电脑仿真技术引入船舶主机性能测试的研究

葛震宇 卞根发，2

（1. 厦门海洋职业技术学院， 厦门 361012； 2. 福州铁路局， 福州 350000）

1 引言

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。船舶主柴油机是相当复杂的机构，既有旋转机械又有往复机械，并且内部存在着众多的激励源，如气缸内气体压力、气门落座瞬态冲击力、活塞不平衡往复惯性力和曲轴不平衡回转惯性力矩以及随机激励等激励力。而这些激励力最终都反应到主柴油机表面的振动响应，其特征与激励源特性、主柴油机的振动传递特性有密切关系。分析主柴油机的故障特征及其表面振动响应的关系是利用振动信号进行主柴油机故障诊断的关键。针对主柴油机的一些常见故障，对这些故障变化最敏感的振动信号参数及特征参数进行分析，这些参数一般应具备以下特点：对相应故障最为敏感，其数值随工况恶化或故障加重而单调增加。

在测取振动信号的过程中要注意测点和采样区间。虽然主柴油机表面的振动都是由内部的激励力产生的，但对应于某一具体故障，在不同的测点取到的信号可能有很大的区别。比如由于气门间隙过大产生的故障，在气缸盖上测取的信号能很好地反映由于气门间隙过大而引起的故障特征，可以作为分析此故障的振动信号。而如果在机体上测取信号，显然不能满足要求。因此，应该把最能反映某一故障变化情况的点作为测点。另外，机体上任何一点的振动都是主柴油机内部激励力的综合反映，但对应于某一激励力的响应信号总是在一个周期内的某一时间段内，这一时间段就是采样区间，对抽取相应的时间区间进行采样。当主柴油机出现某种故障时，相应的激励力增大，而对应的响应信号在作用时间和能量强度等方面将发生改变，据此可能获取特征参数并进行性能测试[1]。

主柴油机转速传感器是用于检测船舶柴油机转速的一种常用传感器，为船舶电气控制系统提供与柴油机转数成比例的电脉冲信号，是柴油机安全、可靠、正常工作测试主要参数之一，为此传感器出厂前或用户在维护时，需对传感器自身质量和性能进行必要检测。传统检测装置基于手工操作，只能进行有限几个性能指标检测，存在精度不高和工作效率低下等缺点。随着电子技术和计算机技术不断发展，尤其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平台。

2 系统硬件

2.1 硬件设计思路

该船用柴油机电脑检测系统是采用微机、通讯、控制、显示等为特征的分散型控制系统。整个系统由前控机和后位机两大部分组成：

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，经过电路的放大整形后，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如下：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等。

2.2 系统总体设计

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，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。

3 系统主要功能

系统的前控机可对现场的柴油机检测数据存盘，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。可以按存盘数据绘制柴油机负荷特性曲线及速度特性曲线等[3]。

系统的后位机则由 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。

4 系统硬件结构

监控系统总体结构图如图1所示。

图1 监控系统总体结构图

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，内存64MB以上电脑,硬盘40GB以上，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、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。

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传感器旋转，并能方便调整其转速，选用电动机作为动力装置，由于步进电动机工作特点适用于测控对象的工作要求，光电传感器的动力装置选用步进电动机。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[2]。

系统的通讯使用 RS-232串行通信接口，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。

5 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。

5.1 前控机监控软件

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。根据系统的功能需求和VB6.0软件的特点，规划前控机功能模块，同时，前控机中的功能模块建立在通讯程序和数据库及数据表的基础上。综上所述，监控软件功能模块规划为： 系统管理、监控管理、浏览打印。

前控机功能模块主要作用：

系统管理模块：完成用户的增减、注册、密码设置、完成系统初始化处理、系统自检、系统退出功能；

监控管理模块：定时采集工作参数，直观显示所测试数据，同时，实现系统故障诊断及处理；

浏览打印模块：用于查询和打印某批次测试参数，便于进行分析和统计。

软件设计是以模块化结构、全开放指导思想，保证系统实时性，运行时尽量减少人工干预和操作、系统初始化参数在线可调、工作状态直观显示，以便于监控和操作。测控与IPC通讯是分布式系统集中管理和分散控制的方式。

5.2 前控机与测控通讯软件

利用AT89C52的串行通讯口及MAX485芯片的接口电路实现与IPC通讯。AT89C52单片机提供与计算机或其他串行设备连接的异步通讯口，而VB6.0提供便于图形化接口的串口操作控件一Mscomm，使AT89C52单片机应用系统与计算机通信操作接口非常友好。

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，两者实现双向通讯。通讯除了硬件电路外，还需统一两者的通讯协议，并分别在前控机和后位机中分别开发通讯模块程序[3]。

后位机读取可编程智能调节器数据程序，主要包括通讯端口初始化、后位机设备通讯建立及验证、发送字符串形成、BCC校验码的形成、数据接收、数据处理及显示等，其测控数据流程如图2所示。

图2 测控数据流程图

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，采用汇编语言编写。系统充分利用电脑的资源共享，开发了与CPU/MEM 兼容的多任务虚拟盘实时操纵系统，软件采用模块化程序设计方法，将各主要模块编制成相应的独立模块，由主控制程序调用，以便修改和扩充。控制程序及主机标定功率，燃油耗修正软件、现场采集管理程序等设计成菜单选择和屏幕提示方式，以便用户使用，STD总线工业控制机程序流程图如图3所示。

图3 工业控制机程序流程图

6 结束语

船舶柴油机的电脑智能检测系统的引入，可使柴油机控制系统及电、气设备有机结合在一起，既可集中管理、集中控制又可分散控制，独立操作；既可在线修改也可集中监测，控制精度高，反应及时准确。尤其是光电转速传感器智能分布式测速系统，不仅功能完善实用，而且具有良好的人机界面，使系统运行灵活高效。系统能全面检测和反映光电传感器运行工况，在系统软、硬件方面采取多种有效措施，使系统具有较强抗干扰能力，具有安全、可靠、实用特点，满足系统功能和设计要求。光电转速传感器的测控仪采用双微处理器结构，并在软、硬件方面采用模块化结构，使其在控制、操作、性能和可靠性方面都得到充分的保证，具有独特的先进性与时代特点，极大地提高了船舶柴油机的自动化程度。主柴油机振动信号不但包含了丰富的频率成分，而且还包含了柴油机内部的大量信息，当柴油机发生故障时，各种故障都或多或少地反映到振动信号中，这正是系统利用振动信号监测柴油机故障的根本原因。系统针对主柴油机的一些常见故障的振动信号，提取出了振动信号中最能反映对应故障变化的特征参数，并利用这些特征参数对相应故障进行诊断，取得了较为满意的效果。除此之外，系统利用主柴油机振动信号还可以进行其它性能的监测，比如利用振动信号识别气缸压力等等，系统仿真技术都作了很有价值的探索[4]。

该系统具有可靠性高，能耗低，抗干扰能力强等优点。保证了船舶柴油机检测的准确性，消除了轮机管理人员的人为误差，同时还可节省大量检测用油量，提高了工作效率，经实践证明该系统具有较高的经济效益，科技含量高，值得推广应用。

[1]李世平.计算机测控技术[M]. 西安：科技大学出版社,2003：16-36.

[2]付家才. 单片机控制工程实践技术[M]. 北京：化学工业出版社，2003：9-28.

[3]卞根发等. 新颖的渔轮主机电脑智能检测系统[J].船电技术, 2006(1)：26-28.

[4]孙培廷等. 船舶柴油机[M]. 大连：大连海事大学出版社, 2002.

[5]史际昌. 船舶电气设备及系统[M]. 大连：大连海事大学出版社,1998. P211-213