船舶柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 宇

（武警海警學(xué)院，浙江寧波 315801）

0 引言

隨著柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展，船舶性能在不斷地提高。只有對(duì)曲軸箱油霧濃度檢測(cè)裝置的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確度要求更高，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控油霧濃度狀態(tài)，才能避免曲軸箱爆炸事故的發(fā)生。如今，幾乎所有的大功率柴油機(jī)上都配備了曲軸箱油霧濃度檢測(cè)裝置，其中諸如英國(guó)GRAVINER公司生產(chǎn)的MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置，采用光散射原理設(shè)計(jì)制造，是當(dāng)前最佳方案。

而目前在國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的這一類產(chǎn)品還比較缺乏、沒有同類型產(chǎn)品可供使用，在中國(guó)市場(chǎng)主要還是靠進(jìn)口英國(guó)GRAVINER 公司和德國(guó)SCHALLER AUTOMATION公司的系列產(chǎn)品，這使得我國(guó)將花費(fèi)大量經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。因此自主研發(fā)出一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能柴油機(jī)油霧濃度檢測(cè)裝置對(duì)我國(guó)船舶的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

本次設(shè)計(jì)內(nèi)容主要分為2大部分：

1）硬件的選取。模擬MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置的工作原理，選取性能更好、價(jià)格更實(shí)惠的硬件設(shè)備。

2）軟件設(shè)計(jì)開發(fā)。選取合適的操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，采用軟件開發(fā)工具進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，利用觸摸屏幕技術(shù)模擬油霧濃度檢測(cè)裝置的按鍵界面。

1 MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置分析

MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置采用了光散射法的測(cè)量原理，通過(guò)檢測(cè)光源發(fā)出的光束穿過(guò)采樣氣體后的散射光強(qiáng)度檢測(cè)出油霧濃度。因此，光源與感光管是成90°來(lái)布置的[1]。從直觀上看，MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置采用了分布式設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是在每個(gè)曲軸箱內(nèi)分別安裝有一個(gè)探頭進(jìn)行檢測(cè)，并且所有探頭都通過(guò)屏蔽電纜接到中間接線盒中，再由中間接線盒的數(shù)據(jù)線傳遞數(shù)據(jù)至主控制機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置的主控制機(jī)設(shè)置在集控室內(nèi)，給操作人員提供了一個(gè)良好的工作環(huán)境。另外，主控制機(jī)設(shè)置在集控室的優(yōu)勢(shì)在于操作人員能夠同時(shí)觀察所有曲軸箱內(nèi)的油霧濃度狀態(tài)，在液晶屏上同時(shí)顯示各個(gè)曲軸箱內(nèi)油霧濃度值。即使有若干個(gè)曲軸箱內(nèi)的油霧濃度值同時(shí)出現(xiàn)過(guò)高的情況，也能同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，便于操作人員進(jìn)行報(bào)警處理。不同反光物質(zhì)對(duì)光線的反射率不同，產(chǎn)生散射光的波長(zhǎng)也不同，MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置就是通過(guò)檢測(cè)特定波長(zhǎng)的散射光的強(qiáng)弱來(lái)測(cè)量油霧濃度，這不僅提高了裝置的靈敏度和抗干擾能力，還最大限度地降低了誤報(bào)警。不過(guò)遺憾的是，MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置電源部分的防護(hù)較弱，容易引起油霧濃度檢測(cè)器間歇出現(xiàn)誤報(bào)警并使主機(jī)減速，檢測(cè)裝置的測(cè)量器件也容易損壞。另外，采購(gòu)一臺(tái)MARK6型油霧濃度檢測(cè)裝置需要花費(fèi)昂貴的價(jià)錢。

為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，更有效地結(jié)合船舶實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)就是以MARK6系統(tǒng)為基礎(chǔ)模擬設(shè)計(jì)的一個(gè)油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)界面參考了MARK6這款產(chǎn)品，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)熟悉MARK6型油霧檢測(cè)裝置的軟件按鍵功能和軟件操作[2]。

2 油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的要求是既能模擬MARK6油霧濃度檢測(cè)裝置的工作原理，又能達(dá)到節(jié)約經(jīng)費(fèi)的目的。從硬件設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和性能方面綜合考慮，確定要選取的硬件設(shè)備有：MQ-2煙霧傳感器，QY-9315S嵌入式工控板，IPAM-3402數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，QC-121IPE10T液晶觸摸屏，油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2.1 MQ-2傳感器

柴油機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，油霧濃度檢測(cè)裝置難免會(huì)出現(xiàn)故障，造成油霧濃度傳感器損壞而需要更換。但類似MARK6型油霧濃度傳感器的產(chǎn)品在市場(chǎng)上并不多，不易采購(gòu)，并且購(gòu)買一個(gè)MARK6型油霧濃度傳感器探頭需要花費(fèi)3萬(wàn)元人民幣，價(jià)格十分昂貴，所以本次設(shè)計(jì)的油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器探頭選取的是可用于家庭和工業(yè)上氣體泄漏檢測(cè)的煙霧傳感器MQ-2，MQ-2是一個(gè)多種氣體探測(cè)器，能夠監(jiān)視煙霧、烷、液化氣等氣體。

通過(guò)MQ-2采集的煙霧濃度信號(hào)來(lái)模擬油霧濃度探頭的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采集油霧濃度信號(hào)的過(guò)程。鑒于MQ-2煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，為了使傳感器達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，通電后需要進(jìn)行預(yù)熱，否則其輸出的電壓和電阻不準(zhǔn)確，因此在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中需給系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)熱時(shí)間。

2.2 IPAM-3402轉(zhuǎn)換模塊

MARK6型油霧檢測(cè)裝置安裝柴油機(jī)上，溫度高，振動(dòng)大，工作環(huán)境十分惡劣。根據(jù)模擬設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作流程，傳感器在接受到信號(hào)后，被轉(zhuǎn)換模塊采集，轉(zhuǎn)換模塊將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳遞給嵌入式工控板，工控板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為保證油霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，選取合適的轉(zhuǎn)換信號(hào)模塊，通過(guò)通信總線連接,這樣能夠提高檢測(cè)速度，因此選擇晉江電子科技有限公司生產(chǎn)的IPAM-3402轉(zhuǎn)換模塊。

IPAM-3402轉(zhuǎn)換模塊是基于通信總線接口的數(shù)據(jù)采集模塊，應(yīng)用于工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。其主要功能是進(jìn)行模擬量輸入信號(hào)采集，輸入信號(hào)范圍為±10 V，是混合I/O模塊，具有4路的AI差分通道，每一組差分通道可配置為2路的單端輸入通道。模塊具有2路的AO通道，即可獨(dú)立控制輸出，也可進(jìn)行同步輸出，模塊還具有2路DI和2路DO通道，其中2路DI可配置為計(jì)數(shù)器功能。

IPAM-3402轉(zhuǎn)換模塊對(duì)I/O端口采用了光電隔離，保證了在高速工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信得到無(wú)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)模塊采用了帶隔離的RS-485通訊接口，降低了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)噪聲干擾對(duì)通訊接口的影響，設(shè)置了看門狗電路，可以在出現(xiàn)意外后不會(huì)死機(jī)，在定時(shí)時(shí)間到后復(fù)位，使系統(tǒng)重新啟動(dòng)，有效地保障了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3 嵌入式工控板

本次設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)的處理器選取了ARM嵌入式工控機(jī)，主板采用QY-9315S嵌入式arm主板。QY-9315S是一款工控開發(fā)板，其主板由單板結(jié)構(gòu)構(gòu)成，采用CIRRUS LOGIC EP9315 ARM9處理器，處理器主頻為200 MHz，ARM920T內(nèi)核，還具有Maverick Crunch協(xié)處理器。核心板采用高密度6層設(shè)計(jì)，板載64MB SDRAM和32 MB NorFlash，具有多種操作系統(tǒng)，完美支持 Linux2.6和Win CE5.0操作系統(tǒng)。

該主板還擴(kuò)展了觸摸屏、矩陣鍵盤、TFT-LCD、IDE、CF、RS232/RS485、USB等常用外圍接口，12V直流電壓供電，并且支持6 V～25 V寬范圍電壓供電，單板功率為3 W，可在-20 ℃～70 ℃的環(huán)境下工作，具有復(fù)位電路和看門狗功能。具有低功耗、節(jié)能環(huán)保，抗電磁干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)安全好，能夠協(xié)調(diào)處理器大大提高浮點(diǎn)、整型和信號(hào)的處理能力等優(yōu)勢(shì)。

2.4 液晶觸摸屏

我們知道MARK6型油霧檢測(cè)裝置的主控制機(jī)安裝在集控室內(nèi)，當(dāng)發(fā)生油霧濃度過(guò)高報(bào)警時(shí)，主控制機(jī)顯示報(bào)警的缸號(hào)，需要通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)操作才能對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理。鑒于本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通信采用了RS485總線，嵌入式工控板采用了QY-9315工控板，則在油霧濃度檢測(cè)裝置的面板設(shè)計(jì)上可采用液晶觸摸屏，利用嵌入式技術(shù)來(lái)虛擬MARK6 設(shè)備的按鍵，取代了復(fù)雜的鍵盤操作，選擇的觸摸屏占用空間少，靈活性高，環(huán)境適應(yīng)性好。點(diǎn)擊“復(fù)位”可重置警報(bào)狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)初始化；點(diǎn)擊“發(fā)動(dòng)機(jī)界面”可查看發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況；點(diǎn)擊“測(cè)試”進(jìn)入測(cè)試菜單，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)傳感器是否正常工作。

4）方向鍵：通過(guò)向上下左右4個(gè)方向移動(dòng)來(lái)選擇目錄。

5）返回鍵"←"，點(diǎn)擊后返回到上一級(jí)目錄，回車鍵"┚"，點(diǎn)擊后確認(rèn)所選目錄。

6）狀態(tài)指示燈區(qū)域：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警指示燈及其相應(yīng)的故障指示燈顏色變?yōu)榧t色，電源ON鍵亮綠燈表示電源已接通。

4 結(jié)論

雖然此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的模擬性能好，選取的硬件也都結(jié)合了船舶的實(shí)際情況，選擇了性能好，成本低的硬件設(shè)備，達(dá)到了節(jié)約經(jīng)費(fèi)的目的，軟件設(shè)計(jì)的操作界面也近似于真實(shí)的油霧濃度檢測(cè)設(shè)備。但是依然存在硬件的可行性未驗(yàn)證，軟件界面的各按鍵功能還沒有實(shí)現(xiàn)等不足。下一步仍需實(shí)現(xiàn)查看主機(jī)各缸油霧濃度的狀態(tài)、查看傳感器精確讀數(shù)、重置傳感器峰值和平均值、油霧濃度警報(bào)試驗(yàn)等模擬操作。