板包括ECU切换控制电路、ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路；冗余切换装置把接入的水温信号、电子油门信号、燃油温度信号同时输入给主控制器、冗余控制器；主控制器的输入信号还包括第一凸轮轴信号、第一曲轴转速信号、第一增压压力信号、第一机油压力信号和第一机油温度信号，以及冗余切换装置中ECU切换控制电路、ECU状态识别电路输出的主控制器ECU控制信号；冗余控制器的输入信号还包括第二凸轮轴信号、第二曲轴转速信号、第二增压压力信号、第二机油压力信号，以及冗余切换装置中ECU切换控制电路、ECU状态识别电路输出的冗余控制器ECU控制信号；冗余切换装置中喷油驱动切换电路的输入信号为主控制器输出的第一喷油驱动信号和冗余控制器输出的第二喷油驱动信号，喷油驱动切换电路的输出连接到喷油器上，驱动喷油器工作；主控制器、冗余控制器之间通过CAN0通讯信号相通讯；ECU切换开关通过线束与冗余切换装置中的ECU切换控制电路相连接。

主、冗余控制器工作的关键在于对输入信号的准确处理，以图二对频率信号的处理为例，第一步，对频率信号进行预处理，添加5V上拉信号并由二极管进行钳位；第二步，通过迟滞比较器对频率信号输入和参考电压的比较，可以将正弦波信号转化为特定占空比的方波信号，并通过限流电阻和滤波电容让MCU能够识别并采集特定频率，并因为迟滞比较器的可靠性和限流电阻等保证了MCU对信号的准确处理。

本实用新型采用“热备份”冗余技术，就是两个控制器同时工作，即主控制器和冗余控制器，主控制器按照系统要求正常工作，冗余控制器处于热备份状态，且冗余切换装置实时监控控制器工作状态，一旦检测到主控制器出现故障，ECU状态识别发生改变，控制ECU切换，冗余控制器便可自动接管主控制器工作,实现喷油驱动切换，系统不需停机即可满足切换。该冗余技术中，冗余控制器模块和主控制器模块都拥有系统输入，只有当主控制器模块出现故障时，冗余控制器才接替主控制器模块并产生系统输出。

系统的稳定运行与控制器的工作状态是描述柴油机冗余系统是否正常工作的重要依据，如图三所示，第一步，当控制信号使能后默认状态主控制工作，RL7继电器输出主控制器切换控制信号为高电平，冗余控制器切换控制信号为低电平；第二步，喷油驱动切换电路RL8与RL9继电器识别主控制器切换控制信号的高电平后，喷油器高边输出驱动信号输出主控制器喷油器高边输出，喷油器低边输出驱动信号输出主控制器喷油器低边输出；第三步，切换为冗余控制器后，RL7继电器输出主控制器切换控制信号为低电平，冗余控制器切换控制信号为高电平，喷油驱动切换电路RL8与RL9继电器识别主控制器切换控制信号的低电平后，喷油器高边输出驱动信号输出冗余控制器喷油器高边输出，喷油器低边输出驱动信号输出冗余控制器喷油器低边输出，进行切换喷油驱动工作；第四步，ECU状态识别电路在整个过程中，采集主控制器切换控制信号和冗余控制器切换控制信号，并经分压、钳位处理后输出主冗控制器的工作状态。

当双冗余控制单元供电后，冗余切换装置的ECU切换电路默认输出主控制器控制信号，虽主控制器和冗余控制器都对输入信号进行处理，但通过ECU切换电路，主控制器输出喷油驱动等控制信号，冗余控制器保持静默状态不输出；当发生故障或使用切换开关后，ECU切换电路输出冗余控制器控制信号，并通过识别冗余控制器控制信号，输出喷油驱动。

当需要手动切换或者进行系统功能检测时，冗余切换装置接收位于主机切换端的ECU切换开关信号，根据手动开关的信号进行主控制器和冗余控制器工作系统的切换，同时ECU状态监测电路始终工作将ECU工作状态通过CAN通信传输到仪表，实时反馈系统的工作状态。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (9)

1.一种船用多缸柴油机双冗余控制系统，包括主控制器、冗余控制器、冗余切换装置、ECU切换开关，其特征在于，

所述主控制器、冗余控制器均包括控制器上盖板、控制器下盖板、控制器控制电路板，控制器控制电路板布置在控制器上盖板、控制器下盖板所构成的空腔内；

所述冗余切换装置包括切换装置上盖板、切换装置下盖板、切换装置控制电路板，切换装置控制电路板布置在切换装置上盖板、切换装置下盖板所构成的空腔内；

所述主控制器、冗余控制器的控制器控制电路板均包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、频率信号处理模块、ECU识别电路、低压电源模块、Boost电源模块、存储模块、CAN通讯模块、模拟信号输出模块、H桥驱动电路、低边驱动电路、高边驱动电路、喷油电磁阀驱动电路、中央处理器；

所述切换装置控制电路板包括ECU切换控制电路、ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路；

所述冗余切换装置把接入的水温信号、电子油门信号、燃油温度信号同时输入给主控制器、冗余控制器；

所述主控制器的输入信号还包括第一凸轮轴信号、第一曲轴转速信号、第一增压压力信号、第一机油压力信号和第一机油温度信号，以及冗余切换装置中ECU切换控制电路、ECU状态识别电路输出的主控制器ECU控制信号；

所述冗余控制器的输入信号还包括第二凸轮轴信号、第二曲轴转速信号、第二增压压力信号、第二机油压力信号，以及冗余切换装置中ECU切换控制电路、ECU状态识别电路输出的冗余控制器ECU控制信号；

所述冗余切换装置中喷油驱动切换电路的输入信号为主控制器输出的第一喷油驱动信号和冗余控制器输出的第二喷油驱动信号，喷油驱动切换电路的输出连接到喷油器上，驱动喷油器工作；

所述主控制器、冗余控制器之间通过CAN0通讯信号相通讯；

所述ECU切换开关通过线束与冗余切换装置中的ECU切换控制电路相连接。

2.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述模拟信号处理模块、数字信号处理模块、频率信号处理模块的输出信号为中央处理器的输入信号，模拟信号输出模块、H桥驱动电路、低边驱动电路、高边驱动电路为中央处理器的部分输出信号，喷油电磁阀驱动电路的输入信号为中央处理器的部分输出信号以及Boost电源模块的输出信号，存储模块、CAN通讯模块与中央处理器之间相互通讯。

3.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述模拟信号处理模块的输入信号包括但不限于电子油门、进气歧管压力、冷却水温信号，数字信号处理模块的输入信号包括但不限于点火开关、诊断请求开关、怠速开关信号，频率信号处理模块的输入信号包括但不限于曲轴转速、凸轮轴转速信号；H桥驱动电路的输出信号为电机执行器信号，低端输出模块的输出信号包括但不限于故障指示灯，喷油电磁阀驱动电路的输出信号为喷油器驱动信号；与CAN通讯模块相互通讯的信号包括但不限于发动机传感器信号、监测信号、标定故障诊断信号。

4.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述喷油电磁阀驱动电路可实现改变喷油器电流和驱动阶段，可实现对不同驱动特性和电流要求的喷油器的匹配。

5.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述频率信号处理模块可同时兼容正弦波和方波信号；数字输入信号模块具有多路数字输入通道，除上电开关为高有效识别，其余数字输入均兼容高有效与低有效电压；H桥驱动电路具有多路驱动，单路驱动可支持4A的驱动电流。

6.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述主控制器的CAN通讯模块与冗余控制器的CAN通讯模块通过CAN通讯线束连接至监测仪表。

7.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述冗余切换装置的ECU切换电路输出控制信号给ECU状态识别电路和喷油驱动切换电路，用于切换控制器工作，实现第一喷油驱动信号和第二喷油驱动信号的更换。

8.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述ECU状态识别电路和ECU切换控制电路均具有一定的安全识别阈值与保护电路。

9.根据权利要求1所述的船用多缸柴油机双冗余控制系统，其特征在于所述冗余切换装置通过主控制器和冗余控制器的CAN总线通讯，以及ECU状态识别电路实时监控主控制器和冗余控制器状态，并设有一定的误差阈值决定是否由冗余控制器接替主控制器。

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