基于以太網(wǎng)的船用柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)研制

汪恬

摘要：柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對柴油機(jī)運行參數(shù)的實時監(jiān)測，當(dāng)參數(shù)越限時會及時提醒操作人員消除安全隱患，因此研制船用柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)有著十分重要的應(yīng)用價值。本文根據(jù)當(dāng)前柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用需求，結(jié)合以太網(wǎng)總線的特點，展開了安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，并設(shè)計操作顯示單元實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示以及報警的功能。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；安全監(jiān)測；以太網(wǎng)

一、引言

本文以船舶柴油機(jī)為對象，結(jié)合當(dāng)今飛速發(fā)展的以太網(wǎng)技術(shù)，研制了一套功能完善、操作界面友好的柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)。柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控儀由微型計算機(jī)控制的，能精確監(jiān)測顯示柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、油壓、水溫、油溫和排溫等參數(shù)，并能根據(jù)與用戶設(shè)定值比較，對越限參數(shù)發(fā)出報警信號；另還設(shè)定有停機(jī)保護(hù)功能，參數(shù)越限超過停機(jī)值，則發(fā)出停機(jī)信號。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

2.1 系統(tǒng)功能分析

根據(jù)船舶安全運行需求，柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：

1.采集柴油機(jī)各路壓力信號、溫度信號、轉(zhuǎn)速脈沖等模擬量以及開關(guān)量輸入信號，并對上述的信號顯示記錄。

2.將處理后的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至操作顯示單元，上位按照模擬儀表盤或列表顯示示采集數(shù)據(jù)并存儲，為后續(xù)維修診斷提供依據(jù)。

3.當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過或低于預(yù)定值時，輸出報警信號到操作顯示單元。

根據(jù)系統(tǒng)控制功能要求，圖1所示柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)的輸入輸出信號及系統(tǒng)間關(guān)系。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

安全監(jiān)測系統(tǒng)由安保單元、監(jiān)測控制單元和操作顯示單元三部分組成，各部分之間電氣連接關(guān)系如圖2所示：

安保單元是監(jiān)測和控制柴油機(jī)停車功能的獨立系統(tǒng)。通過監(jiān)測柴油機(jī)的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速量等信號，并輸入至單片機(jī)中，數(shù)據(jù)處理程序做出相應(yīng)的電磁閥動作，完成柴油機(jī)安全保護(hù)功能。安保單元能夠?qū)崿F(xiàn)超速停車、高溫水高溫停車、滑油低壓停車、應(yīng)急停車（設(shè)置在集控室）、各種傳感器的電纜檢測、系統(tǒng)的電源及故障檢測。同時將上述開關(guān)量和模擬量信號經(jīng)過處理后通過串口通信發(fā)送到監(jiān)測控制單元實現(xiàn)通訊。

監(jiān)測控制單元是監(jiān)測系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、保護(hù)及報警、通訊等功能。監(jiān)測控制單元接受監(jiān)測部件（傳感器、接線等）送來的信號，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、通訊傳輸、報警判斷等工作，并通過電控部件（繼電器、電磁閥）實現(xiàn)控制的功能。

操作顯示單元主要接收來自監(jiān)測控制單元參數(shù)數(shù)據(jù)并予以顯示，當(dāng)監(jiān)控量越限時實現(xiàn)報警，操作顯示單元的安全停車設(shè)定值應(yīng)調(diào)整到比安保單元中的設(shè)定值稍高/稍低，以保證在危險的情況下應(yīng)用安保單元停車。當(dāng)安保單元發(fā)生故障時，操作顯示單元中的安全停車也能夠起作用。

三、系統(tǒng)設(shè)計

1、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)采用16位微控制器作為主控制器，控制器通過接口電路采集柴油機(jī)各狀態(tài)參數(shù)信號，并對信號處理以及邏輯判斷，根據(jù)判斷結(jié)果決定是否輸出繼電器控制信號，另外其與操作顯示單元通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

（1）MCU選型

本次設(shè)計采用的XC2267是英飛凌（infineon）公司基于C166架構(gòu)的16位單片機(jī)，其具有很寬的工作環(huán)境溫度范圍，可以從-40℃到 +125℃，另外其還有許多優(yōu)秀特性：

MCU 82kB片上RAM（2kB DPRAM，16kB DSRAM，64kB PSRAM）

16通道10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶4.1V精密電壓參考

SPI通訊的12位 D/A 轉(zhuǎn)換

其帶有16通道的AD轉(zhuǎn)換，便于數(shù)據(jù)的采集處理，并且?guī)в?4位的地址，8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線，方便對外圍控制芯片的控制操作，因此本文采用infineon單片機(jī)SAK-XC2267-96F作為現(xiàn)場分布式單元的主控芯片。

（2）溫度測量調(diào)理電路

監(jiān)測控制單元需要采集15路的溫度參數(shù)，溫度范圍分為0～200℃和0～800℃，分別采用熱電阻和熱電偶來實現(xiàn)。

熱電阻測量調(diào)理電路如圖3，采用減法運算式的恒流源測溫電路，恒流源給熱電阻提供激勵電流，熱電阻接在JN和JG之間，對應(yīng)0～200℃的電壓信號從NO_PT輸出。

熱電偶測量采用K型熱電偶芯片MAX6675，其溫度測量范圍為0℃～1024℃，MAX6675作為一種在工業(yè)現(xiàn)場專用測量熱電偶的器件，本身芯片內(nèi)部已集成冷端補(bǔ)償電路（補(bǔ)償溫度范圍-20℃～80℃）。同時芯片本身還有對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的能力，包括信號的線性處理和放大、溫度的冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換精度12位）以及SPI串口數(shù)字化輸出這些功能，這些為其后續(xù)電路的設(shè)計提供了很大的方便。

熱電阻和熱電偶測量的溫度信號直接送到模擬切換開關(guān)，模擬切換開關(guān)順序的輸出各路溫度信號到調(diào)理電路，調(diào)理電路輸出信號NO_PT，SPI_Ther到放大電路，放大后送到AD采樣單元。

（3）壓力測量調(diào)理電路

監(jiān)測系統(tǒng)中需要采集滑油壓力、燃油壓力等壓力信號，一般的壓力傳感器輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，設(shè)計中采用150Ω 1‰精密電阻將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，在后端通過放大電路放大轉(zhuǎn)化的電壓信號，使其電壓分布在AD輸入能夠接受的范圍內(nèi)，以利于提高分辨率和精度，其測量電路圖如圖5所示。

（4）轉(zhuǎn)速測量調(diào)理電路

機(jī)旁監(jiān)測系統(tǒng)分別采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以及增壓器轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍分別是0～1400 rpm和0～80000 rpm，采用接近開關(guān)式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測量采集。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器不需要外接電源，其通過飛輪凸齒改變磁通變化輸出的波形類似于正弦波，接口電路需要將正弦波整形成方波信號輸入主控單元，再通過在固定的時間內(nèi)計數(shù)方波數(shù)目從而得出轉(zhuǎn)速。其調(diào)理電路如圖7所示，轉(zhuǎn)速信號從CD_ROT1輸入，先經(jīng)過兩次二階濾波，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器將濾波后的干凈信號整形成為方波進(jìn)行輸出，轉(zhuǎn)速傳感器得到的方波信號經(jīng)波峰限制處理后送入XC2267單片機(jī)的定時捕捉模塊，用其內(nèi)部硬件計數(shù)器完成轉(zhuǎn)速的測量，其中BAT54S將方波的峰值限制在0～5V范圍內(nèi)，使之成為單片機(jī)控制器易于接受的TTL方波。

（4）以太網(wǎng)接口電路

ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片是帶有SPI接口的獨立以太網(wǎng)控制器，可以直接連接到配有以太網(wǎng)控制端口的MCU中，如圖7所示為以太網(wǎng)控制器接口電路。

ENC28J60屬于CMOS器件范疇，其設(shè)計工作電壓為3.3 V，但SPI控制端口和RESET引腳均接受5V電壓，只需將網(wǎng)絡(luò)芯片與MCU的地連接統(tǒng)一，這樣就滿足了5V電壓工作的嵌入式系統(tǒng)。

2、監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）監(jiān)測控制單元的數(shù)據(jù)采集和處理

監(jiān)測控制單元每一個傳感器要采集多路信號，設(shè)計采用多路復(fù)用開關(guān)進(jìn)行測量路數(shù)的轉(zhuǎn)換，這樣既擴(kuò)展了AD采集的路數(shù)，又減少了I/O占用量，設(shè)計中主程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)的邏輯進(jìn)行判斷，在中斷中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和通道的轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)的采集過程如圖9所示：

（2）通訊程序設(shè)計

通訊主程序如圖10所示，操作顯示單元作為主機(jī)，首先發(fā)出以太網(wǎng)幀，以太網(wǎng)幀分為IP幀和ARP幀，當(dāng)為ARP幀時則實現(xiàn)IP地址和MAC地址的對應(yīng)，并建立ARP緩存，當(dāng)為IP幀時則完成對IP數(shù)據(jù)的解析，解析后進(jìn)入傳輸層，若為ICMP幀則需要實現(xiàn)兩個IP之間的ping的操作，當(dāng)為Udp幀時其實現(xiàn)數(shù)據(jù)向應(yīng)用層的傳送，進(jìn)入應(yīng)用層后數(shù)據(jù)按照Modbus形式通過函數(shù)進(jìn)行解包，然后讀取保持寄存器的值后再打包成Modbus的形式向操作顯示單元回復(fù)數(shù)據(jù)。本次的數(shù)據(jù)通訊格式如表4-3所示：

3、操作顯示系統(tǒng)設(shè)計

（1）系統(tǒng)主界面

操作顯示單元采用步科的MT4414TE型號觸摸屏來設(shè)計，組態(tài)界面采用步科圖形化編程軟件EV5000來進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計主界面主要包括主機(jī)轉(zhuǎn)速、尾軸轉(zhuǎn)速、滑油、燃油、廢氣、淡水壓力以及緊急停機(jī)、本地控制等一些開關(guān)量。另外在每個界面的下方都有快捷菜單，可以實現(xiàn)返回主界面，返回上一個界面以及查看報警列表的功能，其主界面設(shè)計如圖11所示：

導(dǎo)航界面中主要包含一些主機(jī)的運行參數(shù)，通過對此界面的操作可以實現(xiàn)對油壓、水溫等參數(shù)界面的快速訪問，其設(shè)計界面如圖12所示：

四、小結(jié)

依托infineon 16位的微控制器研制的船用柴油機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)其功能特點完成編寫相關(guān)軟件及一系列相關(guān)測試。并制定了上位機(jī)開發(fā)方案，通過組態(tài)軟件編寫操作顯示單元的顯示界面，完成了以太網(wǎng)總線數(shù)據(jù)在操作顯示單元的顯示、存儲。通過聯(lián)調(diào)和測試，顯示精度、控制功能等指標(biāo)均符合預(yù)期的要求。

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