船舶柴油機曲軸箱油霧濃度檢測系統設計

劉 宇

（武警海警學院，浙江寧波 315801）

0 引言

隨著柴油機技術的發展，船舶性能在不斷地提高。只有對曲軸箱油霧濃度檢測裝置的響應速度和準確度要求更高，能夠實時監控油霧濃度狀態，才能避免曲軸箱爆炸事故的發生。如今，幾乎所有的大功率柴油機上都配備了曲軸箱油霧濃度檢測裝置，其中諸如英國GRAVINER公司生產的MARK6型油霧濃度檢測裝置，采用光散射原理設計制造，是當前最佳方案。

而目前在國內自主研發的這一類產品還比較缺乏、沒有同類型產品可供使用，在中國市場主要還是靠進口英國GRAVINER 公司和德國SCHALLER AUTOMATION公司的系列產品，這使得我國將花費大量經濟費用。因此自主研發出一款經濟實用的高性能柴油機油霧濃度檢測裝置對我國船舶的發展有著深遠的意義。

本次設計內容主要分為2大部分：

1）硬件的選取。模擬MARK6型油霧濃度檢測裝置的工作原理，選取性能更好、價格更實惠的硬件設備。

2）軟件設計開發。選取合適的操作系統作為開發平臺，采用軟件開發工具進行界面設計，利用觸摸屏幕技術模擬油霧濃度檢測裝置的按鍵界面。

1 MARK6型油霧濃度檢測裝置分析

MARK6型油霧濃度檢測裝置采用了光散射法的測量原理，通過檢測光源發出的光束穿過采樣氣體后的散射光強度檢測出油霧濃度。因此，光源與感光管是成90°來布置的[1]。從直觀上看，MARK6型油霧濃度檢測裝置采用了分布式設計。其特點是在每個曲軸箱內分別安裝有一個探頭進行檢測，并且所有探頭都通過屏蔽電纜接到中間接線盒中，再由中間接線盒的數據線傳遞數據至主控制機，從而實現檢測。

MARK6型油霧濃度檢測裝置的主控制機設置在集控室內，給操作人員提供了一個良好的工作環境。另外，主控制機設置在集控室的優勢在于操作人員能夠同時觀察所有曲軸箱內的油霧濃度狀態，在液晶屏上同時顯示各個曲軸箱內油霧濃度值。即使有若干個曲軸箱內的油霧濃度值同時出現過高的情況，也能同時發出聲光報警，便于操作人員進行報警處理。不同反光物質對光線的反射率不同，產生散射光的波長也不同，MARK6型油霧濃度檢測裝置就是通過檢測特定波長的散射光的強弱來測量油霧濃度，這不僅提高了裝置的靈敏度和抗干擾能力，還最大限度地降低了誤報警。不過遺憾的是，MARK6型油霧濃度檢測裝置電源部分的防護較弱，容易引起油霧濃度檢測器間歇出現誤報警并使主機減速，檢測裝置的測量器件也容易損壞。另外，采購一臺MARK6型油霧濃度檢測裝置需要花費昂貴的價錢。

為了節約經費，更有效地結合船舶實際情況，本次設計的油霧濃度檢測系統就是以MARK6系統為基礎模擬設計的一個油霧濃度檢測系統。系統界面參考了MARK6這款產品，通過設計來熟悉MARK6型油霧檢測裝置的軟件按鍵功能和軟件操作[2]。

2 油霧濃度檢測系統硬件設計

本次系統硬件設計的要求是既能模擬MARK6油霧濃度檢測裝置的工作原理，又能達到節約經費的目的。從硬件設備的經濟性和性能方面綜合考慮，確定要選取的硬件設備有：MQ-2煙霧傳感器，QY-9315S嵌入式工控板，IPAM-3402數模轉換模塊，QC-121IPE10T液晶觸摸屏，油霧濃度檢測系統工作流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

2.1 MQ-2傳感器

柴油機工作時間長，油霧濃度檢測裝置難免會出現故障，造成油霧濃度傳感器損壞而需要更換。但類似MARK6型油霧濃度傳感器的產品在市場上并不多，不易采購，并且購買一個MARK6型油霧濃度傳感器探頭需要花費3萬元人民幣，價格十分昂貴，所以本次設計的油霧濃度檢測系統的傳感器探頭選取的是可用于家庭和工業上氣體泄漏檢測的煙霧傳感器MQ-2，MQ-2是一個多種氣體探測器，能夠監視煙霧、烷、液化氣等氣體。

通過MQ-2采集的煙霧濃度信號來模擬油霧濃度探頭的信號，實現采集油霧濃度信號的過程。鑒于MQ-2煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，為了使傳感器達到穩定的工作狀態，通電后需要進行預熱，否則其輸出的電壓和電阻不準確，因此在軟件設計過程中需給系統設計預熱時間。

2.2 IPAM-3402轉換模塊

MARK6型油霧檢測裝置安裝柴油機上，溫度高，振動大，工作環境十分惡劣。根據模擬設計的系統工作流程，傳感器在接受到信號后，被轉換模塊采集，轉換模塊將采集的模擬信號轉換為數字信號，傳遞給嵌入式工控板，工控板對數據進行處理。為保證油霧濃度檢測系統的可靠性，選取合適的轉換信號模塊，通過通信總線連接,這樣能夠提高檢測速度，因此選擇晉江電子科技有限公司生產的IPAM-3402轉換模塊。

IPAM-3402轉換模塊是基于通信總線接口的數據采集模塊，應用于工業的現場控制和遠程監控與數據采集。其主要功能是進行模擬量輸入信號采集，輸入信號范圍為±10 V，是混合I/O模塊，具有4路的AI差分通道，每一組差分通道可配置為2路的單端輸入通道。模塊具有2路的AO通道，即可獨立控制輸出，也可進行同步輸出，模塊還具有2路DI和2路DO通道，其中2路DI可配置為計數器功能。

IPAM-3402轉換模塊對I/O端口采用了光電隔離，保證了在高速工業現場總線通信得到無錯誤的數據傳輸，同時模塊采用了帶隔離的RS-485通訊接口，降低了工業現場信號噪聲干擾對通訊接口的影響，設置了看門狗電路，可以在出現意外后不會死機，在定時時間到后復位，使系統重新啟動，有效地保障了系統的安全運行。

2.3 嵌入式工控板

本次設計的檢測系統的處理器選取了ARM嵌入式工控機，主板采用QY-9315S嵌入式arm主板。QY-9315S是一款工控開發板，其主板由單板結構構成，采用CIRRUS LOGIC EP9315 ARM9處理器，處理器主頻為200 MHz，ARM920T內核，還具有Maverick Crunch協處理器。核心板采用高密度6層設計，板載64MB SDRAM和32 MB NorFlash，具有多種操作系統，完美支持 Linux2.6和Win CE5.0操作系統。

該主板還擴展了觸摸屏、矩陣鍵盤、TFT-LCD、IDE、CF、RS232/RS485、USB等常用外圍接口，12V直流電壓供電，并且支持6 V～25 V寬范圍電壓供電，單板功率為3 W，可在-20 ℃～70 ℃的環境下工作，具有復位電路和看門狗功能。具有低功耗、節能環保，抗電磁干擾能力強，系統安全好，能夠協調處理器大大提高浮點、整型和信號的處理能力等優勢。

2.4 液晶觸摸屏

我們知道MARK6型油霧檢測裝置的主控制機安裝在集控室內，當發生油霧濃度過高報警時，主控制機顯示報警的缸號，需要通過鍵盤和鼠標操作才能對報警信號進行處理。鑒于本次設計的數據通信采用了RS485總線，嵌入式工控板采用了QY-9315工控板，則在油霧濃度檢測裝置的面板設計上可采用液晶觸摸屏，利用嵌入式技術來虛擬MARK6 設備的按鍵，取代了復雜的鍵盤操作，選擇的觸摸屏占用空間少，靈活性高，環境適應性好。點擊“復位”可重置警報狀態，報警狀態初始化；點擊“發動機界面”可查看發動機運行情況；點擊“測試”進入測試菜單，對系統軟件進行測試，檢驗傳感器是否正常工作。

4）方向鍵：通過向上下左右4個方向移動來選擇目錄。

5）返回鍵"←"，點擊后返回到上一級目錄，回車鍵"┚"，點擊后確認所選目錄。

6）狀態指示燈區域：當系統發生故障時，報警指示燈及其相應的故障指示燈顏色變為紅色，電源ON鍵亮綠燈表示電源已接通。

4 結論

雖然此次設計的系統的模擬性能好，選取的硬件也都結合了船舶的實際情況，選擇了性能好，成本低的硬件設備，達到了節約經費的目的，軟件設計的操作界面也近似于真實的油霧濃度檢測設備。但是依然存在硬件的可行性未驗證，軟件界面的各按鍵功能還沒有實現等不足。下一步仍需實現查看主機各缸油霧濃度的狀態、查看傳感器精確讀數、重置傳感器峰值和平均值、油霧濃度警報試驗等模擬操作。