電腦仿真技術引入船舶主機性能測試的研究

葛震宇 卞根發，2

（1. 廈門海洋職業技術學院， 廈門 361012； 2. 福州鐵路局， 福州 350000）

1 引言

隨著微電子技術及計算機技術的飛快發展，新型的船用柴油機電子控制技術也日益完善。現有的船用柴油機大多采用全氣動型式，難以實現系統自動化檢測功能。針對船舶運行海況區域惡劣，工況多而復雜等特點，同時又要求系統響應快，安全可靠，故引入電腦智能檢測系統，使之船用柴油機具有控制檢測功能強，調節精度高，反應靈敏度高的特點，大大提高了船用柴油機控制系統的自動化程度。船舶主柴油機是相當復雜的機構，既有旋轉機械又有往復機械，并且內部存在著眾多的激勵源，如氣缸內氣體壓力、氣門落座瞬態沖擊力、活塞不平衡往復慣性力和曲軸不平衡回轉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柴油機表面的振動響應，其特征與激勵源特性、主柴油機的振動傳遞特性有密切關系。分析主柴油機的故障特征及其表面振動響應的關系是利用振動信號進行主柴油機故障診斷的關鍵。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及特征參數進行分析，這些參數一般應具備以下特點：對相應故障最為敏感，其數值隨工況惡化或故障加重而單調增加。

在測取振動信號的過程中要注意測點和采樣區間。雖然主柴油機表面的振動都是由內部的激勵力產生的，但對應于某一具體故障，在不同的測點取到的信號可能有很大的區別。比如由于氣門間隙過大產生的故障，在氣缸蓋上測取的信號能很好地反映由于氣門間隙過大而引起的故障特征，可以作為分析此故障的振動信號。而如果在機體上測取信號，顯然不能滿足要求。因此，應該把最能反映某一故障變化情況的點作為測點。另外，機體上任何一點的振動都是主柴油機內部激勵力的綜合反映，但對應于某一激勵力的響應信號總是在一個周期內的某一時間段內，這一時間段就是采樣區間，對抽取相應的時間區間進行采樣。當主柴油機出現某種故障時，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生改變，據此可能獲取特征參數并進行性能測試[1]。

主柴油機轉速傳感器是用于檢測船舶柴油機轉速的一種常用傳感器，為船舶電氣控制系統提供與柴油機轉數成比例的電脈沖信號，是柴油機安全、可靠、正常工作測試主要參數之一，為此傳感器出廠前或用戶在維護時，需對傳感器自身質量和性能進行必要檢測。傳統檢測裝置基于手工操作，只能進行有限幾個性能指標檢測，存在精度不高和工作效率低下等缺點。隨著電子技術和計算機技術不斷發展，尤其單片機技術在智能儀器儀表的廣泛應用，為滿足實際需要，開發新一代高性能、實用的光電傳感器測控系統勢在必行。分布式監控系統具有分級管理、分散控制和高可靠性的優點，引入高效實用的DCS，簡化傳統測控系統結構，既便于維護，又為船舶輪機信息化發展和應用提供了良好平臺。

2 系統硬件

2.1 硬件設計思路

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

智能型監控系統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。為確保系統工作高可靠性和冗余性，智能分布式系統采用雙方案方式，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。系統測控對象以常用的光電轉速傳感器為例，簡要介紹其工作原理和主要性能指標。光電轉速傳感器利用發光二極管作為光源，光柵盤在柴油機轉軸的帶動下旋轉，利用光柵盤遮擋作用，使光源變為斷續光，使光敏管通、斷交替切換而產生脈沖信號，經過電路的放大整形后，輸出與轉速成比例的方波脈沖列。光電傳感器的主要性能指標及測試內容如下：轉速、脈沖數、脈沖最低高電平、脈沖最高低電平和脈沖占空比等。

2.2 系統總體設計

根據智能分布式系統工作方式要求和硬件組態設計思想，采用分層體系結構。 系統前控機選用具有很高可靠性和適用于工業環境 IPC(Industrial Personal Computer)，IPC作為管理站，自主開發測控儀作為現場級。現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接口轉換模塊，組成 RS-485網絡分布式監控系統(NDCS)。另外，當某個測控儀通道出現故障時，不影響前控機對其它測控儀監控，而當前控機或網絡出現故障時，也不影響現場控制級正常工作。綜合光電轉速傳感器分布式監控系統實際需要，系統硬件總體結構如圖1所示，測控儀和工作臺構成測控通道，測控儀為所開發的單片機應用系統，工作臺上安裝光電轉速傳感器、驅動光電轉速傳感器工作的電動機和人機操作接口。

3 系統主要功能

系統的前控機可對現場的柴油機檢測數據存盤，并對存盤的柴油機物理參數進行數據庫管理，可隨時查詢、增、刪、改和打印出柴油機的檢測數據報表等。前控機還可監視后位機的工作狀態，監視當前檢測柴油機的運行情況并可為現場的柴油機采集數據設置高、低限報警參數。可以按存盤數據繪制柴油機負荷特性曲線及速度特性曲線等[3]。

系統的后位機則由 STD總線工業控制機及微電腦等組成，可獨立工作。在前控機進行其他工作或關機狀態時，后位機仍可完成以下各種操作：對主機性能檢測中的轉速、油耗、油壓、油溫、水溫、扭矩、排溫等多種物理參數進行自動采集顯示，一次測驗可同時進行多種工況。在檢測屏上配有鍵盤及LED顯示，檢測參數、試機條件、檢測環境等，可通過人機會話方式鍵入，并可利用功能鍵進行如下操作和控制：設置報警參數、設置打印格式、油耗率監測、設置屏蔽采集項、速度特性試驗、負荷特性試驗、耐久試驗、顯示測量后存入數據、修正日期和時鐘等。

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、轉速、扭矩、油耗等參數采集的數碼顯示。在檢測中為防止某些參數引起參數超限，系統還設置了各種聲光報警及LED參數頻閃，越限值在檢測前通過人機會話方式設定，檢測結束后可將檢測數據以選擇方式或全部參數打印方式輸出。監控定時器可使系統因干擾或軟故障等原因出現異常時，系統自動恢復運行，具有自檢自報功能。電源斷電檢測，當發生斷電時可將該瞬間狀態及數據等全部保護起來，一旦來電整個系統能實現補償運行。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，發生故障時有緊急停車及脫機操作功能。

4 系統硬件結構

監控系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 監控系統總體結構圖

系統硬件結構為分散式控制系統，前控機電腦配置要求：采用WINDOWS2000或WINDOWS NT 4.0的系統軟件；Pentium 4以上，內存64MB以上電腦,硬盤40GB以上，數字化儀一臺。

后位機由STD工業控制機組成智能檢測屏，配置激光打印機一臺，1024×768VGA 顯示器一臺、鍵盤一個。現場檢測屏中的STD總線工控機系統由CPU板、存儲器板、人機接口板、系統支持板、通訊板等組成。系統支持板可根據需要增減，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，轉速與扭矩采集板，油耗測量采集板等。

該系統中輸入模擬信號(如：溫度、壓力等)，脈沖信號或電平信號（如：轉速、油耗、扭矩等），經過信號調理，然后對其進行采樣、數碼顯示、最后以標準的 BCD碼送入電腦，電腦將數據轉換為信號通過執行機構進行檢測控制。聲光報警是利用振蕩電路分別驅動喇叭及發光二極管，形成聲光效應，STD其過程控制組成如圖1所示。其中測控儀是本系統的關健，根據光電轉速傳感器的工作原理和所需測量的性能指標，其硬件設計為驅動模塊和測試模塊。驅動模塊為了驅動光電傳感器旋轉，并能方便調整其轉速，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，根據光電轉速傳感器所輸出電脈沖信號的特點及所需的測試內容進行測控。核心電路為信號調理及采集電路，其主要作用是把光電轉速傳感器15V矩形波信號轉換為AT89C52能接受CMOS電平，以實現光電傳感器的脈沖數、脈沖占空比和相位差等參數的測試工作[2]。

系統的通訊使用 RS-232串行通信接口，現場CRT采用RS-232串行通訊與檢測臺的STD總線工業控制機屏相連接，數字化儀與電腦之間采用串行接口，用戶界面采用人機會話。

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

5 系統軟件設計

系統軟件開發主要包括測控和前控機監控軟件開發工作。測控以AT89C52為核心，選用方便實用、高效的Keil C51軟件作為開發平臺。由于VB功能豐富和應用方便，前控機軟件開發工具選用VB。

5.1 前控機監控軟件

計算機監控系統不僅監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、發送控制命令，并控制后位機設備動作。因此，所開發監控軟件必須具有數據轉換、數據通訊、設備控制、人機交互和報警等基本功能，以及數據存儲、分析、打印等輔助的數據管理功能。計算機監控主要利用前控機對各控制器工作參數全面監視和控制，在前控機監督和指導下完成光電轉速傳感器測控工作。根據系統的功能需求和VB6.0軟件的特點，規劃前控機功能模塊，同時，前控機中的功能模塊建立在通訊程序和數據庫及數據表的基礎上。綜上所述，監控軟件功能模塊規劃為： 系統管理、監控管理、瀏覽打印。

前控機功能模塊主要作用：

系統管理模塊：完成用戶的增減、注冊、密碼設置、完成系統初始化處理、系統自檢、系統退出功能；

監控管理模塊：定時采集工作參數，直觀顯示所測試數據，同時，實現系統故障診斷及處理；

瀏覽打印模塊：用于查詢和打印某批次測試參數，便于進行分析和統計。

軟件設計是以模塊化結構、全開放指導思想，保證系統實時性，運行時盡量減少人工干預和操作、系統初始化參數在線可調、工作狀態直觀顯示，以便于監控和操作。測控與IPC通訊是分布式系統集中管理和分散控制的方式。

5.2 前控機與測控通訊軟件

利用AT89C52的串行通訊口及MAX485芯片的接口電路實現與IPC通訊。AT89C52單片機提供與計算機或其他串行設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單片機應用系統與計算機通信操作接口非常友好。

在 RS-485所構成的分布式網絡系統中，AT89C52所組成的單片機應用系統作為后位機，計算機作為前控機，實現雙向通訊。由AT89C52所組成的單片機應用系統，即測控需要把工作參數和工作狀態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，兩者實現雙向通訊。通訊除了硬件電路外，還需統一兩者的通訊協議，并分別在前控機和后位機中分別開發通訊模塊程序[3]。

后位機讀取可編程智能調節器數據程序，主要包括通訊端口初始化、后位機設備通訊建立及驗證、發送字符串形成、BCC校驗碼的形成、數據接收、數據處理及顯示等，其測控數據流程如圖2所示。

圖2 測控數據流程圖

該系統考慮到前、后兩個部分不同任務的不同特點與要求，前控機的電腦采用了三種計算機語言進行編程。用匯編語言實現前級與現場后級的通訊，C語言實現繪畫，數據庫語言實現采集數據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勢，以利提高程序的質量。

系統后位機使用STD總線，采用匯編語言編寫。系統充分利用電腦的資源共享，開發了與CPU/MEM 兼容的多任務虛擬盤實時操縱系統，軟件采用模塊化程序設計方法，將各主要模塊編制成相應的獨立模塊，由主控制程序調用，以便修改和擴充。控制程序及主機標定功率，燃油耗修正軟件、現場采集管理程序等設計成菜單選擇和屏幕提示方式，以便用戶使用，STD總線工業控制機程序流程圖如圖3所示。

圖3 工業控制機程序流程圖

6 結束語

船舶柴油機的電腦智能檢測系統的引入，可使柴油機控制系統及電、氣設備有機結合在一起，既可集中管理、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測，控制精度高，反應及時準確。尤其是光電轉速傳感器智能分布式測速系統，不僅功能完善實用，而且具有良好的人機界面，使系統運行靈活高效。系統能全面檢測和反映光電傳感器運行工況，在系統軟、硬件方面采取多種有效措施，使系統具有較強抗干擾能力，具有安全、可靠、實用特點，滿足系統功能和設計要求。光電轉速傳感器的測控儀采用雙微處理器結構，并在軟、硬件方面采用模塊化結構，使其在控制、操作、性能和可靠性方面都得到充分的保證，具有獨特的先進性與時代特點，極大地提高了船舶柴油機的自動化程度。主柴油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部的大量信息，當柴油機發生故障時，各種故障都或多或少地反映到振動信號中，這正是系統利用振動信號監測柴油機故障的根本原因。系統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，并利用這些特征參數對相應故障進行診斷，取得了較為滿意的效果。除此之外，系統利用主柴油機振動信號還可以進行其它性能的監測，比如利用振動信號識別氣缸壓力等等，系統仿真技術都作了很有價值的探索[4]。

該系統具有可靠性高，能耗低，抗干擾能力強等優點。保證了船舶柴油機檢測的準確性，消除了輪機管理人員的人為誤差，同時還可節省大量檢測用油量，提高了工作效率，經實踐證明該系統具有較高的經濟效益，科技含量高，值得推廣應用。

[1]李世平.計算機測控技術[M]. 西安：科技大學出版社,2003：16-36.

[2]付家才. 單片機控制工程實踐技術[M]. 北京：化學工業出版社，2003：9-28.

[3]卞根發等. 新穎的漁輪主機電腦智能檢測系統[J].船電技術, 2006(1)：26-28.

[4]孫培廷等. 船舶柴油機[M]. 大連：大連海事大學出版社, 2002.

[5]史際昌. 船舶電氣設備及系統[M]. 大連：大連海事大學出版社,1998. P211-213