船舶主机性能指标测试系统的改进

沈张勇 卞根发

（厦门海洋职业技术学院，福建厦门361012）

1 引言

船舶主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机表面的振动响应，其特征与激励源特性、主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。

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。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 系统硬件特性

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。主要测试内容如下：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[1]。

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。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。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 系统功能的提高

监测主机活塞和气缸套的非正常磨损和拉缸故障，需判断其间隙的变化。由于间隙的改变，活塞在气缸内的横向运动起了变化，激励特征的变化将引起缸套振动特征的变化。现场监测时，传感器难以置于缸套上。若置于机体上，所测信号也能反映缸套间隙状态的变化。由于活塞撞击对气缸套和机体的振动具有一定的传递特性，对缸套振动和机体振动进行相关分析，发现机体横向振动的主要激励源是活塞撞击引起的。对气门机构进行运动学和动力学计算结果表明，当气门间隙增大时，气门落座角提前，落座速度和加速度增大，从而导致落座冲击的激励力和激励能量增大。根据这个机理，可以利用气门落座段缸盖振动信号能量参数进行气门间隙的异常诊断。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。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。

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 系统硬件改进

主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。

由STD工业控制机组成智能检测屏，配置激光打印机，显示器、键盘。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，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过程控制中的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 系统软件功能

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。

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。

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]。

该系统考虑到前、后两个部分不同任务的不同特点与要求，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，以利提高软件的质量[5]。

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，以方便使用。

6 结论

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。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。

[1]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： P26-28.

[2]唐泳洪，系统可靠性、故障诊断及容错[M]. 重庆： 重庆大学出版社, 2002.

[3]周慈航. 单片机应用程序设计技术[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社, 2004.

[4]李世平. PC计算机测控技术及应用[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社, 2003.

[5]宋浩, 田丰编著. 单片机原理及应用[M]. 北京： 清华大学出版社, 2005.