船用柴油机电脑智能监控系统

1、第07卷 第09期 中 国 水 运 Vol.7 No.09 2007年 09月 China Water Transport September 2007收稿日期:2007-5-6作者简介:卞根发 (1951 厦门海洋职业技术学院 副教授 (361012 研究方向:船舶电气设备与轮机自动化控制船用柴油机电脑智能监控系统卞根发摘 要:针对船舶柴油机转速传感器性能指标测试必要性和传统测试仪的局限性,引入实用而高效分布式智能监控系统,发挥集中管理、分散控制优势。智能型船舶柴油机电脑监控系统,可以对柴油机的性能测试中的转速、油耗、油压、水温、油温、扭矩、排温等多种物理参数进行自动采集显示。一次可同时测试

2、多个工况。为船舶轮机管理人员提供了检测精度高、速度快且劳动强度低的智能化设备。 关键词:船舶柴油机 电脑智能检测 监控系统中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1006-7973(200709-0028-02随着微电子技术及计算机技术的飞快发展,新型的船用柴油机电子控制技术也日益完善。现有的船用柴油机大多采用全气动型式,难以实现系统自动化检测功能。针对船舶运行海况区域恶劣,工况多而复杂等特点,同时又要求系统响应快,安全可靠,故引入电脑智能检测系统,使之船用柴油机具有控制检测功能强,调节精度高,反应灵敏度高的特点,大大提高了船用柴油机控制系统的自动化程度。针对传统检测装置只能进行有限

3、几个性能指标检测,存在精度不高和工作效率低下等缺点,利用单片机技术在智能仪器仪表的广泛应用,为满足实际需要,开发新一代高性能、实用的光电传感器测控系统势在必行。分布式监控系统具有分级管理、分散控制和高可靠性的优点,引入高效实用的DCS,简化传统测控系统结构,既便于维护,又为船舶轮机信息化发展和应用提供了良好的平台。一、系统硬件设计该船用柴油机电脑检测系统采用微机、通讯、控制、显示等为特征的分散型控制系统。整个系统由前后两部分组成:智能型监控系统以计算机作为前控机,以单片机为核心的测控仪作为后位机。为确保系统工作高可靠性和冗余性,智能分布式系统采用双方案方式,前控机工作方案和测控仪工作方案,以前

4、控机工作方案为主,测控仪工作方案为辅。系统测控对象以常用的光电转速传感器为例,简要介绍其工作原理和主要性能指标。光电转速传感器利用发光二极管作为光源,光栅盘在柴油机转轴的带动下旋转,利用光栅盘遮挡作用,使光源变为断续光,使光敏管通、断交替切换而产生脉冲信号,经过电路放大整形后,输出与转速成比例的方波脉冲列。光电传感器的主要性能指标及测试内容为:转速、脉冲数、脉冲最低高电平、脉冲最高低电平和脉冲占空比。根据智能分布式系统工作方式要求和硬件组态设计思想,采用分层体系结构。 系统前控机选用具有很高可靠性和适用于工业环境IPC (Industrial Personal Computer,IPC 作为管

5、理站,自主开发测控仪作为现场级。现场级不仅能独立工作,而且提供RS-485通信接口,在IPC 的RS-232端口加一块MODELll02 RS232/R 485接口转换模块,组成RS-485网络分布式监控系统(NDCS。另外,当某个测控仪通道出现故障时,不影响前控机对其它测控仪监控,而当前控机或网络出现故障时,也不影响现场控制级正常工作。综合光电转速传感器分布式监控系统实际需要,系统硬件总体结构如图1所示,测控仪和工作台构成测控通道。图1测控仪为所开发的单片机应用系统,工作台上安装光电转速传感器、驱动光电转速传感器工作的电动机和人机操作接口。二、系统主要功能系统的前控机可对现场的柴油机检测数据

6、存盘,并对存盘的柴油机物理参数进行数据库管理,可随时查询、增、删、改和打印出柴油机的检测数据报表等。前控机还可监视后位机的工作状态,监视当前检测柴油机的运行情况并可为现场的柴油机采集数据设置高、低限报警参数。可按存盘数据绘制柴油机负荷特性曲线及速度特性曲线等。系统的后位机分则由STD 总线工业控制机及微电脑等组成,可独立工作。在前控机进行其他工作或关机状态时,后位机仍可完成以下各种操作:对主机性能检测中的转速、油耗、油压、油温、水温、扭矩、排温等多种物理参数进行自动采集显示,一次测验可同时进行多种工况。在检测屏上配有键盘及LED 显示,检测参数、试机条件、检测环境等,可通过人机会话方式键入,并

7、可利用功能键进行如下操作和控制:设置报警参数、设置打印格式、油耗率监测、设置屏蔽采集项、速度特性试验、负荷特性试验、耐久试验、显示测量后存入数据、修正日期和时钟等。检测屏上有进水温度、出水温度、机油温度、机油压力、排气温度、转速、扭矩、油耗等参数采集的数码显示。在检测中为防止某些参数引起参数超限,系统还设置了各种声光报警及LED 参数频闪,越限值在检测前通过人机会话方式设第09期 卞根发:船用柴油机电脑智能监控系统 29 定,检测结束后可将检测数据以选择方式或全部参数打印方式输出。监控定时器可使系统因干扰或软故障等原因出现异常时,系统自动恢复运行,具有自检自报功能。电源断电检测,当发生断电时可

8、将该瞬间状态及数据等全部保护起来,一旦来电整个系统能实现补偿运行。实时日历钟能自动记录主机检测的日期与时间,也可用LED 显示日期与时间,柴油机油门与水门可进行远距离操作,动作过程采用了指示灯显示,发生故障时有紧急停车及脱机操作功能。三、系统硬件结构系统硬件结构为分散式控制系统,前控机电脑配置要求:采用WINDOWS2000或WINDOWS NT 4.0的系统软件;Pentium 4以上电脑,数字化仪一台。后位机由STD 工业控制机组成智能检测屏,配置激光打印机一台,1024×768VGA 显示器一台、键盘一个。现场检测屏中的STD 总线工控机系统由CPU 板、存储器板、人机接口板、

9、系统支持板、通讯板等组成。系统支持板可根据需要增减,它包含出水温度与机油压力采集板,机油温度与排气温度采集板,转速与扭矩采集板,油耗测量采集板等。 图1 监控系统总体结构图该系统中输入模拟信号(如:温度、压力等,脉冲信号或电平信号(如:转速、油耗、扭矩等,经过信号调理,然后对其进行采样、数码显示、最后以标准的BCD 码送入电脑,电脑将数据转换为信号通过执行机构进行检测控制。声光报警是利用振荡电路分别驱动喇叭及发光二极管,形成声光效应,STD 其过程控制组成如图1所示。其中测控仪是本系统的关健,根据光电转速传感器的工作原理和所需测量的性能指标,其硬件设计为驱动模块和测试模块。驱动模块为了驱动光电

10、传感器旋转,并能方便调整其转速。测试模块则是采用双AT89C52微处理器,根据光电转速传感器所输出电脉冲信号的特点及所需的测试内容进行测控。核心电路为信号调理及采集电路,其主要作用是把光电转速传感器15V 矩形波信号转换为AT89C52能接受CMOS 电平,以实现光电传感器的脉冲数、脉冲占空比和相位差等参数的测试工作。系统的通讯使用RS-232串行接口,现场CRT 采用RS-232串行通讯与检测台的STD 总线工业控制机屏相连接,数字化仪与电脑之间采用串行接口,用户界面采用人机会话。为提高系统的抗干扰能力,对电网干扰问题前控机采用UPS 不间断电源,而对后位机的现场采用滤波电路,通道干扰采用光

11、电隔离,空间干扰采用多种屏蔽,并对系统的接地也做了精心设计,通过以上措施及程序的周密设置,使该系统在船舶上遇到高频等干扰及较恶劣的机舱环境中也能正常运行,检测出的各项参数精度均可达到国际标准,符合要求。四、系统软件设计系统软件开发主要包括测控和前控机监控软件开发工作。测控以AT89C52为核心,选用方便实用、高效的Keil C51软件作为开发平台。由于VB 功能丰富和应用方便,前控机软件开发工具选用VB。计算机监控系统不仅监测测控通道运行状况,而且用户可通过其提供的人机界面进行后位机初始化、发送控制命令,并控制后位机设备动作。因此,所开发监控软件必须具有数据转换、数据通讯、设备控制、人机交互和

12、报警等基本功能,以及数据存储、分析、打印等辅助的数据管理功能。计算机监控主要利用前控机对各控制器工作参数全面监视和控制,在前控机监督和指导下完成光电转速传感器测控工作。在RS-485所构成的分布式网络系统中,AT89C52所组成的单片机应用系统作为后位机,计算机作为前控机,实现双向通讯。由AT89C52所组成的单片机应用系统,即测控需要把工作参数和工作状态及时传递到前控机中,同时,前控机利用其友好的界面,对测控仪进行初始化等工作,两图2 STD 总线工业控制机程序流程图该系统考虑到前、后两个部分不同任务的不同特点与要求,前控机的电脑采用了三种计算机语言进行编程。用汇编语言实现前级与现场后级的通讯,C 语言实现绘画,数据库语言实现采集数据的管理及主机标定功率,燃油耗的修正等。这样的组合,能够更加充分地利用各种语言的优势,以利提高程序的质量。系统后位机使用STD 总线,采用