基于復(fù)合通道的SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱設(shè)計(jì)

史斌杰，都勁松，黃 滔，李文榮

● （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

基于復(fù)合通道的SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱設(shè)計(jì)

史斌杰，都勁松，黃 滔，李文榮

● （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱是以XILINX公司的XC3S500E-FG320 FPGA微處理芯片為核心組成的一個(gè)智能化監(jiān)控控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行較復(fù)雜的邏輯控制以及對(duì)柴油機(jī)全部參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。配套的人機(jī)交互界面不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)旁監(jiān)控箱的各類參數(shù)屬性進(jìn)行在線設(shè)置等基本功能，而且對(duì)界面的外觀和可操作性進(jìn)行了人性化的設(shè)計(jì)。針對(duì)不同柴油機(jī)測(cè)點(diǎn)要求的不同，采用了復(fù)合通道設(shè)計(jì)。無(wú)論各種類型參數(shù)的數(shù)量多少，只要柴油機(jī)總測(cè)點(diǎn)數(shù)小于采集通道數(shù)，就能滿足監(jiān)測(cè)全部參數(shù)的要求。

復(fù)合通道；監(jiān)控箱；柴油機(jī)

0 引言

柴油機(jī)動(dòng)力裝置在船舶動(dòng)力裝置中占最重要的地位，在2000t以上的民用運(yùn)輸船舶中，總艘數(shù)達(dá)到98%以上，裝船總功率達(dá)到90%以上[1]。柴油機(jī)是船舶的重要?jiǎng)恿ρb置，是船舶航行的關(guān)鍵。而柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控箱是現(xiàn)代化船舶動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，是保障現(xiàn)代船舶安全航行的一個(gè)必不可少的重要裝置。近年來(lái)，對(duì)船舶航行安全性與柴油機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，而柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控箱僅僅對(duì)柴油機(jī)實(shí)施簡(jiǎn)單控制以及某幾個(gè)重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)已經(jīng)不能滿足相關(guān)需求。以數(shù)字化為依托的柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控箱成為必然，并在未來(lái)的發(fā)展中將占據(jù)重要的地位，成為其發(fā)展的一個(gè)重要的方向[2-3]。

伴隨自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所自主研發(fā)的SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱可以完成對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行較復(fù)雜的邏輯控制以及對(duì)柴油機(jī)全部參數(shù)的監(jiān)測(cè)。本文圍繞SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱的設(shè)計(jì)，介紹其獨(dú)特的復(fù)合通道以及人性化的界面設(shè)計(jì)。

1 機(jī)旁監(jiān)控箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱是以 XILINX公司的XC3S500E-FG320 FPGA微處理芯片為核心組成一個(gè)智能化監(jiān)控控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)將操作和報(bào)警顯示單元、數(shù)據(jù)采集和控制單元聯(lián)系起來(lái)，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、軟件模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的啟動(dòng)/停車、安全保護(hù)的自動(dòng)控制和對(duì)柴油機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、顯示。同時(shí)把采集到的柴油機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)通過(guò)RS485/422總線與上層監(jiān)測(cè)微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，還能通過(guò)設(shè)置在RS485/422的總線連接PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面遠(yuǎn)程對(duì)監(jiān)測(cè)、控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、設(shè)定、修改，以達(dá)到優(yōu)化的控制效果。

圖1 機(jī)旁監(jiān)控箱系統(tǒng)原理框圖

采集控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它具備控制和監(jiān)測(cè)功能?？刂乒δ馨ǎ浩饎?dòng)控制、遠(yuǎn)程起動(dòng)控制、停車控制、調(diào)速、控制部位轉(zhuǎn)換和一些其他的控制。 監(jiān)測(cè)功能是將柴油機(jī)送來(lái)的各種壓力、溫度、轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)由機(jī)旁控制箱進(jìn)行模/數(shù)變換，數(shù)據(jù)采集，邏輯處理后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線送參數(shù)顯示單元上的液晶屏進(jìn)行參數(shù)顯示、報(bào)警。溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等顯示信號(hào)及報(bào)警信號(hào)通過(guò)總線送集控室。同時(shí)，需具備傳感器故障診斷和通訊故障診斷功能。由于不同柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的各種類型測(cè)點(diǎn)數(shù)量是不同的，所以采集控制模塊采用了新型復(fù)合通道設(shè)計(jì)（后續(xù)詳細(xì)論述），使得在總測(cè)點(diǎn)數(shù)量滿足要求的情況下，無(wú)論各種類型測(cè)點(diǎn)數(shù)量為多少，機(jī)旁監(jiān)控箱都能滿足要求。

安全保護(hù)模塊是相對(duì)于采集控制模塊而獨(dú)立存在的一套系統(tǒng)，其信號(hào)采集也相對(duì)獨(dú)立，主要采集導(dǎo)致柴油機(jī)緊急停車的信號(hào)，如超速、濾后進(jìn)機(jī)油壓過(guò)低、淡水出機(jī)溫度過(guò)高等重要報(bào)警參數(shù)，并可以輸出報(bào)警開(kāi)關(guān)量信號(hào)給控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過(guò)邏輯判斷及一些保護(hù)措施輸出緊急停車信號(hào)給柴油機(jī)。安全保護(hù)模塊是基于 XILINX XC3S500E-VQ100微處理器為核心組成的一個(gè)安保系統(tǒng)。16路繼電器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光隔后直接由繼電器輸出；4路開(kāi)關(guān)量信號(hào)（越控、緊停、復(fù)位、應(yīng)答）經(jīng)過(guò)光隔后直接輸入至FPGA的I/O口。另外4路開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入后經(jīng)過(guò)斷線檢測(cè)電路后進(jìn)入到光隔后直接輸入至FPGA的I/O口，4路轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)輸入后經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后進(jìn)入到光隔，然后直接輸入至FPGA的I/O口。

液晶顯示模塊是機(jī)旁監(jiān)控箱的顯示和操作界面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與采集控制模塊相連接。采集控制模塊將柴油機(jī)的參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線送至液晶顯示模塊，由液晶顯示模塊上的液晶屏進(jìn)行參數(shù)顯示。通過(guò)液晶顯示模塊上的控制組件控制柴油機(jī)的信號(hào)（如：?jiǎn)?dòng)、停車、加減速等）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線送至采集控制模塊。同時(shí)，液晶顯示模塊還具有參數(shù)存儲(chǔ)讀取功能。液晶顯示模塊將重要參數(shù)進(jìn)行定時(shí)存儲(chǔ)，用戶通過(guò)液晶顯示模塊上的以太網(wǎng)接口將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)。

重要參數(shù)顯示模塊是以Philips公司的LPC2292微處理芯片為核心組成的一個(gè)模塊，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與采控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。重要參數(shù)顯示模塊將采集控制模塊送到的柴油機(jī)參數(shù)通過(guò)光柱直觀地顯示，光柱選用電壓輸入型的，通過(guò)LPC2292直接DAC輸出驅(qū)動(dòng)光柱。

電源處理模塊是將外部系統(tǒng)提供的主、備兩路 24V直流電源通過(guò)兩個(gè)繼電器后合成一路24V直流電源輸出，然后經(jīng)過(guò)COSEL公司的CBS2002424電源模塊隔離轉(zhuǎn)換成 24V直流電壓，為整個(gè)機(jī)旁監(jiān)控箱各個(gè)功能模塊提供24V直流電源。同時(shí)，24V直流電源經(jīng)過(guò)兩個(gè) Mornsun公司的VRB2405LD-30W轉(zhuǎn)換出來(lái)2路獨(dú)立的直流5V電壓，為整個(gè)機(jī)旁監(jiān)控箱各個(gè)功能模塊提供1路模擬5V直流電源和1路數(shù)字5V直流電源。同時(shí)，當(dāng)主電源或備用電源失電時(shí)，使繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，送出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，達(dá)到主、備電源失電報(bào)警功能。

2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面的作用就是提供友善、良好的平臺(tái)，供操作使用人員方便、明了的與計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件交互，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)等功能。

SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱配套的人機(jī)交互界面（見(jiàn)圖2）不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)旁監(jiān)控箱各類參數(shù)的報(bào)警限值、報(bào)警延時(shí)、線性校正等進(jìn)行在線設(shè)置等基本功能，而且對(duì)界面的外觀和可操作性進(jìn)行了更加人性化的設(shè)計(jì)。

圖2 人機(jī)交互界面

以往的人機(jī)交互界面通常需要一定的運(yùn)行環(huán)境[4-6]，例如，NET等支持軟件。這樣就提高了調(diào)試電腦的配置要求，并且不能夠做到隨時(shí)隨地和任一電腦實(shí)現(xiàn)調(diào)試。而SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱配套的人機(jī)交互界面程序則采用在VS2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)上建立的MFC應(yīng)用工程，在開(kāi)發(fā)完成后可直接在任意電腦上運(yùn)行，無(wú)需安裝其他支持軟件。如此可以對(duì)運(yùn)行人機(jī)交互界面程序的電腦配置要求降低很多，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，可以隨時(shí)隨地的在任意電腦上使用人機(jī)交互界面進(jìn)行調(diào)試修改，方便了調(diào)試工作。

由于柴油機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)在調(diào)試過(guò)程中不斷地改進(jìn)，而機(jī)旁箱的相關(guān)參數(shù)也需要隨之更改。隨同機(jī)旁監(jiān)控箱一起作為產(chǎn)品提供給客戶使用的人機(jī)交互界面可以簡(jiǎn)單便捷地實(shí)現(xiàn)這一功能。在用戶使用過(guò)程中，可以方便容易的使用人機(jī)交互界面自行對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改并保存，而無(wú)需服務(wù)人員去現(xiàn)場(chǎng)修改參數(shù)，極大地降低了機(jī)旁監(jiān)控箱的維護(hù)成本。

3 液晶屏圖形化顯示界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的液晶屏顯示通常采用表格頁(yè)顯示。 利用表格頁(yè)顯示界面簡(jiǎn)單，程序編寫處理容易，但是用戶使用不方便，需要尋找某個(gè)測(cè)點(diǎn)相當(dāng)困難，同時(shí)界面也不直接美觀。

SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱的液晶屏采用圖形化顯示界面（見(jiàn)圖3）。采用柱狀圖顯示模擬量、采用儀表顯示轉(zhuǎn)速等圖形顯示方式直觀表達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便了用戶使用。使用圖形頁(yè)的另一大優(yōu)勢(shì)在于可以在遠(yuǎn)處查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)與大致范圍，這樣就不一定需要走近機(jī)旁箱才能讀取了解監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖形頁(yè)顯示同時(shí)使得界面更加美觀和人性化。

圖3 液晶屏圖形化顯示界面

4 復(fù)合通道設(shè)計(jì)

對(duì)于不同型號(hào)柴油機(jī)，各種參數(shù)類型的通道數(shù)量需求不盡相同。例如，8缸柴油機(jī)排氣溫度的熱電偶信號(hào)為8個(gè)，而6缸柴油機(jī)排氣溫度的熱電偶信號(hào)就只有6個(gè)。為了解決這一問(wèn)題。滿足不同型號(hào)規(guī)格的柴油機(jī)的測(cè)點(diǎn)需求，SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱采用了復(fù)合通道設(shè)計(jì)。使得各種類型參數(shù)無(wú)論數(shù)量多少，只要柴油機(jī)總測(cè)點(diǎn)數(shù)小于采集通道數(shù)，就能滿足監(jiān)測(cè)全部參數(shù)要求。

4.1 復(fù)合通道輸入單元

復(fù)合通道輸入單元是基于ADI公司的AD7794芯片實(shí)現(xiàn)電壓、電流、熱電阻和熱電偶的復(fù)合通道采集。復(fù)合通道輸入單元通過(guò)程序控制切換輸入通道，根據(jù)輸入通道的不同類型，切換到相應(yīng)的AD采樣通道，實(shí)現(xiàn)復(fù)合通道的模擬量采集，最后通過(guò)SPI總線接口，經(jīng)由光耦芯片隔離，直接送到CPU的FPGA芯片內(nèi)的狀態(tài)寄存器，最后由CPU卡將數(shù)據(jù)存放至FPGA的BRAM中。

AD7794是一款24位Σ-Δ型ADC，內(nèi)置片內(nèi)PGA，可以直接處理來(lái)自傳感器的小信號(hào)輸入。由于AD7794具有2路差分信號(hào)采集通道和2路單端信號(hào)采集通道，所以可同時(shí)采集電壓、電流、熱電阻和熱電偶信號(hào)(見(jiàn)圖4)。

圖4 復(fù)合通道輸入單元硬件連接框圖

AD7794還可以通過(guò)程序控制其均方根噪聲和輸出更新速率以及失調(diào)誤差漂移，這樣使得在采樣處理程序中無(wú)需進(jìn)行軟件濾波，加快采樣更新速率。

4.2 復(fù)合通道模擬量輸出單元

4mA～20mA輸出單元是基于ADI公司的AD5422芯片實(shí)現(xiàn)4mA～20mA信號(hào)輸出，該單元將來(lái)自CPU輸入數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)SPI總線接口，經(jīng)光藕芯片隔離直接送至AD5422芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，輸出4mA～20mA信號(hào)（見(jiàn)圖5）。AD5422是一款16位DAC，可以通過(guò)程序控制其輸出4mA～20mA、0mA～20mA、0 V～5V，0 V～10V，±5V和±10 V。

圖5 4mA～20mA輸出單元硬件連接框圖

5 結(jié)論

由于采用了復(fù)合通道設(shè)計(jì)，SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱通過(guò)調(diào)整配置參數(shù)，已經(jīng)成功地應(yīng)用于廣州柴油機(jī)廠的各種柴油機(jī)，包括G32型、230型、320型、氣體機(jī)等各種機(jī)型。同時(shí)在與柴油機(jī)配機(jī)聯(lián)合調(diào)試過(guò)程中，由于運(yùn)用了人性化的配置軟件與液晶顯示屏，使得配機(jī)試驗(yàn)在調(diào)試人員不參與的情況下就可完成，方便了配機(jī)試驗(yàn)。下一步，SAL-10型機(jī)旁監(jiān)控箱不僅將擴(kuò)大所應(yīng)用的柴油機(jī)類型范圍，更將應(yīng)用于齒輪箱等其他設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)。

[1] 徐筱欣. 船舶動(dòng)力裝置[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版, 2005.

[2] 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.

[3] 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(guó)造船, 2009, 50 (3): 146-150.

[4] 張永洋, 潘羅坤, 戴 樂(lè). 艦船柴油機(jī)數(shù)字化智能化監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用研究[J]. 艦船電子工程, 2010,30(12): 20-24.

[5] 陳衛(wèi)峰, 竇振中, 朱少林. 船用柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2009 (4):46-48.

[6] Martin Kaszynski, Oliver Sawodny. Modeling and identifieation of a built-in turbocharged diesel engine using standardized on-board measurement signals[C]//17th IEEE Initernational Conference on Control Applications Part of 2008 IEEE Multi-conference on Systems and Control San Antonio,Texas, USA, September3-5, 2008.

Design of SAL-10 Type Monitoring and Control Bos Next Diese Engine Based on Composite Channel

SHI Bin-jie, DOU Jin-song, HUANG Tao, LI Wen-rong
(No.711 Research Institute, CSIC, Shanghai 201108, China)

The SAL-10 type monitoring and control box next to diesel engine is based on XILINX's XC3S500E-FG320 FPGA as a control system of intelligent monitoring. It can realize the complex logical control and monitoring of all parameters for diesel engine.Matching man-machine interface can realize online settings and other basic function of the attributes of various parameters for monitoring and control box next to diesel engine, and the humanized interface operability is designed.. According to the different characteristics of different measuring points of diesel engine, the composite channel is designed. No matter how much the number of various types of parameters, as long as measuring points for diesel engine is less than the number of collection channels, which can meet the requirements of monitoring all parameters.

compound channel; monitoring and control box; diesel engine

TK428;U665.121

A

中船重工第七一一研究所自動(dòng)化部發(fā)展基金項(xiàng)目。

史斌杰（1987-），男，助理工程師，研究方向?yàn)榇氨O(jiān)控系統(tǒng)與自動(dòng)化。