基于STM32的船舶管路振動應急處理系統設計

胡 義 ，劉佳佳 ，李武超 ，劉 斌

（1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.武漢理工大學 物流工程學院，武漢430063）

管道異常振動危害在各行業中時有發生。在實際管道中，流體的沖擊或脈動都會激發管道產生機械振動，船舶管路還受到機艙發動機激勵力和螺旋槳激勵力引發的振動以及船舶在航行時晃動的影響。因此，船舶管路的振動與陸地管道相比較，振動模式復雜[1]、幅度較大。如果不能及時監測到異常振動并采取有效的措施，可能成為船舶的安全隱患。國內外對管道振動的研究專注于在線監測與故障診斷方面[2]，當發生異常振動時，需要有相關的應急處理措施相應對。基于以上問題，有必要設計和實現船舶管路異常振動應急處理系統，在一定程度上減少管道異常振動所引發的事故和經濟損失。

1 振動處理技術

近年來，針對于軸承振動處理的研究較多，隨著振動信號處理技術的日益成熟，故障診斷系統已有技術支持[3]，但是與之配合的應急處理系統的設計仍處于待完善狀態。引起船舶管道系統振動的原因很復雜，歸納如表1所示。

表1 船舶管道系統振動形式與原因Tab.1 Vibration form and cause of ship piping system

在現有技術的基礎上，本系統結合了船舶管道振動模式復雜的特點，采用流量傳感器與加速度傳感器或門連接，增加了系統的精確性與穩定性。同時，針對管道異常事故的發生，在監測的基礎上，增添了控流、減振的內外調節式應急處理模塊，從而降低了管道系統損壞的風險。該裝置可實現對船舶管道振動實時監測與應急處理，對及時發現并處理管道異常振動、泄漏等類似故障，對提高管道的安全性能，提升船舶自動化程度具有重要意義。

2 試驗平臺設計

本文研究并設計了一種船舶管道異常振動監測與應急處理試驗平臺，如圖1所示，其硬件系統主要包括振動信號采集裝置、信號分析系統、自動應急處理系統。其中，振動信號采集裝置主要包括加速度傳感器、流量傳感器、信號采集卡；信號分析系統由微型處理器構成；自動應急處理系統由單片機、電磁閥、緊固橡膠圈以及伺服電機組成。

圖1 監測與應急處理試驗平臺Fig.1 Monitoring and emergency response test platform

加速度傳感器選用AKE390B電壓型加速度計，具有低功耗、結構堅固、輸出穩定等優點。流量傳感器選用西門子公司QVE1901型，傳感器將信息存儲于LMS SCADAS III數據采集端[4]。該數據采集端具有16通道，每通道最高采集頻率為204.8 kHz，量程 PQA 為（-10 V±62.5 mV）～（10 V±62.5 mV），PQMA 為（-25 V±10 mV）～（25 V±10 mV），PQCA 為（-51200±5）～（51200±5）pC， 采樣帶寬為 16 位 ΣΔ，92 kHz；數據采集前端與微型處理器連接，微型處理器實時對信號進行分析處理。若出現異常振動即超出所設定的安全范圍，單片機控制伺服電機帶動閥門轉動，實現閥門開合大小的調節。控制伺服電機帶動橡膠圈的縮放，實現對管道緊固程度與高度的調節。其共同構成應急處理系統，實現對船舶管道異常振動的相應處理。

在本試驗平臺中，傳感器的選擇主要考慮到工作的環境、量程、精確性、穩定性以及經濟性，流量傳感器實時監測管道內的流量，加速度傳感器經電壓放大器與積分轉化，實時精確而穩定的輸出管道振動產生的位移、管道相對于水平面的傾斜角度等信號。在此，流量傳感器采用了普通傳感器，而振動傳感器關系到最終的定位精度，采用了AKE390B加速度傳感器。后者為單晶硅電容式，由一片經過微機械處理的硅芯片，內含低功率的ASIC用于信號調整，微處理器用于存儲補償值[5]；在全量程范圍內比例因子的長期穩定性及偏差典型值小于0.1%，能夠滿足試驗要求。

3 應急處理系統設計

針對目前管道事故頻發而設計的實時監測與應急處理裝置，首先需要進行應急處理系統的設計。考慮到船舶管道振動的復雜性，基于傳統傳感器，采用流量與加速度傳感器相互協同，提高了應急處理系統的精確性與穩定性；調流、減振的內外調節應急處理系統，可控制管道內流量的壓強、流速、流量，可調整管道的外加約束力，避免管道異常振動。

3.1 應急處理系統硬件

1）單片機

單片機是整個控制系統的核心，選用STM32型號單片機。啟動電路使用STM32內部生成的8 MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時<6 μs，具有極高的靈活性。可以使該單片機快速處理所接收的信號，及時減弱或消除異常振動，最大程度地保證機器及人員的安全[6]。

2）伺服電機

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得偏置電壓。其內部的基準電路產生周期為20ms，寬度為1.5 ms的基準信號，將所得的偏置電壓與電位器的電壓相比較，獲得電壓差輸出，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差減小，當電壓差為0時，電機停止轉動。伺服電機控制原理如圖2所示。

圖2 伺服電機控制原理Fig.2 Servo motor control principle

3）緊固支架

緊固支架在支架與管道接觸的一側加入了一圈橡膠層，以減輕外界環境對管道的影響，減少異常振動的發生。與其它支架不同的是，為了便于伺服電機調節支架的緊固程度，該支架采用釘架一體化設計，伺服電機只需控制螺母的旋轉即可控制支架對于管道的緊固程度與高度。支架調節控制流程如圖3所示。

圖3 支架調節控制流程Fig.3 Bracket regulate control flow chart

4）雙閥門流量調節

采用CK100DP型號電動比例調節閥，其重要組成部分是電位器。當閥門閥芯位置發生變化時，在電位器輸出端可獲得一電壓值，即閥門開度電壓值，該值與位移量成一定線性關系。為保證用戶設定的開度電壓值與電位器輸出電壓值相同，電動比例調節閥電機會自動改變閥芯位置，由此控制流量大小。采用2W-160-15型號電磁閥，該閥適用于0～1.0 MPa，流體溫度為-5～80℃的管道。 當流體流量正常時，電磁閥常開；當流量過大，超過限度值時，電動比例調節閥中的電位器中電位器輸出端可獲得一定的電壓，信息綜合處理系統在接收并處理該電壓信號后，給電磁閥通電，關閉電磁閥閥門，從而保證管路安全。

3.2 應急處理系統原理

應急處理系統采用控流、減振的內外調節的控制方式，通過流量傳感器，實時獲取管道內流量大小以及流速大小；通過與設定流量值比較，電磁比例調節閥工作，若流量過大至使電動比例調節閥中的電位器產生超過限度值的感應電壓時，電磁閥開始工作，雙閥門系統進一步確保管道流量的正常。當管道振動較為劇烈時，加速度傳感器通過接口輸出位移變化量，存儲于數據采集前端，由信號分析處理系統，進行對信號分析處理，如果振動超出預定的安全值，則單片機控制伺服電機帶動螺母旋轉，調節管道的緊固程度與高度。應急處理系統組成原理如圖4所示。

采用C#語言進行程序開發。在單片機內編寫控制程序，能夠對分析處理后的信號做進一步判斷處理。其主要的內容為對采集到的信號進行FFT分析[7]，并將分析結果與預定值進行比較。預定值根據管道不同的工作環境，多次試驗而得出相應的數據。主程序流程如圖5所示。

圖4 應急處理系統組成原理Fig.4 Principle of emergency response system

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

4 系統試驗

在實際船舶試驗中，選取與空氣壓縮機連接段管道為研究對象，其長度為10 m，通徑20 cm，壁厚0.5 cm，水頭3 m，軸線偏差主要形式為上下偏移。在系統開啟并運行穩定后8 s時，通過調節管道末端，使管道軸線上下浮動管半徑（2.5 mm）的2.5%時，應急處理系統發出警報，單片機及時控制螺母旋轉以調整管道的高度，使管道軸線偏差處于管半徑的（-2.5%～+2.5%）范圍內。工況1和工況2情況下，管道的軸向上下位移對比如圖6所示。

圖6 管道軸線位移的對比Fig.6 Comparison of piping axial displacement

通過在實際船舶機艙中，管道振動測試試驗，得出以下結論：

1）管道軸線偏差大于預設值時，應急處理系統能夠及時響應，響應時間控制在2～5 s內，考慮到信號采集、傳輸與處理的延時、故障診斷的復雜性，這樣的響應速度是可以接受的，滿足設計要求；

2）在工況2情況下，系統未采取調整措施，軸線偏差處于上下波動狀態，管道產生振動與噪聲，磨損與疲勞損傷加重。而工況1則表明，系統控制支架的調節可使軸線偏差處于安全范圍，應急處理系統調整精度控制在管半徑的2.5%以內，滿足了控制系統的應急要求；

3）試驗發現，在機艙噪音大、溫度高、振動強的惡劣環境下，該系統的應急處理響應速度與控制精度并沒有受到影響，試驗系統的穩定性滿足要求；

4）該應急處理系統，實現了對管道異常振動的應急處理，提高了船舶機艙的應急能力。

5 結語

利用振動控制技術，較好地解決了管道軸線偏差所引起的異常振動問題。基于STM32的管道異常振動應急處理系統，不但能夠實現對管道軸線偏差與流量的應急調節，還可對管道破裂、管道泄漏等類似故障具有一定監測與應急處理作用，而且該系統可靠性強、成本低、控制精度高、響應速度快，具有較大的推廣價值與應用前景。為了使管道異常振動應急處理系統更好地運用于船舶，今后在提高故障診斷的精確度與處理系統的穩定性兩方面，應該進一步開展深入試驗研究工作。

[1]李育忠，鄭宏麗，賈世民，等.國內外油氣管道檢測監測技術發展現狀[J].石油科技論壇，2012，31（2）：30-35.

[2]Riccardo Di Giminiani.The effects of vibration on explosive and reactive strength when applying individualized vibration frequencies[J].Journal of Sports Sciences，2009，27（2）：169-77.

[3 李鶴鳴，王厚華.基于單片機的船舶設備信號采集及處理系統[J].船海工程，2007，36（6）：35-38.

[4]徐麗瓊.船舶輸流管道系統的振動研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[5]趙士榮.管道振動故障三維檢測方法的研究[D].吉林：東北電力大學，2012.

[6]桑勇，李鋒濤，代月幫，等.面向伺服電機的STM32單片機控制系統設計[J].機電工程技，2015，44（11）：65-72.

[7]張龍，曾國英，趙登峰，等.機床振動信號數據采集系統設計[J].機床與液壓，2012，40（15）：71-73.