浅谈船舶机舱监视与报警系统

杜兴

摘 要：该文主要介绍船舶机舱集中监视与报警系统的组成和功能，对系统各组成单元分类、信号采集到信号输出流程、模拟量和开关量的相互转换等进行了简单介绍。

关键词：机舱 监视和报警系统 开关量 模拟量

中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0069-02

1 监测报警系统的功能和组成

1.1 监视报警系统的功能

监测报警系统对全船重要电气和机械设备的运行参数和安全信息进行监测，及时发现设备运行故障，并进行故障报警，便于轮机管理人员及时排除故障。对于不同的监视报警系统，由于其具体的组成和工作原理不同，在功能上也会存在一定的差异，但作为监视与报警系统一般都应该具备以下几种功能：（1）数据采集和转换。（2）声光报警。（3）参数与状态显示。（4）打印报警记录。（5）报警延时。（6）延伸报警。

此外监视与报警系统还应有3 min的失职报警、值班呼叫、自检、备用电源的自动投入等功能。

1.2 监视报警系统的组成

一个完善的监视与报警系统由三大部分组成：（1）分布在机舱各监视点的传感器。（2）安装在集中控制室内的控制柜和监视仪表或监视屏。（3）安装在驾驶台、公共场所、轮机长和轮机员居室的延伸报警箱。

2 机舱监视与报警系统的分类介绍

2.1 监视参数的分类

机舱内需要监视的参数可分为两类：一类是开关量；另一类是模拟量。

开关量是指只有两个状态的量，这两个状态通常表现为开关的断开和闭合。在船舶机舱中开关量可以反映设备的运行状态。监视与报警系统能对这些开关量进行显示，需要报警的则发出声光报警。就船舶机舱而言，开关量往往来自操作台工控制箱的按钮、转换开关、继电器或是来自现场设备的行程开关、液位开关等。

模拟量是指连续变化的量，例如温度、液位、压力和转速等参数。监视与报警系统应能对这些模拟量进行实时显示，如果参数超过预定的范围，则应发出声光报警。

2.2 监测方法的分类

监视与报警系统的各类很多，但所采用的监视方法无非有两类：一类是采用连续的监测方法；另一类是采用扫描的监测方法。

连续监测是指机舱中的所有监测点的参数并行的送入监视与报警系统，并对所有的监测点的状态及参数进行连续监测。系统的核心元件是报警控制单元。每个监测点需要一个独立的电路进行测量和产生报警信号，测量结果和报警信息送至公共的显示和报警电路，但在设计上通常将多个类型的参数的电路制成一块电路板。采用这种监测方法的监视与报警系统，各监视点之间的相互影响较小，但所需硬件较多，造价较高。

扫描监测是以一定的时间间隔依次对各个监视点的参数和状态进行扫描，将监视点信息逐一送入监视与报警系统进行分时处理。扫描监测方法可采用常规的集成电路和微型计算机来实现。目前大多数的船舶均采用基于微机技术的监视与报警系统。

3 机舱的数据采集

监视与报警系统工作的第一步便是进行数据采集。监视与报警系统的数据采集是由安装在机舱内的各监测点的传感器来完成的。测量单元是监视与报警系统的重要组成部分，它对监测点的运行参数进行测量，并将转换成系统可以识别的信号送入系统。

3.1 传感器

传感器的功能是将机舱内各种设备的运行状态和参数转换成便于报警装置处理的标准信号。在机舱中，传感器的各类多种多样，其原理也各不相同。机舱内常用的传感器有温度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器、转速传感器和转矩传感器等。

3.2 变送器

测量单元是反馈控制系统的重要组成部分，它通常由各种各样的测量传感器和信号变送器组成，变送器的作用就是将传感器采集的信号进一步转换成标准的气压信号或者电信号。

4 监视与报警系统的微机控制

4.1 开关量信号与模拟量信号的相互转换

4.1.1 开关量转换成模拟量

开关量转换模拟量是由D/A转换器来实现的。

D/A转换器的性能指标。

（1）分辨率。分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。例如，满量程为10 V的8位DAC芯片的分辨率位39 mV。

（2）转换精度。如果不考虑D/A转换的误差，DAC转换精度就是分辨率的大小，因此，要获得高精度的D/A转换结果，首先要选择有足够高分辨率的DAC。

D/A转换精度分为绝对和相对转换精度，一般是用误差大小表示。DAC的转换误差包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分线性误差等综合误差。

绝对转换精度是指满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值和程度。它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。相对转换精度指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。它反映了DAC的线性度。通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性。

相对转换精度一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用最低位（LSB）的几分之几表示。例如，设VFS为满量程输出电压5 V，n位DAC的相对转换精度为±0.1%，则最大误差为±0.1%VFS=±5mV。

（3）非线性误差。D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。转换器电路设计一般要求非线性误差不大于±1/2LSB。

（4）转换速率/建立时间。转换速率实际是由建立时间来反映的。建立时间是指数字量为满刻度值（各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90%满量程或±1/2LSB满量程）时所需要的时间。endprint

建立时间是D/A转换速率快慢的一个重要参数。很显然，建立时间越大，转换速率越低。不同型号DAC的建立时间一般从几个毫微秒到几个微秒不等。若输出形式是电流，DAC的建立时间是很短的；若输出形式是电压，DAC的建立时间主要是输出运算放大器所需要的响应时间。

4.1.2 模拟量转换成开关量

在监视与报警系统中需要将传感器所采集的模拟量信号转换成计算机可以识别的开关量信号。模拟量转换成开关量是由A/D转换器来完成的。

A/D转换器的性能指标。

（1）转换速度。转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。ADC型号不同，转换速度差别很大。

（2）转换精度。转换精度由模拟误差和数字误差组成。模拟误差是比较器、解码网络中电阻值以及基准电压波动等引起的误差。数字误差主要包括丢失码误差和量化误差，前者属于非固定误差，由器件质量决定，后者和ADC输出数字量位数有关，位数越多误差越小。

4.2 监视与报警系统信号的输入

4.2.1 开关量信号的输入

在监视与报警系统中常用的开关量输入方法是将某个开关量信号通过电平转换后送至某个字节中，计算机通过判断该字节位是“0”还是“1”来识别其开关状态。这就是开关量输入的基本原理。开关量的输入首先必须经过电平转换电路将触点的通断转换成计算机电路能够识别的逻辑电平，同时还要考虑滤波、去抖动以及信号隔离等措施。然后再接到并行接口的输入端口，由计算机以字节为单位进行输入。

4.2.2 模拟量信号的输入

在船舶机舱中，柴油机的排烟温度、缸套水温度、燃油压力、流量、舱室液位和转速等非电物理量都是先通过传感器转换成电信号，经放大和处理后得到标准的电压模拟量，在经过A/D转换电路转换成计算机能够识别和处理的数字量并由计算机读入系统。

模拟量的信号采集、模拟量向数字量的转换以及信号向计算机的送入都是由模拟量的输入通道来完成的。对于不同的应用场合，不同系统有着不同的输入通道结构形式。对于船舶机舱而言普遍采用的是多用通道共用一个A/D转换器的结构形式。

4.3 监视与报警系统信号的输出

监视与报警系统对输入电路的模拟量和开关量等数据进行分析和处理后，还需要对信息进行输出。数字量的输出信息有三类：二进制编码数字、脉冲依赖和“1”或“0”的开关量信号。目前很多新型监视与报警系统都具有控制功能，已经超越传统意义上的监视与报警系统而成为集监视与报警控制为一体的机舱监控系统。

在控制系统中，有一类执行机构有用脉冲来控制的，如步进电机等。脉冲输出一般需要专门的脉冲发生和控制电路，输出的脉冲频率和脉冲个数则由计算机通过串行或并行输出接口进行控制。另外，马达的启停、阀门的开关等控制要求CPU送出开关控制信号；系统的状态应通过指示灯进行指示，出现报警时还应输出报警信息。这些功能通过开关量的输出电路来实现。

开关量的输出通常有TTL电平逻辑信号输出、电子无触点开关输出和继电器输出等几种输出形式。为了保证计算机安全、可靠的工作，输出部分要加光电隔离电路。同时为驱动继电器或其他执行部件，输出通道一般要加功率放大电路。

5 结语

该文对该系统的功能组成、分类以及信号的采集和处理等进行了简单的介绍，每个自动化控制系统都是按从信号采集、信号处理、信号输出再到反馈控制的工作流程来进行工作的。当然一个完整的自动化监控系统为了采用硬件电路来完成某种特定任务，含必须编制相应的监控系统软件来配合其硬件电路的工作。

参考文献

[1] 林叶锦.轮机自动化[M].大连：大连海事大学出版社，2009.

[2] 张旭，等.船舶机舱监测与报警系统[Z].

[3] 王冬捷.现代轮机监控技术[M].大连海事大学出版社，2008.endprint