淺談船舶機(jī)艙監(jiān)視與報警系統(tǒng)

杜興

摘 要：該文主要介紹船舶機(jī)艙集中監(jiān)視與報警系統(tǒng)的組成和功能，對系統(tǒng)各組成單元分類、信號采集到信號輸出流程、模擬量和開關(guān)量的相互轉(zhuǎn)換等進(jìn)行了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：機(jī)艙 監(jiān)視和報警系統(tǒng) 開關(guān)量 模擬量

中圖分類號：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0069-02

1 監(jiān)測報警系統(tǒng)的功能和組成

1.1 監(jiān)視報警系統(tǒng)的功能

監(jiān)測報警系統(tǒng)對全船重要電氣和機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和安全信息進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障，并進(jìn)行故障報警，便于輪機(jī)管理人員及時排除故障。對于不同的監(jiān)視報警系統(tǒng)，由于其具體的組成和工作原理不同，在功能上也會存在一定的差異，但作為監(jiān)視與報警系統(tǒng)一般都應(yīng)該具備以下幾種功能：（1）數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。（2）聲光報警。（3）參數(shù)與狀態(tài)顯示。（4）打印報警記錄。（5）報警延時。（6）延伸報警。

此外監(jiān)視與報警系統(tǒng)還應(yīng)有3 min的失職報警、值班呼叫、自檢、備用電源的自動投入等功能。

1.2 監(jiān)視報警系統(tǒng)的組成

一個完善的監(jiān)視與報警系統(tǒng)由三大部分組成：（1）分布在機(jī)艙各監(jiān)視點的傳感器。（2）安裝在集中控制室內(nèi)的控制柜和監(jiān)視儀表或監(jiān)視屏。（3）安裝在駕駛臺、公共場所、輪機(jī)長和輪機(jī)員居室的延伸報警箱。

2 機(jī)艙監(jiān)視與報警系統(tǒng)的分類介紹

2.1 監(jiān)視參數(shù)的分類

機(jī)艙內(nèi)需要監(jiān)視的參數(shù)可分為兩類：一類是開關(guān)量；另一類是模擬量。

開關(guān)量是指只有兩個狀態(tài)的量，這兩個狀態(tài)通常表現(xiàn)為開關(guān)的斷開和閉合。在船舶機(jī)艙中開關(guān)量可以反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)視與報警系統(tǒng)能對這些開關(guān)量進(jìn)行顯示，需要報警的則發(fā)出聲光報警。就船舶機(jī)艙而言，開關(guān)量往往來自操作臺工控制箱的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器或是來自現(xiàn)場設(shè)備的行程開關(guān)、液位開關(guān)等。

模擬量是指連續(xù)變化的量，例如溫度、液位、壓力和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。監(jiān)視與報警系統(tǒng)應(yīng)能對這些模擬量進(jìn)行實時顯示，如果參數(shù)超過預(yù)定的范圍，則應(yīng)發(fā)出聲光報警。

2.2 監(jiān)測方法的分類

監(jiān)視與報警系統(tǒng)的各類很多，但所采用的監(jiān)視方法無非有兩類：一類是采用連續(xù)的監(jiān)測方法；另一類是采用掃描的監(jiān)測方法。

連續(xù)監(jiān)測是指機(jī)艙中的所有監(jiān)測點的參數(shù)并行的送入監(jiān)視與報警系統(tǒng)，并對所有的監(jiān)測點的狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)的核心元件是報警控制單元。每個監(jiān)測點需要一個獨(dú)立的電路進(jìn)行測量和產(chǎn)生報警信號，測量結(jié)果和報警信息送至公共的顯示和報警電路，但在設(shè)計上通常將多個類型的參數(shù)的電路制成一塊電路板。采用這種監(jiān)測方法的監(jiān)視與報警系統(tǒng)，各監(jiān)視點之間的相互影響較小，但所需硬件較多，造價較高。

掃描監(jiān)測是以一定的時間間隔依次對各個監(jiān)視點的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行掃描，將監(jiān)視點信息逐一送入監(jiān)視與報警系統(tǒng)進(jìn)行分時處理。掃描監(jiān)測方法可采用常規(guī)的集成電路和微型計算機(jī)來實現(xiàn)。目前大多數(shù)的船舶均采用基于微機(jī)技術(shù)的監(jiān)視與報警系統(tǒng)。

3 機(jī)艙的數(shù)據(jù)采集

監(jiān)視與報警系統(tǒng)工作的第一步便是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)視與報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是由安裝在機(jī)艙內(nèi)的各監(jiān)測點的傳感器來完成的。測量單元是監(jiān)視與報警系統(tǒng)的重要組成部分，它對監(jiān)測點的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測量，并將轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別的信號送入系統(tǒng)。

3.1 傳感器

傳感器的功能是將機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于報警裝置處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。在機(jī)艙中，傳感器的各類多種多樣，其原理也各不相同。機(jī)艙內(nèi)常用的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器等。

3.2 變送器

測量單元是反饋控制系統(tǒng)的重要組成部分，它通常由各種各樣的測量傳感器和信號變送器組成，變送器的作用就是將傳感器采集的信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的氣壓信號或者電信號。

4 監(jiān)視與報警系統(tǒng)的微機(jī)控制

4.1 開關(guān)量信號與模擬量信號的相互轉(zhuǎn)換

4.1.1 開關(guān)量轉(zhuǎn)換成模擬量

開關(guān)量轉(zhuǎn)換模擬量是由D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。

D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)。

（1）分辨率。分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸入數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。例如，滿量程為10 V的8位DAC芯片的分辨率位39 mV。

（2）轉(zhuǎn)換精度。如果不考慮D/A轉(zhuǎn)換的誤差，DAC轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小，因此，要獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，首先要選擇有足夠高分辨率的DAC。

D/A轉(zhuǎn)換精度分為絕對和相對轉(zhuǎn)換精度，一般是用誤差大小表示。DAC的轉(zhuǎn)換誤差包括零點誤差、漂移誤差、增益誤差、噪聲和線性誤差、微分線性誤差等綜合誤差。

絕對轉(zhuǎn)換精度是指滿刻度數(shù)字量輸入時，模擬量輸出接近理論值和程度。它和標(biāo)準(zhǔn)電源的精度、權(quán)電阻的精度有關(guān)。相對轉(zhuǎn)換精度指在滿刻度已經(jīng)校準(zhǔn)的前提下，整個刻度范圍內(nèi)，對應(yīng)任一模擬量的輸出與它的理論值之差。它反映了DAC的線性度。通常，相對轉(zhuǎn)換精度比絕對轉(zhuǎn)換精度更有實用性。

相對轉(zhuǎn)換精度一般用絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)來表示，有時也用最低位（LSB）的幾分之幾表示。例如，設(shè)VFS為滿量程輸出電壓5 V，n位DAC的相對轉(zhuǎn)換精度為±0.1%，則最大誤差為±0.1%VFS=±5mV。

（3）非線性誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分?jǐn)?shù)度量。轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計一般要求非線性誤差不大于±1/2LSB。

（4）轉(zhuǎn)換速率/建立時間。轉(zhuǎn)換速率實際是由建立時間來反映的。建立時間是指數(shù)字量為滿刻度值（各位全為1）時，DAC的模擬輸出電壓達(dá)到某個規(guī)定值（比如，90%滿量程或±1/2LSB滿量程）時所需要的時間。endprint

建立時間是D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù)。很顯然，建立時間越大，轉(zhuǎn)換速率越低。不同型號DAC的建立時間一般從幾個毫微秒到幾個微秒不等。若輸出形式是電流，DAC的建立時間是很短的；若輸出形式是電壓，DAC的建立時間主要是輸出運(yùn)算放大器所需要的響應(yīng)時間。

4.1.2 模擬量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量

在監(jiān)視與報警系統(tǒng)中需要將傳感器所采集的模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以識別的開關(guān)量信號。模擬量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量是由A/D轉(zhuǎn)換器來完成的。

A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)。

（1）轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時間的倒數(shù)，是一個很重要的指標(biāo)。ADC型號不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。

（2）轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度由模擬誤差和數(shù)字誤差組成。模擬誤差是比較器、解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻值以及基準(zhǔn)電壓波動等引起的誤差。數(shù)字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差，前者屬于非固定誤差，由器件質(zhì)量決定，后者和ADC輸出數(shù)字量位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多誤差越小。

4.2 監(jiān)視與報警系統(tǒng)信號的輸入

4.2.1 開關(guān)量信號的輸入

在監(jiān)視與報警系統(tǒng)中常用的開關(guān)量輸入方法是將某個開關(guān)量信號通過電平轉(zhuǎn)換后送至某個字節(jié)中，計算機(jī)通過判斷該字節(jié)位是“0”還是“1”來識別其開關(guān)狀態(tài)。這就是開關(guān)量輸入的基本原理。開關(guān)量的輸入首先必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路將觸點的通斷轉(zhuǎn)換成計算機(jī)電路能夠識別的邏輯電平，同時還要考慮濾波、去抖動以及信號隔離等措施。然后再接到并行接口的輸入端口，由計算機(jī)以字節(jié)為單位進(jìn)行輸入。

4.2.2 模擬量信號的輸入

在船舶機(jī)艙中，柴油機(jī)的排煙溫度、缸套水溫度、燃油壓力、流量、艙室液位和轉(zhuǎn)速等非電物理量都是先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大和處理后得到標(biāo)準(zhǔn)的電壓模擬量，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別和處理的數(shù)字量并由計算機(jī)讀入系統(tǒng)。

模擬量的信號采集、模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換以及信號向計算機(jī)的送入都是由模擬量的輸入通道來完成的。對于不同的應(yīng)用場合，不同系統(tǒng)有著不同的輸入通道結(jié)構(gòu)形式。對于船舶機(jī)艙而言普遍采用的是多用通道共用一個A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式。

4.3 監(jiān)視與報警系統(tǒng)信號的輸出

監(jiān)視與報警系統(tǒng)對輸入電路的模擬量和開關(guān)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，還需要對信息進(jìn)行輸出。數(shù)字量的輸出信息有三類：二進(jìn)制編碼數(shù)字、脈沖依賴和“1”或“0”的開關(guān)量信號。目前很多新型監(jiān)視與報警系統(tǒng)都具有控制功能，已經(jīng)超越傳統(tǒng)意義上的監(jiān)視與報警系統(tǒng)而成為集監(jiān)視與報警控制為一體的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)。

在控制系統(tǒng)中，有一類執(zhí)行機(jī)構(gòu)有用脈沖來控制的，如步進(jìn)電機(jī)等。脈沖輸出一般需要專門的脈沖發(fā)生和控制電路，輸出的脈沖頻率和脈沖個數(shù)則由計算機(jī)通過串行或并行輸出接口進(jìn)行控制。另外，馬達(dá)的啟停、閥門的開關(guān)等控制要求CPU送出開關(guān)控制信號；系統(tǒng)的狀態(tài)應(yīng)通過指示燈進(jìn)行指示，出現(xiàn)報警時還應(yīng)輸出報警信息。這些功能通過開關(guān)量的輸出電路來實現(xiàn)。

開關(guān)量的輸出通常有TTL電平邏輯信號輸出、電子無觸點開關(guān)輸出和繼電器輸出等幾種輸出形式。為了保證計算機(jī)安全、可靠的工作，輸出部分要加光電隔離電路。同時為驅(qū)動繼電器或其他執(zhí)行部件，輸出通道一般要加功率放大電路。

5 結(jié)語

該文對該系統(tǒng)的功能組成、分類以及信號的采集和處理等進(jìn)行了簡單的介紹，每個自動化控制系統(tǒng)都是按從信號采集、信號處理、信號輸出再到反饋控制的工作流程來進(jìn)行工作的。當(dāng)然一個完整的自動化監(jiān)控系統(tǒng)為了采用硬件電路來完成某種特定任務(wù)，含必須編制相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件來配合其硬件電路的工作。

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