基于STM32的船舶管路振動(dòng)應(yīng)急處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 義 ，劉佳佳 ，李武超 ，劉 斌

（1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063）

管道異常振動(dòng)危害在各行業(yè)中時(shí)有發(fā)生。在實(shí)際管道中，流體的沖擊或脈動(dòng)都會(huì)激發(fā)管道產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，船舶管路還受到機(jī)艙發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力和螺旋槳激勵(lì)力引發(fā)的振動(dòng)以及船舶在航行時(shí)晃動(dòng)的影響。因此，船舶管路的振動(dòng)與陸地管道相比較，振動(dòng)模式復(fù)雜[1]、幅度較大。如果不能及時(shí)監(jiān)測(cè)到異常振動(dòng)并采取有效的措施，可能成為船舶的安全隱患。國(guó)內(nèi)外對(duì)管道振動(dòng)的研究專(zhuān)注于在線監(jiān)測(cè)與故障診斷方面[2]，當(dāng)發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，需要有相關(guān)的應(yīng)急處理措施相應(yīng)對(duì)?；谝陨蠁?wèn)題，有必要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)船舶管路異常振動(dòng)應(yīng)急處理系統(tǒng)，在一定程度上減少管道異常振動(dòng)所引發(fā)的事故和經(jīng)濟(jì)損失。

1 振動(dòng)處理技術(shù)

近年來(lái)，針對(duì)于軸承振動(dòng)處理的研究較多，隨著振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)的日益成熟，故障診斷系統(tǒng)已有技術(shù)支持[3]，但是與之配合的應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍處于待完善狀態(tài)。引起船舶管道系統(tǒng)振動(dòng)的原因很復(fù)雜，歸納如表1所示。

表1 船舶管道系統(tǒng)振動(dòng)形式與原因Tab.1 Vibration form and cause of ship piping system

在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)結(jié)合了船舶管道振動(dòng)模式復(fù)雜的特點(diǎn)，采用流量傳感器與加速度傳感器或門(mén)連接，增加了系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性。同時(shí)，針對(duì)管道異常事故的發(fā)生，在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，增添了控流、減振的內(nèi)外調(diào)節(jié)式應(yīng)急處理模塊，從而降低了管道系統(tǒng)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶管道振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理管道異常振動(dòng)、泄漏等類(lèi)似故障，對(duì)提高管道的安全性能，提升船舶自動(dòng)化程度具有重要意義。

2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文研究并設(shè)計(jì)了一種船舶管道異常振動(dòng)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，其硬件系統(tǒng)主要包括振動(dòng)信號(hào)采集裝置、信號(hào)分析系統(tǒng)、自動(dòng)應(yīng)急處理系統(tǒng)。其中，振動(dòng)信號(hào)采集裝置主要包括加速度傳感器、流量傳感器、信號(hào)采集卡；信號(hào)分析系統(tǒng)由微型處理器構(gòu)成；自動(dòng)應(yīng)急處理系統(tǒng)由單片機(jī)、電磁閥、緊固橡膠圈以及伺服電機(jī)組成。

圖1 監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Monitoring and emergency response test platform

加速度傳感器選用AKE390B電壓型加速度計(jì)，具有低功耗、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。流量傳感器選用西門(mén)子公司QVE1901型，傳感器將信息存儲(chǔ)于LMS SCADAS III數(shù)據(jù)采集端[4]。該數(shù)據(jù)采集端具有16通道，每通道最高采集頻率為204.8 kHz，量程 PQA 為（-10 V±62.5 mV）～（10 V±62.5 mV），PQMA 為（-25 V±10 mV）～（25 V±10 mV），PQCA 為（-51200±5）～（51200±5）pC， 采樣帶寬為 16 位 ΣΔ，92 kHz；數(shù)據(jù)采集前端與微型處理器連接，微型處理器實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。若出現(xiàn)異常振動(dòng)即超出所設(shè)定的安全范圍，單片機(jī)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)合大小的調(diào)節(jié)?？刂扑欧姍C(jī)帶動(dòng)橡膠圈的縮放，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道緊固程度與高度的調(diào)節(jié)。其共同構(gòu)成應(yīng)急處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶管道異常振動(dòng)的相應(yīng)處理。

在本試驗(yàn)平臺(tái)中，傳感器的選擇主要考慮到工作的環(huán)境、量程、精確性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性，流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)的流量，加速度傳感器經(jīng)電壓放大器與積分轉(zhuǎn)化，實(shí)時(shí)精確而穩(wěn)定的輸出管道振動(dòng)產(chǎn)生的位移、管道相對(duì)于水平面的傾斜角度等信號(hào)。在此，流量傳感器采用了普通傳感器，而振動(dòng)傳感器關(guān)系到最終的定位精度，采用了AKE390B加速度傳感器。后者為單晶硅電容式，由一片經(jīng)過(guò)微機(jī)械處理的硅芯片，內(nèi)含低功率的ASIC用于信號(hào)調(diào)整，微處理器用于存儲(chǔ)補(bǔ)償值[5]；在全量程范圍內(nèi)比例因子的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及偏差典型值小于0.1%，能夠滿足試驗(yàn)要求。

3 應(yīng)急處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前管道事故頻發(fā)而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理裝置，首先需要進(jìn)行應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？紤]到船舶管道振動(dòng)的復(fù)雜性，基于傳統(tǒng)傳感器，采用流量與加速度傳感器相互協(xié)同，提高了應(yīng)急處理系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性；調(diào)流、減振的內(nèi)外調(diào)節(jié)應(yīng)急處理系統(tǒng)，可控制管道內(nèi)流量的壓強(qiáng)、流速、流量，可調(diào)整管道的外加約束力，避免管道異常振動(dòng)。

3.1 應(yīng)急處理系統(tǒng)硬件

1）單片機(jī)

單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，選用STM32型號(hào)單片機(jī)。啟動(dòng)電路使用STM32內(nèi)部生成的8 MHz信號(hào)，將微控制器從停止模式喚醒用時(shí)<6 μs，具有極高的靈活性?？梢允乖搯纹瑱C(jī)快速處理所接收的信號(hào)，及時(shí)減弱或消除異常振動(dòng)，最大程度地保證機(jī)器及人員的安全[6]。

2）伺服電機(jī)

控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得偏置電壓。其內(nèi)部的基準(zhǔn)電路產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將所得的偏置電壓與電位器的電壓相比較，獲得電壓差輸出，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差減小，當(dāng)電壓差為0時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)控制原理如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)控制原理Fig.2 Servo motor control principle

3）緊固支架

緊固支架在支架與管道接觸的一側(cè)加入了一圈橡膠層，以減輕外界環(huán)境對(duì)管道的影響，減少異常振動(dòng)的發(fā)生。與其它支架不同的是，為了便于伺服電機(jī)調(diào)節(jié)支架的緊固程度，該支架采用釘架一體化設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)只需控制螺母的旋轉(zhuǎn)即可控制支架對(duì)于管道的緊固程度與高度。支架調(diào)節(jié)控制流程如圖3所示。

圖3 支架調(diào)節(jié)控制流程Fig.3 Bracket regulate control flow chart

4）雙閥門(mén)流量調(diào)節(jié)

采用CK100DP型號(hào)電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥，其重要組成部分是電位器。當(dāng)閥門(mén)閥芯位置發(fā)生變化時(shí)，在電位器輸出端可獲得一電壓值，即閥門(mén)開(kāi)度電壓值，該值與位移量成一定線性關(guān)系。為保證用戶設(shè)定的開(kāi)度電壓值與電位器輸出電壓值相同，電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥電機(jī)會(huì)自動(dòng)改變閥芯位置，由此控制流量大小。采用2W-160-15型號(hào)電磁閥，該閥適用于0～1.0 MPa，流體溫度為-5～80℃的管道。 當(dāng)流體流量正常時(shí)，電磁閥常開(kāi)；當(dāng)流量過(guò)大，超過(guò)限度值時(shí)，電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥中的電位器中電位器輸出端可獲得一定的電壓，信息綜合處理系統(tǒng)在接收并處理該電壓信號(hào)后，給電磁閥通電，關(guān)閉電磁閥閥門(mén)，從而保證管路安全。

3.2 應(yīng)急處理系統(tǒng)原理

應(yīng)急處理系統(tǒng)采用控流、減振的內(nèi)外調(diào)節(jié)的控制方式，通過(guò)流量傳感器，實(shí)時(shí)獲取管道內(nèi)流量大小以及流速大小；通過(guò)與設(shè)定流量值比較，電磁比例調(diào)節(jié)閥工作，若流量過(guò)大至使電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥中的電位器產(chǎn)生超過(guò)限度值的感應(yīng)電壓時(shí)，電磁閥開(kāi)始工作，雙閥門(mén)系統(tǒng)進(jìn)一步確保管道流量的正常。當(dāng)管道振動(dòng)較為劇烈時(shí)，加速度傳感器通過(guò)接口輸出位移變化量，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采集前端，由信號(hào)分析處理系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)信號(hào)分析處理，如果振動(dòng)超出預(yù)定的安全值，則單片機(jī)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)管道的緊固程度與高度。應(yīng)急處理系統(tǒng)組成原理如圖4所示。

采用C#語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。在單片機(jī)內(nèi)編寫(xiě)控制程序，能夠?qū)Ψ治鎏幚砗蟮男盘?hào)做進(jìn)一步判斷處理。其主要的內(nèi)容為對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行FFT分析[7]，并將分析結(jié)果與預(yù)定值進(jìn)行比較。預(yù)定值根據(jù)管道不同的工作環(huán)境，多次試驗(yàn)而得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。主程序流程如圖5所示。

圖4 應(yīng)急處理系統(tǒng)組成原理Fig.4 Principle of emergency response system

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

在實(shí)際船舶試驗(yàn)中，選取與空氣壓縮機(jī)連接段管道為研究對(duì)象，其長(zhǎng)度為10 m，通徑20 cm，壁厚0.5 cm，水頭3 m，軸線偏差主要形式為上下偏移。在系統(tǒng)開(kāi)啟并運(yùn)行穩(wěn)定后8 s時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)管道末端，使管道軸線上下浮動(dòng)管半徑（2.5 mm）的2.5%時(shí)，應(yīng)急處理系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，單片機(jī)及時(shí)控制螺母旋轉(zhuǎn)以調(diào)整管道的高度，使管道軸線偏差處于管半徑的（-2.5%～+2.5%）范圍內(nèi)。工況1和工況2情況下，管道的軸向上下位移對(duì)比如圖6所示。

圖6 管道軸線位移的對(duì)比Fig.6 Comparison of piping axial displacement

通過(guò)在實(shí)際船舶機(jī)艙中，管道振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）管道軸線偏差大于預(yù)設(shè)值時(shí)，應(yīng)急處理系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間控制在2～5 s內(nèi)，考慮到信號(hào)采集、傳輸與處理的延時(shí)、故障診斷的復(fù)雜性，這樣的響應(yīng)速度是可以接受的，滿足設(shè)計(jì)要求；

2）在工況2情況下，系統(tǒng)未采取調(diào)整措施，軸線偏差處于上下波動(dòng)狀態(tài)，管道產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，磨損與疲勞損傷加重。而工況1則表明，系統(tǒng)控制支架的調(diào)節(jié)可使軸線偏差處于安全范圍，應(yīng)急處理系統(tǒng)調(diào)整精度控制在管半徑的2.5%以內(nèi)，滿足了控制系統(tǒng)的應(yīng)急要求；

3）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在機(jī)艙噪音大、溫度高、振動(dòng)強(qiáng)的惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)的應(yīng)急處理響應(yīng)速度與控制精度并沒(méi)有受到影響，試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足要求；

4）該應(yīng)急處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道異常振動(dòng)的應(yīng)急處理，提高了船舶機(jī)艙的應(yīng)急能力。

5 結(jié)語(yǔ)

利用振動(dòng)控制技術(shù)，較好地解決了管道軸線偏差所引起的異常振動(dòng)問(wèn)題?；赟TM32的管道異常振動(dòng)應(yīng)急處理系統(tǒng)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道軸線偏差與流量的應(yīng)急調(diào)節(jié)，還可對(duì)管道破裂、管道泄漏等類(lèi)似故障具有一定監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理作用，而且該系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、成本低、控制精度高、響應(yīng)速度快，具有較大的推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。為了使管道異常振動(dòng)應(yīng)急處理系統(tǒng)更好地運(yùn)用于船舶，今后在提高故障診斷的精確度與處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性兩方面，應(yīng)該進(jìn)一步開(kāi)展深入試驗(yàn)研究工作。

[1]李育忠，鄭宏麗，賈世民，等.國(guó)內(nèi)外油氣管道檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油科技論壇，2012，31（2）：30-35.

[2]Riccardo Di Giminiani.The effects of vibration on explosive and reactive strength when applying individualized vibration frequencies[J].Journal of Sports Sciences，2009，27（2）：169-77.

[3 李鶴鳴，王厚華.基于單片機(jī)的船舶設(shè)備信號(hào)采集及處理系統(tǒng)[J].船海工程，2007，36（6）：35-38.

[4]徐麗瓊.船舶輸流管道系統(tǒng)的振動(dòng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[5]趙士榮.管道振動(dòng)故障三維檢測(cè)方法的研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2012.

[6]桑勇，李鋒濤，代月幫，等.面向伺服電機(jī)的STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技，2015，44（11）：65-72.

[7]張龍，曾國(guó)英，趙登峰，等.機(jī)床振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2012，40（15）：71-73.