1、第07卷 第09期 中 國(guó) 水 運(yùn) Vol.7 No.09 2007年 09月 China Water Transport September 2007收稿日期:2007-5-6作者簡(jiǎn)介:卞根發(fā) (1951 廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 副教授 (361012 研究方向:船舶電氣設(shè)備與輪機(jī)自動(dòng)化控制船用柴油機(jī)電腦智能監(jiān)控系統(tǒng)卞根發(fā)摘 要:針對(duì)船舶柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器性能指標(biāo)測(cè)試必要性和傳統(tǒng)測(cè)試儀的局限性,引入實(shí)用而高效分布式智能監(jiān)控系統(tǒng),發(fā)揮集中管理、分散控制優(yōu)勢(shì)。智能型船舶柴油機(jī)電腦監(jiān)控系統(tǒng),可以對(duì)柴油機(jī)的性能測(cè)試中的轉(zhuǎn)速、油耗、油壓、水溫、油溫、扭矩、排溫等多種物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集顯示。一次可同時(shí)測(cè)試

2、多個(gè)工況。為船舶輪機(jī)管理人員提供了檢測(cè)精度高、速度快且勞動(dòng)強(qiáng)度低的智能化設(shè)備。 關(guān)鍵詞:船舶柴油機(jī) 電腦智能檢測(cè) 監(jiān)控系統(tǒng)中圖分類號(hào):TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-7973(200709-0028-02隨著微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛快發(fā)展,新型的船用柴油機(jī)電子控制技術(shù)也日益完善?，F(xiàn)有的船用柴油機(jī)大多采用全氣動(dòng)型式,難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化檢測(cè)功能。針對(duì)船舶運(yùn)行海況區(qū)域惡劣,工況多而復(fù)雜等特點(diǎn),同時(shí)又要求系統(tǒng)響應(yīng)快,安全可靠,故引入電腦智能檢測(cè)系統(tǒng),使之船用柴油機(jī)具有控制檢測(cè)功能強(qiáng),調(diào)節(jié)精度高,反應(yīng)靈敏度高的特點(diǎn),大大提高了船用柴油機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)裝置只能進(jìn)行有限

3、幾個(gè)性能指標(biāo)檢測(cè),存在精度不高和工作效率低下等缺點(diǎn),利用單片機(jī)技術(shù)在智能儀器儀表的廣泛應(yīng)用,為滿足實(shí)際需要,開(kāi)發(fā)新一代高性能、實(shí)用的光電傳感器測(cè)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。分布式監(jiān)控系統(tǒng)具有分級(jí)管理、分散控制和高可靠性的優(yōu)點(diǎn),引入高效實(shí)用的DCS,簡(jiǎn)化傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),既便于維護(hù),又為船舶輪機(jī)信息化發(fā)展和應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)。一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該船用柴油機(jī)電腦檢測(cè)系統(tǒng)采用微機(jī)、通訊、控制、顯示等為特征的分散型控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由前后兩部分組成:智能型監(jiān)控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為前控機(jī),以單片機(jī)為核心的測(cè)控儀作為后位機(jī)。為確保系統(tǒng)工作高可靠性和冗余性,智能分布式系統(tǒng)采用雙方案方式,前控機(jī)工作方案和測(cè)控儀工作方案,以前

4、控機(jī)工作方案為主,測(cè)控儀工作方案為輔。系統(tǒng)測(cè)控對(duì)象以常用的光電轉(zhuǎn)速傳感器為例,簡(jiǎn)要介紹其工作原理和主要性能指標(biāo)。光電轉(zhuǎn)速傳感器利用發(fā)光二極管作為光源,光柵盤(pán)在柴油機(jī)轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),利用光柵盤(pán)遮擋作用,使光源變?yōu)閿嗬m(xù)光,使光敏管通、斷交替切換而產(chǎn)生脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)電路放大整形后,輸出與轉(zhuǎn)速成比例的方波脈沖列。光電傳感器的主要性能指標(biāo)及測(cè)試內(nèi)容為:轉(zhuǎn)速、脈沖數(shù)、脈沖最低高電平、脈沖最高低電平和脈沖占空比。根據(jù)智能分布式系統(tǒng)工作方式要求和硬件組態(tài)設(shè)計(jì)思想,采用分層體系結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)前控機(jī)選用具有很高可靠性和適用于工業(yè)環(huán)境IPC (Industrial Personal Computer,IPC 作為管

5、理站,自主開(kāi)發(fā)測(cè)控儀作為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)不僅能獨(dú)立工作,而且提供RS-485通信接口,在IPC 的RS-232端口加一塊MODELll02 RS232/R 485接口轉(zhuǎn)換模塊,組成RS-485網(wǎng)絡(luò)分布式監(jiān)控系統(tǒng)(NDCS。另外,當(dāng)某個(gè)測(cè)控儀通道出現(xiàn)故障時(shí),不影響前控機(jī)對(duì)其它測(cè)控儀監(jiān)控,而當(dāng)前控機(jī)或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí),也不影響現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)正常工作。綜合光電轉(zhuǎn)速傳感器分布式監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際需要,系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,測(cè)控儀和工作臺(tái)構(gòu)成測(cè)控通道。圖1測(cè)控儀為所開(kāi)發(fā)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),工作臺(tái)上安裝光電轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)光電轉(zhuǎn)速傳感器工作的電動(dòng)機(jī)和人機(jī)操作接口。二、系統(tǒng)主要功能系統(tǒng)的前控機(jī)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的柴油機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)

6、存盤(pán),并對(duì)存盤(pán)的柴油機(jī)物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理,可隨時(shí)查詢、增、刪、改和打印出柴油機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表等。前控機(jī)還可監(jiān)視后位機(jī)的工作狀態(tài),監(jiān)視當(dāng)前檢測(cè)柴油機(jī)的運(yùn)行情況并可為現(xiàn)場(chǎng)的柴油機(jī)采集數(shù)據(jù)設(shè)置高、低限報(bào)警參數(shù)。可按存盤(pán)數(shù)據(jù)繪制柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線及速度特性曲線等。系統(tǒng)的后位機(jī)分則由STD 總線工業(yè)控制機(jī)及微電腦等組成,可獨(dú)立工作。在前控機(jī)進(jìn)行其他工作或關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí),后位機(jī)仍可完成以下各種操作:對(duì)主機(jī)性能檢測(cè)中的轉(zhuǎn)速、油耗、油壓、油溫、水溫、扭矩、排溫等多種物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集顯示,一次測(cè)驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行多種工況。在檢測(cè)屏上配有鍵盤(pán)及LED 顯示,檢測(cè)參數(shù)、試機(jī)條件、檢測(cè)環(huán)境等,可通過(guò)人機(jī)會(huì)話方式鍵入,并

7、可利用功能鍵進(jìn)行如下操作和控制:設(shè)置報(bào)警參數(shù)、設(shè)置打印格式、油耗率監(jiān)測(cè)、設(shè)置屏蔽采集項(xiàng)、速度特性試驗(yàn)、負(fù)荷特性試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、顯示測(cè)量后存入數(shù)據(jù)、修正日期和時(shí)鐘等。檢測(cè)屏上有進(jìn)水溫度、出水溫度、機(jī)油溫度、機(jī)油壓力、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗等參數(shù)采集的數(shù)碼顯示。在檢測(cè)中為防止某些參數(shù)引起參數(shù)超限,系統(tǒng)還設(shè)置了各種聲光報(bào)警及LED 參數(shù)頻閃,越限值在檢測(cè)前通過(guò)人機(jī)會(huì)話方式設(shè)第09期 卞根發(fā):船用柴油機(jī)電腦智能監(jiān)控系統(tǒng) 29 定,檢測(cè)結(jié)束后可將檢測(cè)數(shù)據(jù)以選擇方式或全部參數(shù)打印方式輸出。監(jiān)控定時(shí)器可使系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行,具有自檢自報(bào)功能。電源斷電檢測(cè),當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)可

8、將該瞬間狀態(tài)及數(shù)據(jù)等全部保護(hù)起來(lái),一旦來(lái)電整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)行。實(shí)時(shí)日歷鐘能自動(dòng)記錄主機(jī)檢測(cè)的日期與時(shí)間,也可用LED 顯示日期與時(shí)間,柴油機(jī)油門(mén)與水門(mén)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作,動(dòng)作過(guò)程采用了指示燈顯示,發(fā)生故障時(shí)有緊急停車及脫機(jī)操作功能。三、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)為分散式控制系統(tǒng),前控機(jī)電腦配置要求:采用WINDOWS2000或WINDOWS NT 4.0的系統(tǒng)軟件;Pentium 4以上電腦,數(shù)字化儀一臺(tái)。后位機(jī)由STD 工業(yè)控制機(jī)組成智能檢測(cè)屏,配置激光打印機(jī)一臺(tái),1024×768VGA 顯示器一臺(tái)、鍵盤(pán)一個(gè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)屏中的STD 總線工控機(jī)系統(tǒng)由CPU 板、存儲(chǔ)器板、人機(jī)接口板、

9、系統(tǒng)支持板、通訊板等組成。系統(tǒng)支持板可根據(jù)需要增減,它包含出水溫度與機(jī)油壓力采集板,機(jī)油溫度與排氣溫度采集板,轉(zhuǎn)速與扭矩采集板,油耗測(cè)量采集板等。 圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)中輸入模擬信號(hào)(如:溫度、壓力等,脈沖信號(hào)或電平信號(hào)(如:轉(zhuǎn)速、油耗、扭矩等,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理,然后對(duì)其進(jìn)行采樣、數(shù)碼顯示、最后以標(biāo)準(zhǔn)的BCD 碼送入電腦,電腦將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號(hào)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)控制。聲光報(bào)警是利用振蕩電路分別驅(qū)動(dòng)喇叭及發(fā)光二極管,形成聲光效應(yīng),STD 其過(guò)程控制組成如圖1所示。其中測(cè)控儀是本系統(tǒng)的關(guān)健,根據(jù)光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理和所需測(cè)量的性能指標(biāo),其硬件設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)模塊和測(cè)試模塊。驅(qū)動(dòng)模塊為了驅(qū)動(dòng)光電

10、傳感器旋轉(zhuǎn),并能方便調(diào)整其轉(zhuǎn)速。測(cè)試模塊則是采用雙AT89C52微處理器,根據(jù)光電轉(zhuǎn)速傳感器所輸出電脈沖信號(hào)的特點(diǎn)及所需的測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行測(cè)控。核心電路為信號(hào)調(diào)理及采集電路,其主要作用是把光電轉(zhuǎn)速傳感器15V 矩形波信號(hào)轉(zhuǎn)換為AT89C52能接受CMOS 電平,以實(shí)現(xiàn)光電傳感器的脈沖數(shù)、脈沖占空比和相位差等參數(shù)的測(cè)試工作。系統(tǒng)的通訊使用RS-232串行接口,現(xiàn)場(chǎng)CRT 采用RS-232串行通訊與檢測(cè)臺(tái)的STD 總線工業(yè)控制機(jī)屏相連接,數(shù)字化儀與電腦之間采用串行接口,用戶界面采用人機(jī)會(huì)話。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對(duì)電網(wǎng)干擾問(wèn)題前控機(jī)采用UPS 不間斷電源,而對(duì)后位機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)采用濾波電路,通道干擾采用光

11、電隔離,空間干擾采用多種屏蔽,并對(duì)系統(tǒng)的接地也做了精心設(shè)計(jì),通過(guò)以上措施及程序的周密設(shè)置,使該系統(tǒng)在船舶上遇到高頻等干擾及較惡劣的機(jī)艙環(huán)境中也能正常運(yùn)行,檢測(cè)出的各項(xiàng)參數(shù)精度均可達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),符合要求。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要包括測(cè)控和前控機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)工作。測(cè)控以AT89C52為核心,選用方便實(shí)用、高效的Keil C51軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。由于VB 功能豐富和應(yīng)用方便,前控機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具選用VB。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)測(cè)控通道運(yùn)行狀況,而且用戶可通過(guò)其提供的人機(jī)界面進(jìn)行后位機(jī)初始化、發(fā)送控制命令,并控制后位機(jī)設(shè)備動(dòng)作。因此,所開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件必須具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通訊、設(shè)備控制、人機(jī)交互和

12、報(bào)警等基本功能,以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、打印等輔助的數(shù)據(jù)管理功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控主要利用前控機(jī)對(duì)各控制器工作參數(shù)全面監(jiān)視和控制,在前控機(jī)監(jiān)督和指導(dǎo)下完成光電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)控工作。在RS-485所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,AT89C52所組成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)作為后位機(jī),計(jì)算機(jī)作為前控機(jī),實(shí)現(xiàn)雙向通訊。由AT89C52所組成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),即測(cè)控需要把工作參數(shù)和工作狀態(tài)及時(shí)傳遞到前控機(jī)中,同時(shí),前控機(jī)利用其友好的界面,對(duì)測(cè)控儀進(jìn)行初始化等工作,兩圖2 STD 總線工業(yè)控制機(jī)程序流程圖該系統(tǒng)考慮到前、后兩個(gè)部分不同任務(wù)的不同特點(diǎn)與要求,前控機(jī)的電腦采用了三種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編程。用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)前級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)后級(jí)的通訊,C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)繪畫(huà),數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的管理及主機(jī)標(biāo)定功率,燃油耗的修正等。這樣的組合,能夠更加充分地利用各種語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì),以利提高程序的質(zhì)量。系統(tǒng)后位機(jī)使用STD 總線,采用