船舶修理改装中推进系统信号转换器的设计与实践

徐百汇，梁前超，孙 波 ，许旭洲

(1.东海舰队 装备部，浙江 宁波 316000；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033；3.海军91860部队 装备部，浙江 宁波 312000；4.4802工厂，海南 三亚 512000)

船舶修理改装中推进系统信号转换器的设计与实践

徐百汇1，梁前超2，孙 波3，许旭洲4

(1.东海舰队 装备部，浙江 宁波 316000；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033；3.海军91860部队 装备部，浙江 宁波 312000；4.4802工厂，海南 三亚 512000)

文章针对某大型船舶修理改装过程中，需要对其原先的电推进系统控制信号进行数据采集、集中转换及数字处理的情况，设计一套大容量高精度信号转换器(型号HGD-GT15)达到数字化、集成化目的。结果表明，在实船应用中，该装置能够达到数据采集转换精确及可靠、满足电推进系统的要求，并且取得了令人满意的效果，可以作为其他需要进行数字化修理改装船舶的参考。

船舶修理;电推进系统；改装；信号采集

船舶综合电力推进系统由于具有很高的经济性、机动性及可靠性等优势，已成为未来船舶动力的发展方向之一[1]。在一些大型船舶修理改装过程中，必须要用到动力装置数字化改装的问题，对于推进系统的各种海量参数信息进行数字化及快速采集，以满足电推进系统的要求，需要转换的推进系统参数众多，如推进功率、转速、电压、电源、转向角等上千个[2]参数。所以转换器的设计要求非常高，除了数字化处理速度快以外，还要求集成度好、精度高、失真度小、误差小等。良好的电路原理设计、成熟的电路开发及软件编写都有较高的要求[3]。

1 系统信号采集原理及改装方案

动力装置数字化改装的过程中必须对推进系统的各种海量参数信息进行数字化快速采集。其中用到的参数信息化电路较多,例如:①转速—电流转换器，原理为：单片机采集安装在电机上的光电编码器输出的速度信号，然后经过标准的4～20 mA转换电路，输出标准的4～20 mA电流。②角位移—电流转换器，原理为：单片机采集安装在电机上的绝对编码器输出的角位移信号，然后经过标准的4～20 mA转换电路，输出标准的4～20 mA电流。③电压—电流转换器：原理为：经过相应的电压传感器，单电机采集传感器输出的信号变换成标准的4～20 mA电流信号。④电流—电流转换器，原理为：经过相应的电流传感器，单电机采集传感器输出的信号变换成标准的4～20 mA电流信号。因此需要设计专用、综合转换器。

大容量高精度信号转换器(型号HGD-GT15)：对于推进系统的多种海量信息，需要转换的参数众多，如推进功率、转速、电压、电源、转向角等，有时达到上千个参数。通过相应的电路及单片机处理把转速信号转换为标准的4～20 mA电流信号,以便于集中采集及标准化处理，最后经过数模转换及编程送到单片机中运算处理。进一步对其电推进系统控制信号进行数据采集、集中转换及数字处理后，设计了一套大容量高精度信号转换器(型号HGD-GT15),用于实际监测系统中。

其电路工作原理如图1所示。转换器通过单片机优化处理消除了起始死区，没有零点漂移问题，线性度好，转化器内部采用光电隔离技术，抗干扰能力强。采用低功耗元器件，稳定性好、可靠性高、连续运行不需要校验和维护等优势。

图1 采集系统原理总图

2 转换器性能指标要求

转速—电流转换器、角位移—电流转换器、电压—电流转换器、电流—电流转换器等转换器是自动化仪表和计算机控制系统中的重要转换单元。他们与相应的传感器配套，可以将相应的转速、角位移、380 V电压、大电流线性的转换成4～20 mA标准电流，实现检测调节、系统控制的需要。其准确度、稳定性、可靠性，直接影响整个控制系统的工作质量。具体信号指标如下：①输入信号，速度、角位移、电压、电流；②输出电流，4～20 mA；③负载电阻，<500 Ω(包括线路电阻)；④使用电源，DC24 V；⑤工作方式，连续工作；⑥功耗低于2 W。

以上所有工作电路的转化器设计必须满足国家标准要求和船舶检验要求。

3 采集电路板设计

为满足船舶系统对各种采集参数的要求，转换器必须通过单片机优化处理消除起始死区，解决速度快、没有零点漂移、线性度好等问题[4]。转化器内部采用光电隔离技术，抗干扰能力强。具体设备清单见表1所示。具体要求是：①安装尺寸：长20 cm 、宽15 cm 的电路板；②安装方式：板前标准的插接线插头即输入16针，输出12针。

表1 设备清单

4 典型工况试验

为验证HGD-GT15型信号转换器的实际应用效果，我们专门设计和编制了推进系统控制信号的采集处理、显示系统，进行了推进系统典型工况试验，用来验证转换器数字化精度和采集系统容量。采集系统具体应用在涉及的船舶修理改装过程中时，推进系统典型工况试验如图2所示，电流/电压—电流转换器连接如图3所示。系统的运行速度及精度达到了船舶规范的要求。通过对所建系统进行分析，得到了一系列参数的不同响应数据及误差范围。

表2为实验过程中数据的采集、标准化处理及误差计算等。从表2可以看出优化设计的数字采集、转换、显示、控制系统，较好地满足该电推进系统的实时性要求，具有高可靠性、实时纠错、自行诊断等功能。误差为2%～6%以内，达到系统通信标准的要求[4-5]。

5 结束语

本文对电推进系统的各模块的数字化具体要求

图2 推进系统典型工况试验图

图3 电流/电压—电流转换器

进行了研究，设计了数据的协调电路及采集系统转换器。通过对所建系统进行分析，得到了一系列参数的不同响应过程并且进行了各个信号的计算误差及分析。

表2 各典型信号采集及检验

研究结果表明：通过推进系统各个数据的采集、实时处理能够保证机组转速及电机端电压、电流信号的采集精度，满足电推进系统要求。

[1]马伟明.船舶动力发展的方向—综合电力系统[J]. 上海海运学院学报,2004,25(1)：1-10.

[2] 孙清磊,杨峰,罗宁昭.船舶电力系统综合记录分析仪研制[J].中国修船，2014(6)：35-37.

[3] L．M．Hajagos，G．R．Bérubé．Utility experience with gas turbine testing and modeling[C]．IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，Columbus，OH，USA.2001(1):52-56.

[4]王超,李雪亭,张海鹏.机电高精度实时测量方法研究[J].中国修船,2015(1)：16-18.

[5]施伟锋,许晓彦.船舶电力系统建模与控制[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

In the process of ship-repair,the control signal of the original electric propulsion system must be collected and converted into digital signal.In order to reach the goal of digitalization and integration,a set of large capacity and high precision signal converter(HGD-GT15)is urgently needed.The result shows that the signal converter can meet demand of electric propulsion system in the practical application,which can be a reference for other ships that should be digitalized.

ship repair;electric propulsion system;refit;signal collection

湖北协同创新基金(HX2015B1003)

徐百汇(1969-)，男，浙江诸暨人，高级工程师,硕士，主要从事船舶动力装置与管理研究工作。

TK472

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.008

2016-08-23