船舶主機性能指標測試系統(tǒng)的改進

沈張勇 卞根發(fā)

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院，福建廈門361012）

1 引言

船舶主機是相當復雜的機構(gòu)，既有旋轉(zhuǎn)機械又有往復機械，并且內(nèi)部存在著眾多的激勵源，如氣缸內(nèi)氣體壓力、氣門落座瞬態(tài)沖擊力、活塞不平衡往復慣性力和曲軸不平衡回轉(zhuǎn)慣性力矩以及隨機激勵等激勵力。而這些激勵力最終都反應到主機表面的振動響應，其特征與激勵源特性、主機的振動傳遞特性有密切關(guān)系。分析主柴油機的故障特征及其表面振動響應的關(guān)系是利用振動信號進行主柴油機故障診斷的關(guān)鍵。針對主柴油機的一些常見故障，對這些故障變化最敏感的振動信號參數(shù)及特征參數(shù)進行分析，這些參數(shù)一般應具備以下特點：對相應故障最為敏感，其數(shù)值隨工況惡化或故障加重而單調(diào)增加。

當主柴油機出現(xiàn)某種故障時，相應的激勵力增大，而對應的響應信號在作用時間和能量強度等方面將發(fā)生改變，據(jù)此可能獲取特征參數(shù)并進行性能測試。為滿足實際需要，開發(fā)新一代高性能、實用的光電傳感器測控系統(tǒng)勢在必行。分布式監(jiān)控系統(tǒng)具有分級管理、分散控制和高可靠性的優(yōu)點，引入高效實用的DCS，簡化傳統(tǒng)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既便于維護，又為船舶輪機信息化發(fā)展和應用提供了良好平臺。

2 系統(tǒng)硬件特性

該船用柴油機電腦檢測系統(tǒng)是采用微機、通訊、控制、顯示等為特征的分散型控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由前控機和后位機兩大部分組成。

智能型監(jiān)控系統(tǒng)以計算機作為前控機，以單片機為核心的測控儀作為后位機。為確保系統(tǒng)高可靠性和冗余性，智能分布式系統(tǒng)采用雙方案方式，前控機工作方案和測控儀工作方案，以前控機工作方案為主，測控儀工作方案為輔。系統(tǒng)測控對象以常用的光電轉(zhuǎn)速傳感器為例，簡要介紹其工作原理和主要性能指標。光電轉(zhuǎn)速傳感器利用發(fā)光二極管作為光源，光柵盤在柴油機轉(zhuǎn)軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，利用光柵盤遮擋作用，使光源變?yōu)閿嗬m(xù)光，使光敏管通、斷交替切換而產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過電路的放大整形后，輸出與轉(zhuǎn)速成比例的方波脈沖列。主要測試內(nèi)容如下：轉(zhuǎn)速、脈沖數(shù)、脈沖最低高電平、脈沖最高低電平和脈沖占空比等[1]。

根據(jù)智能分布式系統(tǒng)工作方式要求和硬件組態(tài)設(shè)計思想，采用分層體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)前控機選用具有很高可靠性和適用于工業(yè)環(huán)境IPC(Industrial Personal Computer)，IPC作為管理站，自主開發(fā)測控儀作為現(xiàn)場級?，F(xiàn)場級不僅能獨立工作，而且提供RS-485通信接口，在IPC的RS-232端口加一塊MODELll02 RS232／R 485接口轉(zhuǎn)換模塊，組成RS-485網(wǎng)絡分布式監(jiān)控系統(tǒng)。另外，當某個測控儀通道出現(xiàn)故障時，不影響前控機對其它測控儀監(jiān)控，而當前控機或網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，也不影響現(xiàn)場控制級正常工作。測控儀和工作臺構(gòu)成測控通道，測控儀為所開發(fā)的單片機應用系統(tǒng)，工作臺上安裝光電轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動光電轉(zhuǎn)速傳感器工作的電動機和人機操作接口。

3 系統(tǒng)功能的提高

監(jiān)測主機活塞和氣缸套的非正常磨損和拉缸故障，需判斷其間隙的變化。由于間隙的改變，活塞在氣缸內(nèi)的橫向運動起了變化，激勵特征的變化將引起缸套振動特征的變化。現(xiàn)場監(jiān)測時，傳感器難以置于缸套上。若置于機體上，所測信號也能反映缸套間隙狀態(tài)的變化。由于活塞撞擊對氣缸套和機體的振動具有一定的傳遞特性，對缸套振動和機體振動進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)機體橫向振動的主要激勵源是活塞撞擊引起的。對氣門機構(gòu)進行運動學和動力學計算結(jié)果表明，當氣門間隙增大時，氣門落座角提前，落座速度和加速度增大，從而導致落座沖擊的激勵力和激勵能量增大。根據(jù)這個機理，可以利用氣門落座段缸蓋振動信號能量參數(shù)進行氣門間隙的異常診斷。系統(tǒng)的前控機可對現(xiàn)場的柴油機檢測數(shù)據(jù)存盤，并對存盤的柴油機物理參數(shù)進行數(shù)據(jù)庫管理。前控機還可監(jiān)視后位機的工作狀態(tài)，監(jiān)視當前檢測柴油機的運行情況并可為現(xiàn)場的柴油機采集數(shù)據(jù)設(shè)置高、低限報警參數(shù)。

檢測屏上有進水溫度、出水溫度、機油溫度、機油壓力、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗等參數(shù)采集的數(shù)碼顯示。在檢測中為防止某些參數(shù)引起參數(shù)超限，系統(tǒng)還設(shè)置了各種聲光報警及LED參數(shù)頻閃，越限值在檢測前通過人機會話方式設(shè)定，檢測結(jié)束后可將檢測數(shù)據(jù)以選擇方式或全部參數(shù)打印方式輸出。監(jiān)控定時器可使系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動恢復運行，具有自檢自報功能。電源斷電檢測，當發(fā)生斷電時可將該瞬間狀態(tài)及數(shù)據(jù)等全部保護起來，一旦來電整個系統(tǒng)能實現(xiàn)補償運行。實時日歷鐘能自動記錄主機檢測的日期與時間，也可用LED顯示日期與時間，柴油機油門與水門可進行遠距離操作，動作過程采用了指示燈顯示，發(fā)生故障時有緊急停車及脫機操作功能。

4 系統(tǒng)硬件改進

主機振動信號不但包含了豐富的頻率成分，而且還包含了柴油機內(nèi)部的大量信息，當柴油機發(fā)生故障時，各種故障都或多或少地反映到振動信號中，這正是系統(tǒng)利用振動信號監(jiān)測柴油機故障的根本原因。系統(tǒng)針對主機的一些常見故障的振動信號，提取出了振動信號中最能反映對應故障變化的特征參數(shù)，并利用這些特征參數(shù)對相應故障進行診斷，取得了較為滿意的效果。

由STD工業(yè)控制機組成智能檢測屏，配置激光打印機，顯示器、鍵盤?，F(xiàn)場檢測屏中的STD總線工控機系統(tǒng)由CPU板、存儲器板、人機接口板、系統(tǒng)支持板、通訊板等組成。系統(tǒng)支持板可根據(jù)需要增減，它包含出水溫度與機油壓力采集板，機油溫度與排氣溫度采集板，轉(zhuǎn)速與扭矩采集板，油耗測量采集板等。

該系統(tǒng)中輸入模擬信號如：溫度、壓力等，經(jīng)過信號調(diào)理，然后對其進行采樣、數(shù)碼顯示、最后以標準的BCD碼送入電腦，電腦將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號通過執(zhí)行機構(gòu)進行檢測控制。聲光報警是利用振蕩電路分別驅(qū)動喇叭及發(fā)光二極管，形成聲光效應。STD過程控制中的測控儀是本系統(tǒng)的關(guān)健，根據(jù)光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理和所需測量的性能指標，其硬件設(shè)計為驅(qū)動模塊和測試模塊。驅(qū)動模塊為了驅(qū)動光電傳感器旋轉(zhuǎn)，并能方便調(diào)整其轉(zhuǎn)速，選用電動機作為動力裝置。由于步進電動機工作特點適用于測控對象的工作要求，光電傳感器的動力裝置選用步進電動機。測試模塊則是采用雙AT89C52微處理器,根據(jù)光電轉(zhuǎn)速傳感器所輸出電脈沖信號的特點及所需的測試內(nèi)容進行測控。核心電路為信號調(diào)理及采集電路，其主要作用是把光電轉(zhuǎn)速傳感器15V矩形波信號轉(zhuǎn)換為AT89C52能接受CMOS電平，以實現(xiàn)光電傳感器的脈沖數(shù)、脈沖占空比和相位差等參數(shù)的測試工作[2]。

系統(tǒng)的通訊使用RS-232串行通信接口，現(xiàn)場CRT采用RS-232串行通訊與檢測臺的STD總線工業(yè)控制機屏相連接，數(shù)字化儀與電腦之間采用串行接口，用戶界面采用人機會話。

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對電網(wǎng)干擾問題前控機采用UPS不間斷電源，而對后位機的現(xiàn)場采用濾波電路，通道干擾采用光電隔離，空間干擾采用多種屏蔽，并對系統(tǒng)的接地也做了精心設(shè)計，通過以上措施及程序的周密設(shè)置，使該系統(tǒng)在船舶上遇到高頻等干擾及較惡劣的機艙環(huán)境中也能正常運行，檢測出的各項參數(shù)精度均可達到國際標準，符合要求。

5 系統(tǒng)軟件功能

監(jiān)控系統(tǒng)不僅監(jiān)測測控通道運行狀況，而且用戶可通過其提供的人機界面進行后位機初始化、發(fā)送控制命令，并控制后位機設(shè)備動作。因此，所開發(fā)監(jiān)控軟件必須具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通訊、設(shè)備控制、人機交互和報警等基本功能，以及數(shù)據(jù)存儲、分析、打印等輔助的數(shù)據(jù)管理功能。計算機監(jiān)控主要利用前控機對各控制器工作參數(shù)全面監(jiān)視和控制，在前控機監(jiān)督和指導下完成光電轉(zhuǎn)速傳感器測控工作。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和VB6.0軟件的特點，規(guī)劃前控機功能模塊。同時，前控機中的功能模塊建立在通訊程序和數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上。綜上所述，監(jiān)控軟件功能模塊規(guī)劃為：系統(tǒng)管理、監(jiān)控管理、瀏覽打印。

軟件設(shè)計是以模塊化結(jié)構(gòu)、全開放指導思想，保證系統(tǒng)實時性，運行時盡量減少人工干預和操作、系統(tǒng)初始化參數(shù)在線可調(diào)、工作狀態(tài)直觀顯示，以便于監(jiān)控和操作。測控與IPC通訊是分布式系統(tǒng)集中管理和分散控制的方式。

利用AT89C52的串行通訊口及MAX485芯片的接口電路實現(xiàn)與IPC通訊。AT89C52單片機提供與計算機或其他串行設(shè)備連接的異步通訊口，而VB6.0提供便于圖形化接口的串口操作控件一Mscomm，使AT89C52單片機應用系統(tǒng)與計算機通信操作接口非常友好。

在RS-485所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)中，AT89C52所組成的單片機應用系統(tǒng)作為后位機，計算機作為前控機，實現(xiàn)雙向通訊。由AT89C52所組成的單片機應用系統(tǒng)，即測控需要把工作參數(shù)和工作狀態(tài)及時傳遞到前控機中，同時，前控機利用其友好的界面，對測控儀進行初始化等工作，兩者實現(xiàn)雙向通訊。通訊除了硬件電路外，還需統(tǒng)一兩者的通訊協(xié)議，并分別在前控機和后位機中分別開發(fā)通訊模塊程序[3]。

該系統(tǒng)考慮到前、后兩個部分不同任務的不同特點與要求，電腦采用了三種計算機語言進行編程。用匯編語言實現(xiàn)前級與現(xiàn)場后級的通訊，C語言實現(xiàn)繪畫，數(shù)據(jù)庫語言實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的管理及主機標定功率，燃油耗的修正等。這樣的組合，能夠更加充分地利用各種語言的優(yōu)勢，以利提高軟件的質(zhì)量[5]。

系統(tǒng)后位機使用STD總線，采用匯編語言編寫。系統(tǒng)充分利用電腦的資源共享，開發(fā)了與CPU/MEM兼容的多任務虛擬盤實時操縱系統(tǒng)，軟件采用模塊化程序設(shè)計方法，將各模塊編制成相應的獨立模塊，由主控制程序調(diào)用，以便修改和擴充?？刂瞥绦蚣爸鳈C標定功率，燃油耗修正軟件、現(xiàn)場采集管理程序等設(shè)計成菜單選擇和屏幕提示方式，以方便使用。

6 結(jié)論

船舶柴油機的電腦智能檢測系統(tǒng)的引入，可使柴油機控制系統(tǒng)及電氣設(shè)備有機結(jié)合在一起，既可集中控制又可分散控制，獨立操作；既可在線修改也可集中監(jiān)測，控制精度高，反應及時準確。當柴油機發(fā)生故障時，各種故障都或多或少地反映到振動信號中，這正是系統(tǒng)利用振動信號監(jiān)測柴油機故障的根本原因。系統(tǒng)針對主柴油機的一些常見故障的振動信號，提取出了振動信號中最能反映對應故障變化的特征參數(shù)，并利用這些特征參數(shù)對相應故障進行診斷，取得了較為滿意的效果。除此之外，系統(tǒng)利用主柴油機振動信號還可以進行其它性能的監(jiān)測，比如利用振動信號識別氣缸壓力等等，系統(tǒng)仿真技術(shù)都作了很有價值的探索。

[1]卞根發(fā)等. 新穎的漁輪主機電腦智能檢測系統(tǒng)[J]..船電技術(shù), 2006,1： P26-28.

[2]唐泳洪，系統(tǒng)可靠性、故障診斷及容錯[M]. 重慶： 重慶大學出版社, 2002.

[3]周慈航. 單片機應用程序設(shè)計技術(shù)[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社, 2004.

[4]李世平. PC計算機測控技術(shù)及應用[M]. 西安： 西安電子科技大學出版社, 2003.

[5]宋浩, 田豐編著. 單片機原理及應用[M]. 北京： 清華大學出版社, 2005.