（轮机工程专业论文）船舶柴油机机旁监控装置的研制.pdf

独创性声明 蜊i|f删ff|if,l|!i,fii|j1i,pj|ffpli i，f|ifiii y 18 8 0 5 6 6 。 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：物丛羟 日期：趁! ! 堑，乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：新呐旁 导师( 签名) ： 日期阳f p 夕衫 一x f b j 武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 船舶柴油机是船舶最重要部位，是船舶动力之源，是保障船舶航行安全的 关键。柴油机安全监控装置是船舶机舱集中监测报警系统的重要组成部分，在 保障船舶安全运行中有着占有举足轻重的地位。目前，数字化、智能化、模块 化和网络化是柴油机安全监控系统的发展趋势。、 本文针对c m l 2 1 3 2 船舶中速柴油机的工作特点及其状态监控的需求，并 考虑到机舱环境和轮机员操作习惯，采用数字化技术和4 8 5 总线技术，模块化 设计了船舶柴油机安全监控装置，并研究了在柴油机安全监控装置中实现故障 诊断的可行性。 主要完成了以下内容： 1 船用柴油机安全监控装置基本单元研制。采用3 2 位嵌入式微控制器为核 心，完成基本模块的硬件电路设计。能实现柴油机重要模拟信号和开关信号采 集、储存及传输；实现内部逻辑控制如起动、停车、应急停车和故障停车等功 能；实现重要参数越限报警。 2 船用柴油机安全监控装置操作显示单元的研制。采用8 位单片微机设计 了操作显示单元的三个模块，实现起停、复位等按键命令操作、模拟量的数码 显示和报警指示。 3 船用柴油机监控单元的r s 4 8 5 总线通讯的设计。根据需求，自定义4 8 5 总线通讯协议，实现各模块间的数据交换。 4 船用柴油机状态检测故障诊断单元的可行性方案研究。基于安全监控装 置的资源和条件，对柴油机状态监测故障诊断技术和方法进行了研究，并给出 了可行性设计方案。 5 完成研制的安全监控装置样机的实机功能试验验证。在各负荷和转速下， 对装置的控制功能、控制精度、显示精度及可靠性进行了测试。 关键词：船用柴油机；安全监控；单片机；r s 4 8 5 总线通讯；故障诊断 i哆 - 睫 t 勺 j j 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t m a r i n ed i e s e le n g i n ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h es h i p ，t h es h i pp o w e r s o u r c ea n dt h ek e yt op r o t e c tt h es a f e t yo fn a v i g a t i o n d i e s e ls a f e t ym o n i t o r i n gd e v i c e i sa ni m p o r t a n tp a r to fb o a tc a b i nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ep r o t e c t i o no ft h e s a f e o p e r a t i o no ft h es h i ph a so c c u p i e dap i v o t a lp o s i t i o n c u r r e n t l y , d i g i t a l ，i n t e l l i g e n t ， m o d u l a ra n dn e t w o r ks a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi st h ee n g i n eo fd e v e l o p m e n tt r e n d s i nt h i sp a p e r , f o rt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec m l 21 3 2m e d i u ms p e e d d i e s e le n g i n ef o rs h i p sa n dt h ed e m a n df o rs t a t u sm o n i t o r i n ga n d t a k i n gi n t oa c c o u n t t h ec a b i ne n v i r o n m e n ta n dt h eh a b i to fo p e r a t i n ge n g i n e e r s ，u s e dd i g i t a lt e c h n o l o g y a n dt h e4 8 5b u sa n dm o d u l a rt od e s i g nt h em a r i n ed i e s e le n g i n es a f e t ym o n i t o r i n g d e v i c e s ，a n dt os t u d yt h ef e a s i b i l i t yo fa c h i e v i n gd i e s e le n g i n ef a u l td i a g n o s i sf a c t i o n i ns a f e t ym o n i t o r i n gd e v i c e s m a i n l yt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n g ： 1 t h ed e v e l o p m e n to ft h eb a s i cu n i to fs a 2 u l i 哆m o n i t o r i n gd e v i c e sf o rm a r i n e d i e s e le n g i n e u s e d3 2 一b i te m b e d d e dm i c r o - c o n t r o l l e ra st h ec o r et oc o m p l e t et h e b a s i cm o d u l e so ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n t oa c h i e v ed i e s e li m p o r t a n ta n a l o g s i g n a l sa n ds w i t c hs i g n a l sc o l l e c t i o n ，s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n ；t oa c h i e v ei n t e r n a l l o g i cc o n t r o lf u n c t i o n ss u c ha ss t a r t i n g , s t o p p i n g ，e m e r g e n c ys t o pa n df a u l ts t o p i n g , o u t p u tc o n t r o la c t i o n ；t oa c h i e v et h em o r el i m i ta l a r mo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r 2 t h ed e v e l o p m e n to fs a f e t ym o n i t o r i n gd e v i c ef o rm a r i n ed i e s e le n g i n e s o p e r a t i n gd i s p l a yu n i t u s e d8 - b i ts i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , d e s i g n e dt h et h r e e m o d u l e s 、) l r i mt h eo p e r a t i n gd i s p l a yu n i t ，t oa c h i e v es t a r t - s t o p ，r e s e tb u t t o nc o m m a n d o p e r a t i o n s ，d i g i t a ld i s p l a ya n a l o gs i g n a l sa n da l a r mi n d i c a t i o n 3 t h ed e s i g n so ft h er s 4 8 5b u sc o m m u n i c a t i o no fm a r i n ed i e s e l e n g i n e m o n i t o r i n gu n i t a c c o r d i n g t od e m a n d ，c u s t o mr s 4 8 5b u s p r o t o c o l a n d c o m m u n i c a t i o n ，a c h i e v ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nm o d u l e s 4 t os t u d yf e a s i b i l i t yo ft h em a r i n ed i e s e le n g i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gf a u l t d i a g n o s i su n i t c o m b i n e dw i t ht h e a c t u a ls i t u a t i o nm o n i t o r i n gd e v i c e ，s t u d yt h e t e c h n i q u e sa n dm e t h o d so fd i e s e le n g i r ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gf a u l td i a g n o s i sa n d g i v et h ef e a s i b i l i t yd e s i g n h ，- _ ， 一 武汉理工大学硕七学位论文 5 t oc o m p l e t et h ea c t u a lf u n c t i o n a l i t yt e s tv e r i f i c a t i o no ft h ep r o t o t y p e d e v e l o p m e n to fs a f e t ym o n i t o r i n gd e v i c e i na l ll o a da n ds p e e d ，t h ed e v i c ec o n t r o l f u n c t i o n ，c o n t r o lp r e c i s i o n ，s h o w i n gt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yw e r et e s t e d k e yw o r d s ：m a r i n e d i e s d e n g i n e ；s a f e t ym o n i t o r i n g ；m c u ；r s 4 8 5 b u s 、一一，0 k ，r - ， t ， 武汉理- t 大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 船舶安全监控系统发展现状1 1 1 1 计算机控制技术与船舶自动化发展1 1 1 2 船舶安全监控发展现状及趋势2 1 2 课题研究背景、目的及意义5 1 3 本文主要研究内容5 1 4 本章小结6 第2 章船舶柴油机安全监控装置总体设计7 2 1 船舶柴油机安全监控系统功能分析7 2 2 船舶柴油机安全监控装置总体结构8 2 2 1 模块化设计8 2 2 2 系统的构成9 2 2 3 系统各组成部分功能说明1 0 2 3 船用柴油机安全监控装置的实现方案1 l 2 3 1 安全单元1 1 2 3 2 监控单元1 3 2 4 系统的性能指标1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章船用柴油机监控系统硬件设计19 3 1 基本单元硬件电路1 9 3 1 1 电路结构原理图1 9 3 1 2 控制器选型2 0 3 1 3 接口电路设计2 1 3 2 操作显示单元硬件电路2 6 3 2 1 电路结构原理图2 6 i v ii。，、 k 谱 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 微控制器选型2 6 3 2 3 接口电路设计2 7 3 3 本章小结3 0 第4 章船用柴油机监控装置软件及通讯设计3 1 4 1 监控装黄功能软件设计3 1 4 1 1 数据采集、调理及转换3 3 4 1 2 控制功能逻辑3 5 4 1 3 报警4 1 4 1 4 按键操作及显示功能程序4 2 4 2r s 4 8 5 总线通讯设计4 3 4 2 1r s 4 8 5 总线技术介绍4 3 4 2 2r s 4 8 5 总线通讯协议描述4 4 4 2 3 监控单元内部4 8 5 总线结构4 4 4 2 4 监控单元内部4 8 5 总线通讯协议定义4 4 4 2 5 通讯程序设计4 6 4 3 本章小结4 8 第5 章基于机旁监控装置的故障诊断可行性分析4 9 5 1 柴油机状态检测与故障诊断方法4 9 5 2 故障诊断系统的可行性方案5 0 5 2 1 故障诊断系统结构5 l 5 2 2 功能模块5 1 5 2 3 瞬时转速测量技术5 2 5 2 4 基于s t m 3 2 的瞬时转速测取5 3 5 3 本章小结5 5 第6 章基于l a b v ie w 测试平台和实机的测试5 6 6 1l a b v i e w 虚拟仪器开发平台5 6 6 2 测试记录5 7 6 3 实验结果5 9 v 、：，、n i 碡 一 武汉理工大学硕士学位论文 6 4 本章小结6 0 第7 章结论及展望6 1 7 1 全文总结6 1 7 2 工作展望6 1 参考文献6 3 致谢6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目6 7 v i 、1 i 1：=： 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章主要介绍了船舶安全监控系统的发展现状和趋势，本课题研究的背 景、目的及意义，总结了本文主要研究内容。 1 1 船舶安全监控系统发展现状 1 1 1 计算机控制技术与船舶自动化发展 从上个世纪以来，计算机技术发展逐渐成熟，伴随着船舶对自动化水平要 求不断提高，计算机控制技术在船舶自动化中应用越来越广泛，推动了船舶自 动化进入发展高速时期。船舶运输日益繁忙，船舶日益大型化，为了满足船舶 对安全性和效益性的要求，减少轮机人员，将计算机技术应用于船舶机舱复杂 控制系统当中，是船舶发展的必然要求，也是船舶自动化技术发展必然结果。 自动化技术和计算机控制技术在船舶机舱中的应用可分为三个阶段【l 】【2 】【3 】： 第一个阶段是采用单台计算机进行全船集中控制，以软件功能代替一些硬 件设备，这样使得硬件设备得到大大简化，控制和管理功能更加丰富，也更加 方便。但该系统也有缺点，整个船舶控制系统过于依赖计算机，一旦计算机故 障，整个系统将会瘫痪，造成全船瘫痪，可靠性不能满足要求。 第二个阶段是采用微机技术分散控制。上世纪7 0 年代后期，微机技术逐渐 成熟，鉴于单台计算机全船集中控制的缺点，逐渐发展到在船舱中采用多个微 机针对性地进行分散控制。这种分散控制方式，一举改变了单台计算机集中控 制的缺点，同时使控制系统简单易行，占用空间小，价格便宜，并且维修方便。 但是分散控制使得各个系统分散独立，互相之间不能通讯，不便集中管理和控 制。 第三个阶段是以网络化为特征的网络控制。上世纪末，随着电子技术和网 络技术的发展，新型船舶开始应用网络监控技术，依然是不同的监控系统采用 单独微机进行监控，但将网络技术应用这些系统中，使各个监控系统的微机之 间能通过网络进行数据传输，分散的控制系统形成一个巨大网络，连接成一个 整体，达到集中控制，集中管理的目的。 船舶自动化发展过程可以说是一个计算机技术和网络技术发展过程。曾经 、 、 q 武汉理t 大学硕士学位论文 在船舶机舱自动化中广泛应用的集散式控制系统( d c s ) 就是伴随着计算机技术 和网络技术发展而出现的控制系统，以“集中控制，分散管理”为特征。但是， 随着行业的发展和科学技术的进步，对船舶自动化水平提出了更高、更新的要 求。虽然网络技术缓解了各个子系统不能通讯的缺点，但是依然存在过分依赖 主机的局限性限制了船舶自动化发展，同时，信息传输中采用了大量的模拟信 号，无论是抗干扰还是数据处理，都制约了集散式控制系统在船舶机舱自动化 中的应用。 上世纪末到本世纪以来，现场总线技术( f c s ) 应运而生，其在控制系统中 的应用，一举解决了集散式控制系统的技术瓶颈。基于现场总线技术的现场总 线控制系统通过总线的方式实现数据信息在上位机之间传输，各个系统的控制 器互联在总线上，既相互独立，又相互关联，相比集散式控制系统，不会因为 主机故障影响整个系统，也保留了之间的信息传输。现场总线网络实际上是一 个全数字化，全分散，可互操作、可扩展、开放的网络，结构更简单，设计更 灵活。在船舶应用中，现场总线控制系统一般分为设备层、控制层和管理层， 各层通过总线连接，功能独立，数据共享【4 】【5 1 。 1 1 2 船舶安全监控发展现状及趋势 1 、船舶机舱综合监控发展现状及趋势 船舶机舱集中了船上所有的动力装置，是船舶最重要的组成部分。因此， 船舶机舱监控系统是保障船舶航行安全中的一个重要装置。船舶机舱综合监控 系统集中了船舶柴油机监控系统以及船舶驾控系统于一体，已成为当前船舶行 业的重要研究课题。 传统的船舶机舱监测和控制系统功能是由硬件结构实现的，因而各种不同 装置都必须研制专门配套的监控系统，造成巨大的财力浪费，且可靠性差，缺 乏互换性，严重影响维修和使用，制约了船舶性能的发挥。 现代船舶机舱监控装置采用网络化、模块化结构设计，其功能由软件和硬 件组合共同实现。随着自动控制和计算机技术的高速发展，船舶自动化水平不 断提高，船舶机舱监控系统也采用网络化技术，集中控制集中管理。特别是数 字化技术和现场总线技术的应用，使船舶机舱监控达到了前所未有的高度。模 块化设计使得一套完整的机舱监控系统由多个功能模块构成，现场总线将各个 模块连接成一个整体。这种船舶机舱监控系统打破了传统监控系统只适用于某 2 武汉理工大学硕十学位论文 一机型、某一船型，它不再是一个固定结构，可按船型和实际功能需求，自主 选择模块组合，选择应用软件 6 】。 自上世纪5 0 年代以来，国外船舶机舱监控系统的发展历经四个阶段【7 】f 8 】【9 】： ( 1 ) 上世纪5 0 年代至6 0 年代初为第一阶段，发展气、液、电等单项自动调 节监控设备，实现就地分散独立监控； ( 2 ) 6 0 年代至7 0 年代为第二阶段，发展气动、电动和中小规模集成电子模件 的组合逻辑控制和中小型计算机的集中监控系统，出现了机舱集中控制室，形 成了驾驶室、集控室和机舱的三级监控； ( 3 ) 7 0 年代末至8 0 年代中后期为第三阶段，发展以微机为基础的主从式分布 结构监控系统，使监控系统的功能进一步增强，可靠性大大提高，而成本相应 低廉； ( 4 ) 8 0 年代末，又进入了现场总线系统的第四阶段，使机舱监控系统与全船 自动化系统联网，成为整个平台集成自动化系统的组成部分，国外提出了船舶 机舱分布式总线监控系统的概念。其以总线为核心，将所有控制台中的微机连 接成网，共享数据。各控制台之间可以互相通讯，交换信息。系统具有对资源 的动态重构能力，易于向接入总线系统的更多控制台提供冗余措施，在系统结 构上采用总线挂接方式。 这些技术实现的前提是系统的模块化。随着这种网络型监控系统技术的发 展，其应用的高效率、多功能，研制开发的低成本，维护、保障的低消耗等要 求，使得监控系统的系列化、标准化成为一种必然的发展趋势。 今后船舶机舱监控系统的发展将以网络化、高度集成化方向为基础，进一 步完善屏幕显示和智能优化控制，同时引入故障预测、诊断，并发展以高级动 态仿真技术为基础的全船稳、动态匹配技术，提高可靠性。其中，提高可靠性 将会是以后研究的重点。目前，民船机舱集中监控系统的可靠性研究已达到了 相当高的水平，其过程级的m t b f 达4 6 0 0 0 小时。 自从上世纪6 0 年代末期我国开始机舱监控系统研制以来，到8 0 世纪初， 微机在船舶机舱监控系统中的应用，取得了一些成就，先后研制了如c j b w 、 j k 8 8 y k 、d y r - 8 8 j 、m c s 9 0 、c w j k 8 8 等型基于微机控制的船用监控系统， 基本都是利用单台微机实现主动力装置自动检测和控制。 目前，国产机舱监控系统以网络化为基础，采用多台微机分级控制、操作、 管理，通过网络连接形成一个整体，硬件上实现模块化单独监控，但信息又通 过网络沟通，具有很高的完整性和可靠性。然而，我国大部分的船舶机舱监控 3 、 、q k 0 武汉理t 大学硕士学位论文 系统还是处于各系统单独监控的状态，很多问题尚未得到根本解决。 从总体水平来看，我国机舱监控技术还存在如下问题：以船舶机舱为整体 的集成综合自动化设计和配套设备水平较低；产品的通用性差，标准化程度低； 制造工艺和安装工艺落后，缺少调试验收的成套设备；元器件和设备的配套能 力差，尤其是各种传感器、执行机构和电气、电磁转换器件的质量不过关；对 机舱监控系统，尤其是对以微机为基础的监控系统的功能、作用认识不足，对 实船应用中出现的一些问题缺乏客观正确的看法；使用人员的素质较低。 为了解决以上存在的问题，我国船舶机舱监控系统的研究必须要从多方面 着手，加强现代控制技术研究，进行专项监控配套设备的研制，从整体出发， 以网络为基础，多模块化和可选择组合性为方向，进一步发展完善，以赶上发 达国家水平。 2 、船舶柴油机安全监控发展现状及趋势 现代纯船舶自动化程度越来越高，机舱的环境和自动控制水平也得到了很 大的提高，对船舶综合监控系统的要求也越来越高。柴油机是船舶上的重要动 力装置，给船舶航行提供必要的动力，同时也通过发电机组给船用设备提供必 要的电力，是船舶航行的关键部位。因而，柴油机安全监控系统是现代化船舶 动力系统最关键设备之一，是保障现代船舶安全航行中的一个必不可少的重要 装置。近年来，伴随着自动控制技术和计算机技术高速发展，柴油机安全监控 系统研究在当今船舶领域中占有重要地位。基于数字化的众多优点，以数字化 为基础的局部网络系统是柴油机安全监控系统发展的必然趋势。 目前，我国船用柴油机数字化仪控系统尚处在起步阶段，船用柴油机仪控 系统大部分都是以模拟量组合单元仪表为主的控制系统，这类控制系统所需仪 表控制器件数量多，大部分采用手动操作，数据显示精度低且控制困难。船用 柴油机数字化监控系统的国产化是我国造船业发展的必由之路，可以突破大功 率船用柴油机等配套产品产能不足、自主开发能力不强的瓶颈。船用柴油机的 安全监控系统将国产控制系统技术引入船舶，提高了船用柴油机监控系统的数 字化程度，可使柴油机控制系统及电、气设备有机结合在一起，控制精度高、 反应及时准确、抗干扰能力强，而且可以适配多种型号的柴油机，具有较好的 通用性。在国内柴油机监测监控系统、船舶及其它行业具有广阔的市场前景和 很好的社会效益1 1 0 】- 1 1 3 】。 由于柴油机动力系统工作条件恶劣，工作过程复杂，偏离正常工况的异常 状况时常发生，其可靠性、安全性一直是人们非常关心的课题。随着自动化程 4 乙 武汉理t 大学硕士学位论文 度的日益提高，从故障出现的事后维修，到定时检测防止故障，到传统的故障 诊断技术，再到基于在线监测的现代智能故障诊断技术，柴油机故障诊断技术 经历了显著变化【1 6 】。 1 2 课题研究背景、目的及意义 近年来，随着船舶机舱自动化程度的提高，对船舶柴油机监控的稳定性和 可靠性提出了更高要求。传统柴油机监测和控制是由硬件结构设计来实现的， 因而各种不同装置都必须研制专门配套的监控系统，造成巨大的财力浪费，且 缺乏互换性，严重影响维修和使用。现代船舶柴油机监控装置采用网络化、模 块化结构设计，其功能由软件编程实现。 船舶柴油机的智能监测技术的引入，可使柴油机控制系统及其它机舱设备 有机结合在一起，既可集中管理，又可分散控制，独立操作，极大提高了船舶 柴油机的自动化程度。同时，还可进行在线智能故障诊断。保证了船舶柴油机 检测的准确性，提高了柴油机的控制精度，船舶航行的安全性以及对紧急情况 响应的快速性。因此，研制船舶柴油机安全监控和故障诊断系统具有很强的实 际应用价值和广阔的市场前景 1 4 1 1 5 l 。 本课题研究的目的是研制安装于柴油机机旁用于监视柴油机关键运行参数 并执行一系列安全报警措施及故障诊断的系统，是具有自主知识产权的柴油机 安全、监测报警及故障诊断系统，以替代国外进口的同类型的设备，在国内柴 油机监测、监控系统、船舶及其它行业具有广阔的市场前景和很好的社会效益， 具有十分现实的意义。 1 3 本文主要研究内容 论文在研究国外同类先进设备情况下，结合c m 6 l 2 1 3 2 型船舶柴油机监控 需求，研制一套船舶柴油机安全监控装置。主要做了以下研究： ( 1 ) 对柴油机安全监控系统的功能分析，结合c m 6 l 2 1 3 2 型船舶柴油机实际 情况，研究了基于p l c 和m c u 的安全监控装置设计方案。 ( 2 ) 研制了柴油机安全监控基本单元。硬件设计和软件编写，实现柴油机温 度、压力等热工参数、开关量信号及转速信号变送、调理和采集；机旁起动、 停车和遥控起动等功能控制逻辑的制定；当参数越限时，输出报警信号，同时 q 武汉理工大学硕士学位论文 实现报警和停车。 ( 3 ) 研制了柴油机安全监控操作显示单元。实现起动、停车及复位等功能按 键操作；实现各参数数码显示和百分比幅值显示；实现报警指示。 ( 4 ) 监控装置内部r s 4 8 5 总线的设计，实现监控装置各模块间数据通讯。 ( 5 ) 在研制监控装置的基础上，提出了故障诊断可行性方案。对故障诊断技 术和方法进行了研究，给出了基于单片机定时捕获技术的瞬时转速测取方法。 1 4 本章小结 本章在充分调研和查阅大量相关文献的基础上，对船舶柴油机安全监控技 术的发展现状、趋势和技术特点进行了总结，提出了本文的研究内容和研究思 路。 6 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章船舶柴油机安全监控装置总体设计 一 ! 心 第宅章主要介绍了监控装置的总体设计方案。分析了包括船舶安全监控系 统功能、装置模块化设计、各模块功能及装置性能特点等。 2 1 船舶柴油机安全监控系统功能分析 船舶柴油机安全监控装置是保证柴油机安全运行的重要电子设备，是船舶 机舱监控系统中的重要部分。 根据需求，柴油机智能监控系统一般需要实现以下功能： ( 1 ) 采集柴油机的压力传感器、温度传感器、热电偶、转速脉冲等模拟量和 开关量输入信号，并进行数据处理、记录、数字化和线性化； ( 2 ) 经采集和处理的输入信号以一定周期发送至报警显示模块，该模块可按 照模拟仪表盘显示方式和趋势显示所采集的数据； ( 3 ) 当超过或低于给定值时，输出报警信号到报警显示模块以及智能报警监 控系统的报警灯，包括报警和停车； ( 4 ) 内部功能程序的执行，如柴油机起动、停车和应急停车程序； ( 5 ) 外部终端控制阀件驱动，如预供泵起动和停车、起动电磁阀、停车电磁阀等； ( 6 ) 与机舱监测报警系统实现串行数据通讯。 本设计要实现的c m 一6 l 2 1 3 2 型船舶柴油机状态监测和诊断系统是一个由 嵌入式微处理器控制的系统，该系统能实现以下功能： ( 1 ) 连续的模拟量监测。 ( 2 ) 单独的安全系统。 ( 3 ) 机上报警指示。 ( 4 ) 操作简单，不需维护。 ( 5 ) 可以方便的与上位机通讯。 同时，在此基础上，提出基于热工参数法和瞬时转速法的故障诊断及预测 可行性方案。柴油机状态监测和诊断结构如图2 1 。 7 、 气 武汉理工大学硕士学位论文 诊断单元 图2 1船用柴油机状态监测和诊断结构 2 2 船舶柴油机安全监控装置总体结构 由于现场总线网络技术的发展，网络化已深入到各行各业的控制系统当中。 当前船舶监控和报警系统也不例外，网络化模块化设计思想成为其主流发展方 向。网络模块化设计思想使得控制系统设计更加灵活，扩展改造更加方便。根 据不同柴油机的需求选择不同的子模块组合，也可以稍加改造即可适应多种机 型需求。同时，也便于维护和维修。 2 2 1 模块化设计 本文设计的船舶柴油机监控装置顺应主流设计方向，采用网络化模块化设 计，允许用户根据自己的需求，灵活地选择不同的模块组合，顺应低复杂程度 监控系统到高度联合监控报警系统的需求。模块化设计思想不但体现在硬件设 计上，同时也体现在软件设计上【1 7 1 。 在硬件设计方面，对监控报警系统的使用需求进行分析，将不同的功能需 求进行归纳整理，整合设计出几种硬件功能模块，每种模块能够安放在几种需 求相似的区域中，满足该区域对柴油机监控系统应用的要求，这样的设计增强 了模块的通用性，减少了模块种类的数量。 一 t i 武汉理工人学硕士学位论文 根据这种设计思想，本文的监控报警系统由安全系统和监测控制系统组成， 监测控制系统分为基本模块、操作模块和显示模块，还可以扩展出诊断模块、 报警模块和输出模块等。 在软件设计上，同样采用模块化的设计思想。这种设计方法是将柴油机监 控系统的功能进行整理，按不同的功能划分出互相独立的软件功能模块，比如 数据采集、参数显示、控制功能、报警处理等，每种软件功能模块都互为独立。 在整个系统中以数据为基础，软件功能模块的运行都是围绕数据进行的，不同 模块之间没有直接联系。 2 2 2 系统的构成 c m 6 l 2 1 3 2 型船舶柴油机安全监控装置主要由两大部分组成：一是监测控 制系统，包括基本单元( 只包含一个基本模块b m ) 、操作显示单元( 包括操作 模块o b 、温度压力监测模块m t p 、排温监测模块m e g ) 及故障诊断单元等； 二是安全系统。 c m 一6 l 2 1 3 2 型柴船舶油机安全监控装置总体结构如图2 2 ： _ 川一一 l 输出警块 报警指示排气温度检压力温度 模块测模块检测模块 iiil nr - ! 鬲、节玷厶1 1 4 8 b 迥讯思线 操作模块l- 一一i 安全p l 基本模块 系统 + 广 一 。l 一 一专一二一一 r 社一e 三、 图2 2c m 6 l 2 1 3 2 型柴船舶油机安全监控装置总体结构 9 、 q k 簟 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 系统各组成部分功能说明 1 安全系统 安全系统是检测和控制柴油机停车功能的独立系统。安全系统实现的自动 控制功能：超速停车、高温水高温停车、润滑油高温停车和集控室中应急停车 开关停车。 2 基本单元 基本单元是柴油机监控的中心部分，只包含一个基本模块，所有柴油机的 控制和检测元件都应连接到基本模块中，可实现柴油机运行数据采集，实时监 控如柴油机转速、增压器转速、燃油进机压力，燃油进机温度等，得出柴油机 的运行状态，实现控制输出，驱动外部终端控制元件，如预供泵起动和停车、 起动电磁阀、停车电磁阀等；必要时进行报警和应急措施，同时将需要显示的 参数和报警以通讯形式发送给显示报警模块。 3 操作显示单元 操作显示单元是安全监控系统的人机交互设备，与基本模块之间通过r s 4 8 5 通讯接口联接，通过微处理器实现按钮操作、数据显示、单位指示和报警指示 等功能。分为三个模块：操作模块、温度压力监测模块和排温监测模块。 操作模块实现起动、停车、遥控、机旁、联锁复位、试灯、u p 和d o w n8 个按键命令；显示三路重要传感器数值百分比的光柱显示，即柴油机转速，增 压器转速，起动空气压力。通过u p 或d o w n 按钮可选择在数码管上显示的参 数，并有指示灯指示该参数的物理单位。通过指示灯指示故障停车，如超速、 滑油压力低、高温水高温和应急停车。温度压力检测模块需要实时显示1 2 路模 拟量及其相应的越限报警指示。排气温度检测模块需要实时显示1 1 路模拟量及 其相应的越限报警指示。 4 输出模块 如果报警系统不能通过m o d b u s 进行连接，为此专门设计了一个输出模 块，该模块包括所有4 2 0 m a 的常用输出信号、极值信号和来自安全系统的信号。 5 报警模块 通过指示灯指示所有的报警，可以安装在集控室，也可以安装在柴油机旁。 6 通讯 为了实现各模块间数据交流，设置了数字接口( r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 ) 及内部r s 4 8 5 总线通讯协议进行传输；同时也设置了数字接口( r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 ) 及通用的传 1 0 k q | - 、 武汉理j = 人学硕士学位论文 输协议( m o d b u sa s c i i 或r 1 u ) 方便地与上位机( 集控室中的监测系统、故 障诊断单元) 通讯完成柴油机数据采集。 2 3 船用柴油机安全监控装置的实现方案 随着单片机技术的发展，数字化应用越来越广泛，在船舶机舱设备中得到 了大量应用，其中柴油机安全监控装置以数字化设计为理念成为未来的趋势。 本文介绍的安全监控装置的安全单元以p l c 控制为核心，监控单元则采用微处理 器为核心。 2 3 1 安全单元 安全控制系统是检测和控制柴油机停车功能的独立系统。使用可编程控制 器( p l c ) 为控制元件，通过检测柴油机的压力、温度和开关量等信号，并输入 至p l c 中，通过程序使相应的紧急停机电磁阀动作，完成柴油机的停机。安全 控制系统能够自动实现以下功能：超速停车、高温水高温停车、滑油低压停车、 应急停车( 设置在集控室) 、各传感器电缆检测、电源及系统故障检测和柴油机 额定速度选择。 ( 1 ) 安全控制系统应有如下输入接口：高温水高温停车( o n o f f ) 、滑油低 压停车( o n o f f ) 、应急停车( o n o f f ) 、转速选择、复位、柴油机转速脉冲输入 和来自监测系统的公共停机。 ( 2 ) 安全控制系统应有如下输出接口：高温水高温停车、滑油低压停车、 应急停车、超速停车、公共停机、用于配电板的公共停机、电缆故障、电源及 系统故障、安全控制系统停机( 本地停机) 、柴油机运行信号、用于淡水预加热 器的运行信号和安全起动信号。 安全控制系统有1 2 路输入，1 4 路输出，所以硬件配置能满足1 2 路输入接 口和1 4 路输出接口。安全系统输入输出对象如表2 1 所示。 - q 气 武汉理_ t 大学硕士学位论文 表2 1 安全系统输入接口 状态 意义流向备注 常开速度脉冲输入来自传感器 常闭油压低时来自传感器基本模块：低电 常开油压正常时合上来自传感器位停车。正常状 常闭水温正常来自传感器 态接收高电位 常开 水温高 来自传感器 常开集控室外部应急停车来自集控室停车开关 常闭集控室外部应急停车来自集控室停车开关 1 0 0 0 r p m 额定转速 常闭来自外接跳线 断开9 0 0 r p m 常开基本模块复位开关来自基本模块 常闭油雾浓度传感器信号进来自传感器 常开油雾浓度传感器信号进来自传感器 常开系统故障有待设定 表2 - 2 安全系统输出接口 状态意义流向备注 常开p l c 内部停车到应急停止阀p l c 控制停车 脉冲版本检测 到p l c 本机指示灯 常闭油雾停到基本模块 常闭淡水停到基本模块 p l c 跟基本模块 常闭滑油停到基本模块 双重控制停车， 常闭超速停到基本模块 各控制一个开关 触点，两触点共 常闭电缆停 到基本模块 用一个停油电磁 常闭电源和系统故障到基本模块 阀 常开现场停车到基本模块 常开大于等于额定速度 常开公共停车联锁 到配电板 常闭预热器到预热器面板 低转速闭合安全启动到基本模块 正常运行闭合， 高转速闭合 转速 2l0 r p m + 3 5 s 1 2 i - 1 k 武汉理下大学硕士学位论文 2 3 2 监控单元 监测单元以微处理器控制为核心，包括基本模块( b m ) 、操作模块( o b ) 、 温度压力监测模块( m t p ) 和排温监测模块( m e g ) 等四部分及相关安装附件。 监测系统应能够实现以下功能：本地起动停机、遥控起动停机、起动联锁( 包 括盘车机啮合、滑油预供油等等影响柴油机起动安全的项目) 、超速停车、高温 水高温停车、滑油低压停车、柴油机各参数显示、报警、补气系统及起动油门 限制系统控制、各传感器电缆检测、电源及系统故障检测、柴油机额定速度选 择、冷却水静压补偿、通过数字接口( r s 4 2 2 r s 4 8 5 ) 及通用的传输协议 ( m o d b u sa s c l l 瓜u t ) 与上位机( 集控室中的监测系统) 通讯、通讯地址设 置和提供配电板控制需要的信号。 1 、基本模块 基本模块以微处理器控制为核心，所有柴油机的控制和检测元件都应连接 到基础模块中。各温度、压力等运行参数以数字形式存贮在特定地址的单元中。 各参数可以通过数字接口( r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 ) 及通用的传输协议( m o d b u sa s c i i 或i 删) 方便地与上位机( 集控室中的监测系统) 通讯完成柴油机数据采集。 在基本模块中，能够处理并显示以下传感器的输入：高温水温度、高温水 进机压力、低温水进机温度、低温水进机压力、滑油进机温度、滑油进滤器压 力、滑油出滤器压力、滑油进增压器压力、燃油进机压力、燃油进机温度、柴 油机转速、增压器转速、各缸( 1 - 9 缸) 排气温度、增压器涡轮进口温度、增压 器涡轮出口温度、增压空气温度、增压空气压力、起动空气压力、发电机定子 绕组温度。 在基本模块中，也应能够处理以下开关量的输入：油底壳液位高、油底壳 液位低、高压油管泄漏、补气传感器、控制空气压力、盘车装置啮合、遥控起 动、遥控停机、遥控复位、来自安全控制系统的高温水高温停车、滑油低压停 车、应急停车、超速停车、来自安全控制系统的电缆故障、电源及系统故障和 安全控制系统停机( 本地停机) 。 在基本模块中，能够根据传感器的输入产生3 1 路报警量。每个参数都设有 报警阈值，超过阈值范围即产生报警。基本模块产生的报警量见表2 3 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3 基本模块产生的报警量 代码中文名称英文名称阈值受控变量 t a h l 2 高温水高温 h i g hh t 佾腼rt e m p9 0 0t a h l 2 砌1 2 - 2 高温水高温 h i g hh t m rt e m 艘9 3 0t a h l 2 2 砌2 l滑油进机温度高h i g hl u b o 【lt e m p8 0 。 t a h 2 l e x h g a st e m bh i g ho r t d a h 6 0缸排气温度高低y + 5 0 0t d a h 6 0 l o w e x h g a st e m be a c hc y l t a h 6 0 废气排气温度高 4 6 5 0t a h 6 0 h i g h e g a st e m et c i n 1 = a h 6 2 废气进增压器高温 5 7 0 0t a h 6 2 h i g h e x h g a s t e m et c i n t a