船舶修理改裝中推進(jìn)系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與實踐

徐百匯，梁前超，孫 波 ，許旭洲

(1.東海艦隊 裝備部，浙江 寧波 316000；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；3.海軍91860部隊 裝備部，浙江 寧波 312000；4.4802工廠，海南 三亞 512000)

船舶修理改裝中推進(jìn)系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與實踐

徐百匯1，梁前超2，孫 波3，許旭洲4

(1.東海艦隊 裝備部，浙江 寧波 316000；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；3.海軍91860部隊 裝備部，浙江 寧波 312000；4.4802工廠，海南 三亞 512000)

文章針對某大型船舶修理改裝過程中，需要對其原先的電推進(jìn)系統(tǒng)控制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、集中轉(zhuǎn)換及數(shù)字處理的情況，設(shè)計一套大容量高精度信號轉(zhuǎn)換器(型號HGD-GT15)達(dá)到數(shù)字化、集成化目的。結(jié)果表明，在實船應(yīng)用中，該裝置能夠達(dá)到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換精確及可靠、滿足電推進(jìn)系統(tǒng)的要求，并且取得了令人滿意的效果，可以作為其他需要進(jìn)行數(shù)字化修理改裝船舶的參考。

船舶修理;電推進(jìn)系統(tǒng)；改裝；信號采集

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)由于具有很高的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動性及可靠性等優(yōu)勢，已成為未來船舶動力的發(fā)展方向之一[1]。在一些大型船舶修理改裝過程中，必須要用到動力裝置數(shù)字化改裝的問題，對于推進(jìn)系統(tǒng)的各種海量參數(shù)信息進(jìn)行數(shù)字化及快速采集，以滿足電推進(jìn)系統(tǒng)的要求，需要轉(zhuǎn)換的推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)眾多，如推進(jìn)功率、轉(zhuǎn)速、電壓、電源、轉(zhuǎn)向角等上千個[2]參數(shù)。所以轉(zhuǎn)換器的設(shè)計要求非常高，除了數(shù)字化處理速度快以外，還要求集成度好、精度高、失真度小、誤差小等。良好的電路原理設(shè)計、成熟的電路開發(fā)及軟件編寫都有較高的要求[3]。

1 系統(tǒng)信號采集原理及改裝方案

動力裝置數(shù)字化改裝的過程中必須對推進(jìn)系統(tǒng)的各種海量參數(shù)信息進(jìn)行數(shù)字化快速采集。其中用到的參數(shù)信息化電路較多,例如:①轉(zhuǎn)速—電流轉(zhuǎn)換器，原理為：單片機(jī)采集安裝在電機(jī)上的光電編碼器輸出的速度信號，然后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA轉(zhuǎn)換電路，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流。②角位移—電流轉(zhuǎn)換器，原理為：單片機(jī)采集安裝在電機(jī)上的絕對編碼器輸出的角位移信號，然后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA轉(zhuǎn)換電路，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流。③電壓—電流轉(zhuǎn)換器：原理為：經(jīng)過相應(yīng)的電壓傳感器，單電機(jī)采集傳感器輸出的信號變換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號。④電流—電流轉(zhuǎn)換器，原理為：經(jīng)過相應(yīng)的電流傳感器，單電機(jī)采集傳感器輸出的信號變換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號。因此需要設(shè)計專用、綜合轉(zhuǎn)換器。

大容量高精度信號轉(zhuǎn)換器(型號HGD-GT15)：對于推進(jìn)系統(tǒng)的多種海量信息，需要轉(zhuǎn)換的參數(shù)眾多，如推進(jìn)功率、轉(zhuǎn)速、電壓、電源、轉(zhuǎn)向角等，有時達(dá)到上千個參數(shù)。通過相應(yīng)的電路及單片機(jī)處理把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號,以便于集中采集及標(biāo)準(zhǔn)化處理，最后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換及編程送到單片機(jī)中運算處理。進(jìn)一步對其電推進(jìn)系統(tǒng)控制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、集中轉(zhuǎn)換及數(shù)字處理后，設(shè)計了一套大容量高精度信號轉(zhuǎn)換器(型號HGD-GT15),用于實際監(jiān)測系統(tǒng)中。

其電路工作原理如圖1所示。轉(zhuǎn)換器通過單片機(jī)優(yōu)化處理消除了起始死區(qū)，沒有零點漂移問題，線性度好，轉(zhuǎn)化器內(nèi)部采用光電隔離技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。采用低功耗元器件，穩(wěn)定性好、可靠性高、連續(xù)運行不需要校驗和維護(hù)等優(yōu)勢。

圖1 采集系統(tǒng)原理總圖

2 轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)要求

轉(zhuǎn)速—電流轉(zhuǎn)換器、角位移—電流轉(zhuǎn)換器、電壓—電流轉(zhuǎn)換器、電流—電流轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換器是自動化儀表和計算機(jī)控制系統(tǒng)中的重要轉(zhuǎn)換單元。他們與相應(yīng)的傳感器配套，可以將相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、角位移、380 V電壓、大電流線性的轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流，實現(xiàn)檢測調(diào)節(jié)、系統(tǒng)控制的需要。其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、可靠性，直接影響整個控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量。具體信號指標(biāo)如下：①輸入信號，速度、角位移、電壓、電流；②輸出電流，4～20 mA；③負(fù)載電阻，<500 Ω(包括線路電阻)；④使用電源，DC24 V；⑤工作方式，連續(xù)工作；⑥功耗低于2 W。

以上所有工作電路的轉(zhuǎn)化器設(shè)計必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求和船舶檢驗要求。

3 采集電路板設(shè)計

為滿足船舶系統(tǒng)對各種采集參數(shù)的要求，轉(zhuǎn)換器必須通過單片機(jī)優(yōu)化處理消除起始死區(qū)，解決速度快、沒有零點漂移、線性度好等問題[4]。轉(zhuǎn)化器內(nèi)部采用光電隔離技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。具體設(shè)備清單見表1所示。具體要求是：①安裝尺寸：長20 cm 、寬15 cm 的電路板；②安裝方式：板前標(biāo)準(zhǔn)的插接線插頭即輸入16針，輸出12針。

表1 設(shè)備清單

4 典型工況試驗

為驗證HGD-GT15型信號轉(zhuǎn)換器的實際應(yīng)用效果，我們專門設(shè)計和編制了推進(jìn)系統(tǒng)控制信號的采集處理、顯示系統(tǒng)，進(jìn)行了推進(jìn)系統(tǒng)典型工況試驗，用來驗證轉(zhuǎn)換器數(shù)字化精度和采集系統(tǒng)容量。采集系統(tǒng)具體應(yīng)用在涉及的船舶修理改裝過程中時，推進(jìn)系統(tǒng)典型工況試驗如圖2所示，電流/電壓—電流轉(zhuǎn)換器連接如圖3所示。系統(tǒng)的運行速度及精度達(dá)到了船舶規(guī)范的要求。通過對所建系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到了一系列參數(shù)的不同響應(yīng)數(shù)據(jù)及誤差范圍。

表2為實驗過程中數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)準(zhǔn)化處理及誤差計算等。從表2可以看出優(yōu)化設(shè)計的數(shù)字采集、轉(zhuǎn)換、顯示、控制系統(tǒng)，較好地滿足該電推進(jìn)系統(tǒng)的實時性要求，具有高可靠性、實時糾錯、自行診斷等功能。誤差為2%～6%以內(nèi)，達(dá)到系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)的要求[4-5]。

5 結(jié)束語

本文對電推進(jìn)系統(tǒng)的各模塊的數(shù)字化具體要求

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)典型工況試驗圖

圖3 電流/電壓—電流轉(zhuǎn)換器

進(jìn)行了研究，設(shè)計了數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)電路及采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器。通過對所建系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到了一系列參數(shù)的不同響應(yīng)過程并且進(jìn)行了各個信號的計算誤差及分析。

表2 各典型信號采集及檢驗

研究結(jié)果表明：通過推進(jìn)系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)的采集、實時處理能夠保證機(jī)組轉(zhuǎn)速及電機(jī)端電壓、電流信號的采集精度，滿足電推進(jìn)系統(tǒng)要求。

[1]馬偉明.船舶動力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)[J]. 上海海運學(xué)院學(xué)報,2004,25(1)：1-10.

[2] 孫清磊,楊峰,羅寧昭.船舶電力系統(tǒng)綜合記錄分析儀研制[J].中國修船，2014(6)：35-37.

[3] L．M．Hajagos，G．R．Bérubé．Utility experience with gas turbine testing and modeling[C]．IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，Columbus，OH，USA.2001(1):52-56.

[4]王超,李雪亭,張海鵬.機(jī)電高精度實時測量方法研究[J].中國修船,2015(1)：16-18.

[5]施偉鋒,許曉彥.船舶電力系統(tǒng)建模與控制[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

In the process of ship-repair,the control signal of the original electric propulsion system must be collected and converted into digital signal.In order to reach the goal of digitalization and integration,a set of large capacity and high precision signal converter(HGD-GT15)is urgently needed.The result shows that the signal converter can meet demand of electric propulsion system in the practical application,which can be a reference for other ships that should be digitalized.

ship repair;electric propulsion system;refit;signal collection

湖北協(xié)同創(chuàng)新基金(HX2015B1003)

徐百匯(1969-)，男，浙江諸暨人，高級工程師,碩士，主要從事船舶動力裝置與管理研究工作。

TK472

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.008

2016-08-23