船舶柴油機滑油在線監測預警系統設計

劉學強，郭軍武，竇培松

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船舶柴油機滑油在線監測預警系統設計

劉學強，郭軍武，竇培松

(上海海事大學 商船學院，上海 200135)

為了提高柴油機的可靠性、延長柴油機的使用壽命，設計了一種基于單片機的船舶柴油機滑油在線監測預警系統。介紹了該系統的測試原理、系統硬件及系統軟件設計。該系統通過處理分析監測反饋數據來判斷滑油的品質狀況，在滑油完全變質前分級別向輪機人員提示預警，從而降低柴油機故障率，保證船舶的正常運營。

單片機 滑油品質 傳感器 監測預警

0 引言

船機故障模式主要有磨損、腐蝕和斷裂等，其中磨損失效所占的比例為80%。大量統計數字表明，柴油機故障的85%以上與潤滑有關。潤滑油中的金屬磨粒成分、顆粒大小和多少與摩擦副的工作情況密切相關。因此采用滑油油液監測故障診斷技術，實時監測設備的潤滑與磨損狀況，預測磨損過程的發展，及時發現故障征兆及查明產生故障的原因，并采取相應的解決措施是一件很有意義的工作[1]。本文設計了基于單片機的船舶柴油機滑油在線監測預警系統，采用多傳感器融合技術，利用傳感器采集的參數對滑油狀態情況做出綜合評價，從而實現對滑油品質的實時監測，降低了因滑油品質問題引發的柴油機內部各零部件之間異常磨損而導致嚴重故障出現的概率。

1 測試原理分析

滑油失效主要包括滑油被氧化、柴油稀釋滑油、水稀釋滑油等。滑油在使用過程中受溫度和大氣環境的影響不可避免地發生氧化，氧化產生的酸性物質使得滑油的介電常數和粘度發生變化。介電常數與滑油含水率、鐵磨粒含量以及總酸度有相同的變化趨勢[2]。采用介電常數法電容傳感器可以輔助完成滑油品質的監測。

在滑油眾多理化指標中，黏度是油品最重要的指標，它能衡量滑油的潤滑能力。黏度越大，油膜厚度也越大，潤滑性能就越好。但黏度過大，不僅增加摩擦阻力，而且浪費能源。反之，過低的粘度也不能形成足夠的油膜而導致摩擦增大，損壞機械。滑油的黏度是否合適，不僅要看某一溫度的黏度，還要看黏度隨溫度變化的性質，即滑油的黏溫特性。柴油機在工作過程中，隨著滑油溫度升高，滑油的黏度大幅下降。例如：當滑油流經運動副表面時，局部的高溫、高壓會使滑油氧化。同樣，各種雜質的摻入也會降低滑油的流動性，最終導致黏度升高。因此，實時監測滑油的黏度變化也能反映出滑油的品質狀態。

基于以上原理分析，監測預警將采用多傳感器融合技術，通過測量滑油的電容值、粘度及溫度綜合評判滑油品質，從而為輪機人員判別柴油機故障和維護機器提供保障。

2 系統硬件設計

測試系統主要由信號采集模塊、信號處理模塊、中心控制模塊、顯示預警模塊及外圍電路等構成。通過傳感器所采集的數據為整個系統監測做鋪墊；采集的數據經過專用參數變送器轉化為標準信號。單片機將采集處理的信號進行分析，并控制系統使其正常運行，同時也將分析結果傳送至相應的輸出設備；顯示模塊將分析結果輸出到顯示屏展現給用戶，使其直觀了解滑油的狀態情況；預警模塊是控制中心根據預設算法分析出滑油品質出現問題時驅動其報警，警示輪機人員需要對柴油機進行維護。該系統的總體結構圖如圖1所示。

圖1 監測預警系統總體結構圖

2.1信號采集模塊

本系統選用FWS-4型在線液體黏度傳感器[3]，該傳感器主要用于在線實時監測液體粘度，因此是滑油黏度測定法應用的理想選擇。FWS-4 型傳感器采用新型超聲振動方法[4]，其工作原理是當被測液體與探頭敏感器件接觸時，通過測量壓電超聲敏感器件的參數變化來感知液體黏度的變化。保證了在實時的測量范圍內良好的精度與可重復性。電容傳感器采用的型號為 MA-K19077-KW，該傳感器輸出的標準信號范圍在4-20 mA。此傳感器具有較好的剛性，較小的尺寸，環境適應性強等優點。Pt100 溫度傳感器[5]是一種用鉑做成的電阻式溫度傳感器，其輸出信號與溫差之間有一連續的函數關系，是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。具有抗振動、穩定性好、高精度、耐高壓等優點。

2.2信號處理模塊

專用參數變送器[6]是具有RS-485通信的綜合信號采集模塊，可以采集溫度傳感器輸出的電阻信號、黏度傳感器輸出的脈沖信號以及電容傳感器輸出的電壓信號，并對采集到的原始數據進行計算。計算后的數據以及原始數據通過RS-485傳輸給單片機模塊，串口通信采用標準的RS-485 的通信模式。RS-485 串口通信電路如圖2所示。

圖2 RS-485 串口通信電路

2.3中心控制及預警模塊

根據單片機在監測系統的核心地位，本系統選用了ST公司基于Cortex-M3內核的32位增強型閃存微控制器STM32F103ZE作為控制核心，Cortex-M3內核是專門設計以滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求[7]。該芯片最高工作頻率可達到72 MHz，具有512 K字節的閃存以及64 K字節的SRAM，豐富的片上資源大大簡化了系統硬件，同時大大降低了系統功耗。顯示屏主要目的是用以實現與輪機人員的交互，顯示監測系統監測結果，如滑油溫度值、滑油粘度和滑油品質監測預警結果等。STM32F103ZE 芯片內部帶有專門的觸摸顯示屏與顯示屏控制器。根據監測系統和控制器接口的要求，需要選擇能夠滿足要求的型號。根據本文的研究，選擇TFTLCD2.8寸液晶顯示。如圖 3所示為 STM32 單片機與 TFT-LCD 顯示屏間信號控制和數據傳輸示意圖。

TFT-LCD 顯示屏的模塊引腳相對比較復雜，并且接口連線較多，引腳示意圖如圖4所示。

本監測系統將采用顯示與語音提醒兩種預警方式。顯示裝置將利用2.8寸LCD顯示屏來顯示，語音提示裝置將利用揚聲器作為輸出設備來提示。通常情況下的音頻預警是把預警語句存儲在數字錄音芯片中，需要時通過主控制模塊或者上位機啟動語音擴音預警。預警系統采用的PCM1770高性能解碼芯片是一款高性能、高集成度的實時低碼率語音編解碼芯片，編解碼質量好，抗噪能力強。該芯片與 STM32 單片機連接圖如圖5所示，其中 JS 為音頻輸出。

圖3 SMT32 與顯示屏間信號控制與數據傳輸示意圖

圖4 TFT-LCD引腳示意圖

圖 5 語音裝置連接圖

2.4電源模塊設計

所設計的滑油監測預警系統中，電容傳感器供電電壓為+12 V，單片機控制系統供電電壓+3.3 V，RS-485串口通信模塊供電電壓+5 V。所以我們設計電源模塊能輸出“+12 V”、“+3.3 V”、“+5 V”和“GND”即可。所選擇的DC/DC變壓模塊能夠將+4 V~+40 V 的電壓轉變為“+12 V”、“+5 V”、“+3.3 V”和“GND”，并且該 DC/DC 變壓模塊的電路較為簡單，所變電壓輸出穩定，為確保系統供電穩定，加裝穩壓模塊可以提高系統運行的可靠性，如圖6所示為變壓穩壓流程圖。

圖6 系統變壓穩壓流程圖

3 系統軟件

與硬件系統設計相似，系統的結構與功能決定了系統的軟件設計。作為滑油品質監測預警系統，軟件通過硬件實現，硬件受控于軟件，因此對該軟件系統的開發設計顯得格外重要。本系統設計中，采用英蓓特公司和ARM公司最近聯合推出的高效ARM開發環境Realview MDK[8]為開發平臺。并在 STM32 上運行起來，實現在線調試程序，大大的提高系統開發的效率。單片機系統軟件設計的主流程圖如下圖7所示。

圖7單片機系統軟件設計主流程圖

4 結束語

船舶柴油機滑油在線監測預警系統實現了對柴油機滑油性能的綜合檢測；建立了一種快速、準確、穩定、方便并能適應長時間在線檢測的方法，實現了對船舶柴油機滑油的實時監測，解決了因滑油品質問題而帶來的柴油機故障。具有良好的理論研究意義和實際應用價值。

[1] 蔣元星. 潤滑油監測技術及其在船上的應用[J]. 潤滑與密封, 2005, (4): 193-195.

[2] 李喜武, 蘇建, 劉玉梅. 介電常數法監測汽車發動機潤滑油技術[J]. 西南交通大學學報, 2011, 46(5): 831-835.

[3] 付禮程, 王憲成, 張更云, 等.基于FPS 傳感器的潤滑油品質載監測系統[J]. 潤滑與密封, 2012, (11): 91- 93.

[4] 張更云, 付禮程, 王憲成, 等. 基于黏度和介電常數的柴油機機油質量監測研究[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2012, (4): 30- 33．

[5] 張峰, 趙曉, 陳夫東,等. 機油鐵顆粒含量和粘度傳感器在柴油機保護儀中的應用[J]. 上海: 上海大學機電工程與自動化學院, 2009: 54-57.

[6] Cai meirong, Guo Ruisheng, Zhou Feng, etal. Lubricating a bright future:lubrication contribution to energy saving and saving and low carbon emission [J]. Science China Technological Science, 2013,56(12): 2888-2913.

[7] 季力.基于STM32芯片的電參數測量與數據傳輸[J].自動化與儀器儀表, 2010(3): 137-139.

[8] 李寧. 基于MDK的STM32處理器開發應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2008: 63-89.

[9] 蔣元星. 潤滑油監測技術及其在船上的應用[J]. 潤滑與密封, 2005, (4): 193-195.

[10] 李喜武, 蘇建, 劉玉梅. 介電常數法監測汽車發動機潤滑油技術[J].西南交通大學學報, 2011, 46(5): 831-835.

[11] 付禮程, 王憲成, 張更云, 等.基于FPS 傳感器的潤滑油品質載監測系統[J]. 潤滑與密封, 2012, (11): 91- 93.

[12] 張更云, 付禮程, 王憲成, 等. 基于黏度和介電常數的柴油機機油質量監測研究[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2012, (4): 30- 33．

[13] 張峰, 趙曉, 陳夫東,等. 機油鐵顆粒含量和粘度傳感器在柴油機保護儀中的應用[J]. 上海: 上海大學機電工程與自動化學院, 2009: 54-57.

[14]Cai meirong, Guo Ruisheng, Zhou Feng, etal. Lubricating a bright future:lubrication contribution to energy saving and saving and low carbon emission [J]. Science China Technological Science, 2013,56(12): 2888-2913.

[15] 季力.基于STM32芯片的電參數測量與數據傳輸[J].自動化與儀器儀表, 2010(3): 137-139.

[16] 李寧. 基于MDK的STM32處理器開發應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2008: 63-89.

The Design of Lubricating Oil Monitoring and Early Warning Online System for Marine Diesel Engine

Liu Xueqiang, Guo Junwu, Dou Peisong

(College of Merchant Marine, Shanghai Maritime University, Shanghai 20135, China)

In order to improve the reliability of diesel engine and prolong the service life of the diesel engine, an online monitoring and warning system for lubricating oil of marine diesel engine with single chip microcomputer are designed. The test principle, hardware and software are introduced. The system can judge the quality of the lubricating oil by analyzing the feedback data. It warns the fault in classification before the oil deteriorates that could reduce the fault rate of the diesel engine, and ensure the ship in the normal service.

single chip microcomputer; lubricating oil quality; sensor; monitoring and early warning

TP212.1

A

1003-4862（2016）04-0048-03

2015-12-03

劉學強（1992-），男，碩士研究生。研究方向：輪機設備。