船舶主機軸承溫度監測報警系統方案研究

張志遠

（91404部隊，河北秦皇島，066000）

船舶主機軸承溫度監測報警系統方案研究

張志遠

（91404部隊，河北秦皇島，066000）

隨著船舶機艙自動化技術的快速發展，對船舶報警系統的要求越來越高。船舶主機傳動軸承作為船舶動力的一個重要設備，其溫升是反映安全工作狀態的重要指標。長期以來軸溫一直是船舶報警系統的主要監測對象，本文分析了目前軸溫監測報警系統的不足，提出了一種測量精度高、工作穩定可靠、抗干擾能力強的船舶主機軸承溫度監測報警系統方案。

船舶主機；軸承溫度；監測報警系統；數字溫度傳感器DS18B20；單片機

0 前言

可靠運轉的主機軸承是船舶推進與航行的重要保障，是船舶運行安全的重要因素。當軸系失中、潤滑不暢、軸系振動、軸承制造缺陷、異物進入等情況出現時，會迅速產生大量熱量，引起軸溫升高，嚴重時會造成熱損壞和熱切軸，導致安全事故和重大經濟損失發生。因此，主機軸承溫度是船舶報警系統的主要監測對象，研究高精度、高可靠性、工作穩定、維護簡單的主機軸溫檢測報警系統也是船舶機艙自動化技術的要求。

1 目前船舶主機軸承溫度監測報警系統主要類型

1.1 有線式

有線式分為數字式和模擬式有線傳感器。數字式優點是性能可靠，不易受干擾。缺點是實際安裝需要考慮現場多種因素影響。傳感器頭與接線連接處易受水及灰塵腐蝕，易短路。布線不合理容易斷線。模擬式優點是成本低，設計容易。缺點是易受干擾，可靠性差，安裝布線麻煩，節點數量有限。

1.2 無線式

無線式的優點是無需布線節點數量大，便于集中管理。缺點是可靠性差，傳輸距離短，容易受干擾。由于需要安裝電池，不可能在很高的溫度下工作。而且需要定期更換電池。

1.3 接觸式

接觸式是采用傳感器直接和被測軸殼接觸。優點是測量直接，不易受干擾，誤報警率低，缺點是安裝復雜。

1.4 非接觸式

非接觸式一般是采用紅外傳感器安裝在軸承的兩旁。優點是安裝方便，不受震動影響，便于集中管理。缺點是監測成本高，容易受到干擾，結構復雜，誤報率高。

綜合以上類型的優缺點，選用有線式和接觸式的船舶主機軸承溫度監測報警系統方案。

2 軸溫監測報警系統方案設計

主機傳動軸主要由四部分組成：螺旋槳軸、尾軸、推力軸和中間軸。這些軸段的配置和數量取決于船型和動力系統的類型。本文提出一種比較現實可靠的主機軸承溫度監測報警系統方案，系統框圖如圖1所示。

圖1 主機軸承溫度監測報警系統框圖

2.1 傳感器方案設計

（1）傳感器結構

本方案采用的軸溫傳感器，是由不銹鋼外殼，殼體內的溫度傳感器以及一個特別設計的高溫熔斷器。用導熱硅膠將溫度傳感器及高溫熔斷器密封在不銹鋼外殼中，由于導熱硅膠具有減震、導熱和絕緣作用，因此可以減緩軸承強烈震動對傳感器的影響，提高測量精度和工作壽命。而高溫熔斷器可以保證在溫度傳感器失效時，軸承高溫將熔斷器融斷產生報警信號，使系統可靠性更高，從而保證軸承故障擴大，威脅航線安全。

（2）傳感器類型選擇

采用數字溫度傳感器DS18B20，精度0.5℃。傳感器和上位機之間只須一根總線即可完成信息的讀寫，DS18B20本身供電、數據的讀寫和溫度變換所需功率均來自于該總線，不需要額外的電源。每片DS18B20均含有一個惟一的64位硅串行數，通過識別該碼可以區分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個DS18B20，由上位機通過選擇傳感器和串行數對選定的傳感器進行讀、寫、啟動轉換和設置報警參數等操作，性能可靠，不易受干擾。從而在結構上大大簡化系統設計和安裝維護工作。

2.2 溫度采集系統方案設計

（1）輸入電源

可靠性電源是系統穩定工作的重要保障，高頻開關電源模塊在重量、體積和效率等方面具有線性電源無可比擬的優勢，因此采用高效、節能、集成度高的AC-DC開關電源模塊作為系統供電。

（2）單片機

單片機采用STC12C5A60S2，該單片機是STC公司生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。

（3）溫度測量

由于采用了數字溫度傳感器DS18B20，系統以數字量的方式通過總線與上位機系統串行通訊，這種總線簡化了系統布線。為了保證系統總線的工作穩定，應在總線上增加驅動器和光電耦合器隔離，用來增強信號強度和防止干擾。溫度測量系統工作中會經常出現偏差與漂移，因此需要在系統內部設計標準信號源定時對溫度測量系統進行校驗，防止系統產生誤報、虛報警。

3 系統軟件設計方案

系統軟件主要包括三個功能模塊：參數設置、狀態監測和記錄查詢。

參數設置的功能是通過總線給溫度傳感器DS18B20發送指令碼，讀取傳感器的識別碼，根據實際安裝位置編號并存儲在單片機的存儲器中，同時將此信息發送給上位機。

狀態監測是通過上位機與單片機的串行通訊，按照編號選定傳感器，發送指令碼啟動溫度轉換，然后啟動采樣程序，讀取傳感器的溫度測量數據，再發送給上位機。上位機程序對采樣的溫度進行軟件濾波處理后，判斷是否報警并將采集的溫度數據存儲。由于總線上每個傳感器都有唯一的識別碼，因此單片機可以對每一個傳感器依次采集溫度并發送給上位機。

系統有三種報警方式：

（1）絕對溫度報警，即根據實際要求設置一個溫度閥值，超過此溫度閥值即視為超溫報警；

（2）相對溫度超溫報警，即相對環境溫度設定一個溫升值，超過改溫升值即視為報警。系統還可以將各測點的最大溫升率和對應的發生時間存儲到上位機，以備后續查詢分析；

（3）傳感器超溫熔絲報警，即傳感器內部的熔絲熔斷產生的報警，這種情況是由于數字溫度傳感器DS18B20損壞或溫升速度過快造成的。

記錄查詢是在系統運行一段時間后，有關技術人員可以調用該功能模塊查詢此時間段內發生的報警事件和溫度情況，用來分析和診斷軸溫的變化情況。

當系統受到強干擾而出現程序混亂時，該軟件可由單片機內部集成的MAX810自動復位、自行初始化后繼續正常工作。對因瞬態干擾而產生畸變的數據，系統上位機的軟件濾波可以避免誤報警和虛警。

4 總結

本文設計的軸溫監測報警方案針對目前船舶主機軸溫監測系統的不足，采用了新型傳感器和單片機，提高了系統的測溫精度，抗干擾能力和工作穩定性，可以滿足現代船舶自動化設計的需要，對船舶的安全運行有重要的作用。

[1]王建，王雪山，夏秀山.新造5000HP AHTS艉軸承超溫報警故障分析與排除[J].造船技術.2013(06)

[2]王志永.船舶軸系設計及安裝[J].中國水運.2010(04)

[3]楊世興，龔尚福編著.監測監控系統.西安：西安出版社,1999.8

[4]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[M].2008.

Research on the scheme of temperature monitoring and alarming system for ship main engine bearing

Zhang Zhiyuan
（91404 forces，Qinhuangdao Hebei，066000）

With the rapid development of the marine engine room automation technology,the requirements of the ship alarm system is becoming more and more high.As one of the important equipment of ship power,the temperature rise is an important indicator of the safety working status.Long axis temperature has been the main object of ship monitoring and alarm system,this paper analyzes the axle temperature monitor and alarm system, put forward a temperature monitoring ship bearing high accuracy,stable and reliable work,strong anti-interference ability of the alarm system.

marine main engine;bearing temperature;monitoring and warning system;digital temperature sensor DS18B20; single chip microcomputer