基于以太網(wǎng)的船用柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

汪恬

摘要：柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)參數(shù)越限時(shí)會(huì)及時(shí)提醒操作人員消除安全隱患，因此研制船用柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。本文根據(jù)當(dāng)前柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用需求，結(jié)合以太網(wǎng)總線的特點(diǎn)，展開了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)操作顯示單元實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示以及報(bào)警的功能。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；安全監(jiān)測(cè)；以太網(wǎng)

一、引言

本文以船舶柴油機(jī)為對(duì)象，結(jié)合當(dāng)今飛速發(fā)展的以太網(wǎng)技術(shù)，研制了一套功能完善、操作界面友好的柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控儀由微型計(jì)算機(jī)控制的，能精確監(jiān)測(cè)顯示柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、油壓、水溫、油溫和排溫等參數(shù)，并能根據(jù)與用戶設(shè)定值比較，對(duì)越限參數(shù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；另還設(shè)定有停機(jī)保護(hù)功能，參數(shù)越限超過停機(jī)值，則發(fā)出停機(jī)信號(hào)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

2.1 系統(tǒng)功能分析

根據(jù)船舶安全運(yùn)行需求，柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：

1.采集柴油機(jī)各路壓力信號(hào)、溫度信號(hào)、轉(zhuǎn)速脈沖等模擬量以及開關(guān)量輸入信號(hào)，并對(duì)上述的信號(hào)顯示記錄。

2.將處理后的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至操作顯示單元，上位按照模擬儀表盤或列表顯示示采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，為后續(xù)維修診斷提供依據(jù)。

3.當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過或低于預(yù)定值時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)到操作顯示單元。

根據(jù)系統(tǒng)控制功能要求，圖1所示柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)及系統(tǒng)間關(guān)系。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由安保單元、監(jiān)測(cè)控制單元和操作顯示單元三部分組成，各部分之間電氣連接關(guān)系如圖2所示：

安保單元是監(jiān)測(cè)和控制柴油機(jī)停車功能的獨(dú)立系統(tǒng)。通過監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速量等信號(hào)，并輸入至單片機(jī)中，數(shù)據(jù)處理程序做出相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作，完成柴油機(jī)安全保護(hù)功能。安保單元能夠?qū)崿F(xiàn)超速停車、高溫水高溫停車、滑油低壓停車、應(yīng)急停車（設(shè)置在集控室）、各種傳感器的電纜檢測(cè)、系統(tǒng)的電源及故障檢測(cè)。同時(shí)將上述開關(guān)量和模擬量信號(hào)經(jīng)過處理后通過串口通信發(fā)送到監(jiān)測(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)通訊。

監(jiān)測(cè)控制單元是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)及報(bào)警、通訊等功能。監(jiān)測(cè)控制單元接受監(jiān)測(cè)部件（傳感器、接線等）送來的信號(hào)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、通訊傳輸、報(bào)警判斷等工作，并通過電控部件（繼電器、電磁閥）實(shí)現(xiàn)控制的功能。

操作顯示單元主要接收來自監(jiān)測(cè)控制單元參數(shù)數(shù)據(jù)并予以顯示，當(dāng)監(jiān)控量越限時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，操作顯示單元的安全停車設(shè)定值應(yīng)調(diào)整到比安保單元中的設(shè)定值稍高/稍低，以保證在危險(xiǎn)的情況下應(yīng)用安保單元停車。當(dāng)安保單元發(fā)生故障時(shí)，操作顯示單元中的安全停車也能夠起作用。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用16位微控制器作為主控制器，控制器通過接口電路采集柴油機(jī)各狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)處理以及邏輯判斷，根據(jù)判斷結(jié)果決定是否輸出繼電器控制信號(hào)，另外其與操作顯示單元通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

（1）MCU選型

本次設(shè)計(jì)采用的XC2267是英飛凌（infineon）公司基于C166架構(gòu)的16位單片機(jī)，其具有很寬的工作環(huán)境溫度范圍，可以從-40℃到 +125℃，另外其還有許多優(yōu)秀特性：

MCU 82kB片上RAM（2kB DPRAM，16kB DSRAM，64kB PSRAM）

16通道10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶4.1V精密電壓參考

SPI通訊的12位 D/A 轉(zhuǎn)換

其帶有16通道的AD轉(zhuǎn)換，便于數(shù)據(jù)的采集處理，并且?guī)в?4位的地址，8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線，方便對(duì)外圍控制芯片的控制操作，因此本文采用infineon單片機(jī)SAK-XC2267-96F作為現(xiàn)場(chǎng)分布式單元的主控芯片。

（2）溫度測(cè)量調(diào)理電路

監(jiān)測(cè)控制單元需要采集15路的溫度參數(shù)，溫度范圍分為0～200℃和0～800℃，分別采用熱電阻和熱電偶來實(shí)現(xiàn)。

熱電阻測(cè)量調(diào)理電路如圖3，采用減法運(yùn)算式的恒流源測(cè)溫電路，恒流源給熱電阻提供激勵(lì)電流，熱電阻接在JN和JG之間，對(duì)應(yīng)0～200℃的電壓信號(hào)從NO_PT輸出。

熱電偶測(cè)量采用K型熱電偶芯片MAX6675，其溫度測(cè)量范圍為0℃～1024℃，MAX6675作為一種在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)專用測(cè)量熱電偶的器件，本身芯片內(nèi)部已集成冷端補(bǔ)償電路（補(bǔ)償溫度范圍-20℃～80℃）。同時(shí)芯片本身還有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的能力，包括信號(hào)的線性處理和放大、溫度的冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換精度12位）以及SPI串口數(shù)字化輸出這些功能，這些為其后續(xù)電路的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。

熱電阻和熱電偶測(cè)量的溫度信號(hào)直接送到模擬切換開關(guān)，模擬切換開關(guān)順序的輸出各路溫度信號(hào)到調(diào)理電路，調(diào)理電路輸出信號(hào)NO_PT，SPI_Ther到放大電路，放大后送到AD采樣單元。

（3）壓力測(cè)量調(diào)理電路

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要采集滑油壓力、燃油壓力等壓力信號(hào)，一般的壓力傳感器輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，設(shè)計(jì)中采用150Ω 1‰精密電阻將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在后端通過放大電路放大轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)，使其電壓分布在AD輸入能夠接受的范圍內(nèi)，以利于提高分辨率和精度，其測(cè)量電路圖如圖5所示。

（4）轉(zhuǎn)速測(cè)量調(diào)理電路

機(jī)旁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以及增壓器轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍分別是0～1400 rpm和0～80000 rpm，采用接近開關(guān)式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測(cè)量采集。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器不需要外接電源，其通過飛輪凸齒改變磁通變化輸出的波形類似于正弦波，接口電路需要將正弦波整形成方波信號(hào)輸入主控單元，再通過在固定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)方波數(shù)目從而得出轉(zhuǎn)速。其調(diào)理電路如圖7所示，轉(zhuǎn)速信號(hào)從CD_ROT1輸入，先經(jīng)過兩次二階濾波，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器將濾波后的干凈信號(hào)整形成為方波進(jìn)行輸出，轉(zhuǎn)速傳感器得到的方波信號(hào)經(jīng)波峰限制處理后送入XC2267單片機(jī)的定時(shí)捕捉模塊，用其內(nèi)部硬件計(jì)數(shù)器完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量，其中BAT54S將方波的峰值限制在0～5V范圍內(nèi)，使之成為單片機(jī)控制器易于接受的TTL方波。

（4）以太網(wǎng)接口電路

ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片是帶有SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，可以直接連接到配有以太網(wǎng)控制端口的MCU中，如圖7所示為以太網(wǎng)控制器接口電路。

ENC28J60屬于CMOS器件范疇，其設(shè)計(jì)工作電壓為3.3 V，但SPI控制端口和RESET引腳均接受5V電壓，只需將網(wǎng)絡(luò)芯片與MCU的地連接統(tǒng)一，這樣就滿足了5V電壓工作的嵌入式系統(tǒng)。

2、監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）監(jiān)測(cè)控制單元的數(shù)據(jù)采集和處理

監(jiān)測(cè)控制單元每一個(gè)傳感器要采集多路信號(hào)，設(shè)計(jì)采用多路復(fù)用開關(guān)進(jìn)行測(cè)量路數(shù)的轉(zhuǎn)換，這樣既擴(kuò)展了AD采集的路數(shù)，又減少了I/O占用量，設(shè)計(jì)中主程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)的邏輯進(jìn)行判斷，在中斷中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和通道的轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)的采集過程如圖9所示：

（2）通訊程序設(shè)計(jì)

通訊主程序如圖10所示，操作顯示單元作為主機(jī)，首先發(fā)出以太網(wǎng)幀，以太網(wǎng)幀分為IP幀和ARP幀，當(dāng)為ARP幀時(shí)則實(shí)現(xiàn)IP地址和MAC地址的對(duì)應(yīng)，并建立ARP緩存，當(dāng)為IP幀時(shí)則完成對(duì)IP數(shù)據(jù)的解析，解析后進(jìn)入傳輸層，若為ICMP幀則需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)IP之間的ping的操作，當(dāng)為Udp幀時(shí)其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向應(yīng)用層的傳送，進(jìn)入應(yīng)用層后數(shù)據(jù)按照Modbus形式通過函數(shù)進(jìn)行解包，然后讀取保持寄存器的值后再打包成Modbus的形式向操作顯示單元回復(fù)數(shù)據(jù)。本次的數(shù)據(jù)通訊格式如表4-3所示：

3、操作顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)主界面

操作顯示單元采用步科的MT4414TE型號(hào)觸摸屏來設(shè)計(jì)，組態(tài)界面采用步科圖形化編程軟件EV5000來進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主界面主要包括主機(jī)轉(zhuǎn)速、尾軸轉(zhuǎn)速、滑油、燃油、廢氣、淡水壓力以及緊急停機(jī)、本地控制等一些開關(guān)量。另外在每個(gè)界面的下方都有快捷菜單，可以實(shí)現(xiàn)返回主界面，返回上一個(gè)界面以及查看報(bào)警列表的功能，其主界面設(shè)計(jì)如圖11所示：

導(dǎo)航界面中主要包含一些主機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，通過對(duì)此界面的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓、水溫等參數(shù)界面的快速訪問，其設(shè)計(jì)界面如圖12所示：

四、小結(jié)

依托infineon 16位的微控制器研制的船用柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依據(jù)其功能特點(diǎn)完成編寫相關(guān)軟件及一系列相關(guān)測(cè)試。并制定了上位機(jī)開發(fā)方案，通過組態(tài)軟件編寫操作顯示單元的顯示界面，完成了以太網(wǎng)總線數(shù)據(jù)在操作顯示單元的顯示、存儲(chǔ)。通過聯(lián)調(diào)和測(cè)試，顯示精度、控制功能等指標(biāo)均符合預(yù)期的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張顯庫，任光，等.綜合船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國造船，2002，43（2）：44-46.

[2]梁偉.船舶機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

[3]鄭明勇.船舶柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控裝置的研制[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[4]吳卓成，黃文君.船用柴油機(jī)智能報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國造船，2009，20（4）：24-26.

[5]王尚勇，楊青.柴油機(jī)電子控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.