船用柴油機電腦智能監(jiān)控系統

1、第07卷 第09期 中 國 水 運 Vol.7 No.09 2007年 09月 China Water Transport September 2007收稿日期:2007-5-6作者簡介:卞根發(fā) (1951 廈門海洋職業(yè)技術學院 副教授 (361012 研究方向:船舶電氣設備與輪機自動化控制船用柴油機電腦智能監(jiān)控系統卞根發(fā)摘 要:針對船舶柴油機轉速傳感器性能指標測試必要性和傳統測試儀的局限性,引入實用而高效分布式智能監(jiān)控系統,發(fā)揮集中管理、分散控制優(yōu)勢。智能型船舶柴油機電腦監(jiān)控系統,可以對柴油機的性能測試中的轉速、油耗、油壓、水溫、油溫、扭矩、排溫等多種物理參數進行自動采集顯示。一次可同時測試

2、多個工況。為船舶輪機管理人員提供了檢測精度高、速度快且勞動強度低的智能化設備。 關鍵詞:船舶柴油機 電腦智能檢測 監(jiān)控系統中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A 文章編號:1006-7973(200709-0028-02隨著微電子技術及計算機技術的飛快發(fā)展,新型的船用柴油機電子控制技術也日益完善?，F有的船用柴油機大多采用全氣動型式,難以實現系統自動化檢測功能。針對船舶運行海況區(qū)域惡劣,工況多而復雜等特點,同時又要求系統響應快,安全可靠,故引入電腦智能檢測系統,使之船用柴油機具有控制檢測功能強,調節(jié)精度高,反應靈敏度高的特點,大大提高了船用柴油機控制系統的自動化程度。針對傳統檢測裝置只能進行有限

3、幾個性能指標檢測,存在精度不高和工作效率低下等缺點,利用單片機技術在智能儀器儀表的廣泛應用,為滿足實際需要,開發(fā)新一代高性能、實用的光電傳感器測控系統勢在必行。分布式監(jiān)控系統具有分級管理、分散控制和高可靠性的優(yōu)點,引入高效實用的DCS,簡化傳統測控系統結構,既便于維護,又為船舶輪機信息化發(fā)展和應用提供了良好的平臺。一、系統硬件設計該船用柴油機電腦檢測系統采用微機、通訊、控制、顯示等為特征的分散型控制系統。整個系統由前后兩部分組成:智能型監(jiān)控系統以計算機作為前控機,以單片機為核心的測控儀作為后位機。為確保系統工作高可靠性和冗余性,智能分布式系統采用雙方案方式,前控機工作方案和測控儀工作方案,以前

4、控機工作方案為主,測控儀工作方案為輔。系統測控對象以常用的光電轉速傳感器為例,簡要介紹其工作原理和主要性能指標。光電轉速傳感器利用發(fā)光二極管作為光源,光柵盤在柴油機轉軸的帶動下旋轉,利用光柵盤遮擋作用,使光源變?yōu)閿嗬m(xù)光,使光敏管通、斷交替切換而產生脈沖信號,經過電路放大整形后,輸出與轉速成比例的方波脈沖列。光電傳感器的主要性能指標及測試內容為:轉速、脈沖數、脈沖最低高電平、脈沖最高低電平和脈沖占空比。根據智能分布式系統工作方式要求和硬件組態(tài)設計思想,采用分層體系結構。 系統前控機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,自主開發(fā)測控儀作為現場級?，F場級不僅能獨立工作,而且提供RS-485通信接口,在IPC 的RS-232端口加一塊MODELll02 RS232/R 485接口轉換模塊,組成RS-485網絡分布式監(jiān)控系統(NDCS。另外,當某個測控儀通道出現故障時,不影響前控機對其它測控儀監(jiān)控,而當前控機或網絡出現故障時,也不影響現場控制級正常工作。綜合光電轉速傳感器分布式監(jiān)控系統實際需要,系統硬件總體結構如圖1所示,測控儀和工作臺構成測控通道。圖1測控儀為所開發(fā)的單片機應用系統,工作臺上安裝光電轉速傳感器、驅動光電轉速傳感器工作的電動機和人機操作接口。二、系統主要功能系統的前控機可對現場的柴油機檢測數據

6、存盤,并對存盤的柴油機物理參數進行數據庫管理,可隨時查詢、增、刪、改和打印出柴油機的檢測數據報表等。前控機還可監(jiān)視后位機的工作狀態(tài),監(jiān)視當前檢測柴油機的運行情況并可為現場的柴油機采集數據設置高、低限報警參數?？砂创姹P數據繪制柴油機負荷特性曲線及速度特性曲線等。系統的后位機分則由STD 總線工業(yè)控制機及微電腦等組成,可獨立工作。在前控機進行其他工作或關機狀態(tài)時,后位機仍可完成以下各種操作:對主機性能檢測中的轉速、油耗、油壓、油溫、水溫、扭矩、排溫等多種物理參數進行自動采集顯示,一次測驗可同時進行多種工況。在檢測屏上配有鍵盤及LED 顯示,檢測參數、試機條件、檢測環(huán)境等,可通過人機會話方式鍵入,并

7、可利用功能鍵進行如下操作和控制:設置報警參數、設置打印格式、油耗率監(jiān)測、設置屏蔽采集項、速度特性試驗、負荷特性試驗、耐久試驗、顯示測量后存入數據、修正日期和時鐘等。檢測屏上有進水溫度、出水溫度、機油溫度、機油壓力、排氣溫度、轉速、扭矩、油耗等參數采集的數碼顯示。在檢測中為防止某些參數引起參數超限,系統還設置了各種聲光報警及LED 參數頻閃,越限值在檢測前通過人機會話方式設第09期 卞根發(fā):船用柴油機電腦智能監(jiān)控系統 29 定,檢測結束后可將檢測數據以選擇方式或全部參數打印方式輸出。監(jiān)控定時器可使系統因干擾或軟故障等原因出現異常時,系統自動恢復運行,具有自檢自報功能。電源斷電檢測,當發(fā)生斷電時可

8、將該瞬間狀態(tài)及數據等全部保護起來,一旦來電整個系統能實現補償運行。實時日歷鐘能自動記錄主機檢測的日期與時間,也可用LED 顯示日期與時間,柴油機油門與水門可進行遠距離操作,動作過程采用了指示燈顯示,發(fā)生故障時有緊急停車及脫機操作功能。三、系統硬件結構系統硬件結構為分散式控制系統,前控機電腦配置要求:采用WINDOWS2000或WINDOWS NT 4.0的系統軟件;Pentium 4以上電腦,數字化儀一臺。后位機由STD 工業(yè)控制機組成智能檢測屏,配置激光打印機一臺,1024×768VGA 顯示器一臺、鍵盤一個?，F場檢測屏中的STD 總線工控機系統由CPU 板、存儲器板、人機接口板、

9、系統支持板、通訊板等組成。系統支持板可根據需要增減,它包含出水溫度與機油壓力采集板,機油溫度與排氣溫度采集板,轉速與扭矩采集板,油耗測量采集板等。 圖1 監(jiān)控系統總體結構圖該系統中輸入模擬信號(如:溫度、壓力等,脈沖信號或電平信號(如:轉速、油耗、扭矩等,經過信號調理,然后對其進行采樣、數碼顯示、最后以標準的BCD 碼送入電腦,電腦將數據轉換為信號通過執(zhí)行機構進行檢測控制。聲光報警是利用振蕩電路分別驅動喇叭及發(fā)光二極管,形成聲光效應,STD 其過程控制組成如圖1所示。其中測控儀是本系統的關健,根據光電轉速傳感器的工作原理和所需測量的性能指標,其硬件設計為驅動模塊和測試模塊。驅動模塊為了驅動光電

10、傳感器旋轉,并能方便調整其轉速。測試模塊則是采用雙AT89C52微處理器,根據光電轉速傳感器所輸出電脈沖信號的特點及所需的測試內容進行測控。核心電路為信號調理及采集電路,其主要作用是把光電轉速傳感器15V 矩形波信號轉換為AT89C52能接受CMOS 電平,以實現光電傳感器的脈沖數、脈沖占空比和相位差等參數的測試工作。系統的通訊使用RS-232串行接口,現場CRT 采用RS-232串行通訊與檢測臺的STD 總線工業(yè)控制機屏相連接,數字化儀與電腦之間采用串行接口,用戶界面采用人機會話。為提高系統的抗干擾能力,對電網干擾問題前控機采用UPS 不間斷電源,而對后位機的現場采用濾波電路,通道干擾采用光

11、電隔離,空間干擾采用多種屏蔽,并對系統的接地也做了精心設計,通過以上措施及程序的周密設置,使該系統在船舶上遇到高頻等干擾及較惡劣的機艙環(huán)境中也能正常運行,檢測出的各項參數精度均可達到國際標準,符合要求。四、系統軟件設計系統軟件開發(fā)主要包括測控和前控機監(jiān)控軟件開發(fā)工作。測控以AT89C52為核心,選用方便實用、高效的Keil C51軟件作為開發(fā)平臺。由于VB 功能豐富和應用方便,前控機軟件開發(fā)工具選用VB。計算機監(jiān)控系統不僅監(jiān)測測控通道運行狀況,而且用戶可通過其提供的人機界面進行后位機初始化、發(fā)送控制命令,并控制后位機設備動作。因此,所開發(fā)監(jiān)控軟件必須具有數據轉換、數據通訊、設備控制、人機交互和

12、報警等基本功能,以及數據存儲、分析、打印等輔助的數據管理功能。計算機監(jiān)控主要利用前控機對各控制器工作參數全面監(jiān)視和控制,在前控機監(jiān)督和指導下完成光電轉速傳感器測控工作。在RS-485所構成的分布式網絡系統中,AT89C52所組成的單片機應用系統作為后位機,計算機作為前控機,實現雙向通訊。由AT89C52所組成的單片機應用系統,即測控需要把工作參數和工作狀態(tài)及時傳遞到前控機中,同時,前控機利用其友好的界面,對測控儀進行初始化等工作,兩圖2 STD 總線工業(yè)控制機程序流程圖該系統考慮到前、后兩個部分不同任務的不同特點與要求,前控機的電腦采用了三種計算機語言進行編程。用匯編語言實現前級與現場后級的通訊,C 語言實現繪畫,數據庫語言實現采集數據的管理及主機標定功率,燃油耗的修正等。這樣的組合,能夠更加充分地利用各種語言的優(yōu)勢,以利提高程序的質量。系統后位機使用STD 總線,采用