船用柴油機電腦智能監(jiān)控系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)測試儀的局限性,引入實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。智能型船舶柴油機電腦監(jiān)控系統(tǒng),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(shù)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(tǒng)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。現(xiàn)有的船用柴油機大多采用全氣動型式,難以實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)響應快,安全可靠,故引入電腦智能檢測系統(tǒng),使之船用柴油機具有控制檢測功能強,調(diào)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(tǒng)的自動化程度。針對傳統(tǒng)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(tǒng)勢在必行。分布式監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)測控系統(tǒng)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(tǒng)硬件設計該船用柴油機電腦檢測系統(tǒng)采用微機、通訊、控制、顯示等為特征的分散型控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由前后兩部分組成:智能型監(jiān)控系統(tǒng)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(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(tǒng)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(chǎn)生脈沖信號,經(jīng)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(nèi)容為:轉速、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)設計思想,采用分層體系結構。 系統(tǒng)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(xiàn)場級。現(xiàn)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(wǎng)絡分布式監(jiān)控系統(tǒng)(NDCS。另外,當某個測控儀通道出現(xiàn)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(wǎng)絡出現(xiàn)故障時,也不影響現(xiàn)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(tǒng)實際需要,系統(tǒng)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(tǒng),工作臺上安裝光電轉速傳感器、驅(qū)動光電轉速傳感器工作的電動機和人機操作接口。二、系統(tǒng)主要功能系統(tǒng)的前控機可對現(xiàn)場的柴油機檢測數(shù)據(jù)

6、存盤,并對存盤的柴油機物理參數(shù)進行數(shù)據(jù)庫管理,可隨時查詢、增、刪、改和打印出柴油機的檢測數(shù)據(jù)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(xiàn)場的柴油機采集數(shù)據(jù)設置高、低限報警參數(shù)?？砂创姹P數(shù)據(jù)繪制柴油機負荷特性曲線及速度特性曲線等。系統(tǒng)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(shù)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(shù)、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(shù)、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(shù)據(jù)、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(shù)采集的數(shù)碼顯示。在檢測中為防止某些參數(shù)引起參數(shù)超限,系統(tǒng)還設置了各種聲光報警及LED 參數(shù)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(tǒng) 29 定,檢測結束后可將檢測數(shù)據(jù)以選擇方式或全部參數(shù)打印方式輸出。監(jiān)控定時器可使系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時,系統(tǒng)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(shù)據(jù)等全部保護起來,一旦來電整個系統(tǒng)能實現(xiàn)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(tǒng)硬件結構系統(tǒng)硬件結構為分散式控制系統(tǒng),前控機電腦配置要求: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。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(xiàn)場檢測屏中的STD 總線工控機系統(tǒng)由CPU 板、存儲器板、人機接口板、

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(tǒng)總體結構圖該系統(tǒng)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(jīng)過信號調(diào)理,然后對其進行采樣、數(shù)碼顯示、最后以標準的BCD 碼送入電腦,電腦將數(shù)據(jù)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(qū)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(tǒng)的關健,根據(jù)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(qū)動模塊和測試模塊。驅(qū)動模塊為了驅(qū)動光電

10、傳感器旋轉,并能方便調(diào)整其轉速。測試模塊則是采用雙AT89C52微處理器,根據(jù)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(nèi)容進行測控。核心電路為信號調(diào)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(xiàn)光電傳感器的脈沖數(shù)、脈沖占空比和相位差等參數(shù)的測試工作。系統(tǒng)的通訊使用RS-232串行接口,現(xiàn)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(shù)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(tǒng)的抗干擾能力,對電網(wǎng)干擾問題前控機采用UPS 不間斷電源,而對后位機的現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)精度均可達到國際標準,符合要求。四、系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)通訊、設備控制、人機交互和

12、報警等基本功能,以及數(shù)據(jù)存儲、分析、打印等輔助的數(shù)據(jù)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(shù)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(wǎng)絡系統(tǒng)中,AT89C52所組成的單片機應用系統(tǒng)作為后位機,計算機作為前控機,實現(xiàn)雙向通訊。由AT89C52所組成的單片機應用系統(tǒng),即測控需要把工作參數(shù)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(tǒng)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(xiàn)前級與現(xiàn)場后級的通訊,C 語言實現(xiàn)繪畫,數(shù)據(jù)庫語言實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)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(zhì)量。系統(tǒng)后位機使用STD 總線,采用