汪恬
摘要:柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)參數(shù)越限時(shí)會(huì)及時(shí)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(cè)系統(tǒng)有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。本文根據(jù)當(dāng)前柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用需求,結(jié)合以太網(wǎng)總線的特點(diǎn),展開了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)操作顯示單元實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示以及報(bào)警的功能。
關(guān)鍵詞:柴油機(jī);安全監(jiān)測(cè);以太網(wǎng)
一、引言
本文以船舶柴油機(jī)為對(duì)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(cè)系統(tǒng)。柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控儀由微型計(jì)算機(jī)控制的,能精確監(jiān)測(cè)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(duì)越限參數(shù)發(fā)出報(bào)警信號(hào);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(hào)。
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(yùn)行需求,柴油機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能:
1.采集柴油機(jī)各路壓力信號(hào)、溫度信號(hào)、轉(zhuǎn)速脈沖等模擬量以及開關(guān)量輸入信號(hào),并對(duì)上述的信號(hào)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(chǔ),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(shí),輸出報(bào)警信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)及系統(tǒng)間關(guān)系。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由安保單元、監(jiān)測(cè)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(cè)和控制柴油機(jī)停車功能的獨(dú)立系統(tǒng)。通過監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速量等信號(hào),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(dòng)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(cè)、系統(tǒng)的電源及故障檢測(cè)。同時(shí)將上述開關(guān)量和模擬量信號(hào)經(jīng)過處理后通過串口通信發(fā)送到監(jiān)測(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)通訊。
監(jiān)測(cè)控制單元是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心模塊,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)及報(bào)警、通訊等功能。監(jiān)測(cè)控制單元接受監(jiān)測(cè)部件(傳感器、接線等)送來的信號(hào),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、通訊傳輸、報(bào)警判斷等工作,并通過電控部件(繼電器、電磁閥)實(shí)現(xiàn)控制的功能。
操作顯示單元主要接收來自監(jiān)測(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)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(xiǎn)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(shí),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(jì)
1、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)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(hào),并對(duì)信號(hào)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(hào),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(jì)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(duì)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(chǎng)分布式單元的主控芯片。
(2)溫度測(cè)量調(diào)理電路
監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)。
熱電阻測(cè)量調(diào)理電路如圖3,采用減法運(yùn)算式的恒流源測(cè)溫電路,恒流源給熱電阻提供激勵(lì)電流,熱電阻接在JN和JG之間,對(duì)應(yīng)0~200℃的電壓信號(hào)從NO_PT輸出。
熱電偶測(cè)量采用K型熱電偶芯片MAX6675,其溫度測(cè)量范圍為0℃~1024℃,MAX6675作為一種在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)專用測(cè)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(shí)芯片本身還有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的能力,包括信號(hào)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(jì)提供了很大的方便。
熱電阻和熱電偶測(cè)量的溫度信號(hào)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(hào)到調(diào)理電路,調(diào)理電路輸出信號(hào)NO_PT,SPI_Ther到放大電路,放大后送到AD采樣單元。
(3)壓力測(cè)量調(diào)理電路
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要采集滑油壓力、燃油壓力等壓力信號(hào),一般的壓力傳感器輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),設(shè)計(jì)中采用150Ω 1‰精密電阻將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),在后端通過放大電路放大轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào),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(cè)量電路圖如圖5所示。
(4)轉(zhuǎn)速測(cè)量調(diào)理電路
機(jī)旁監(jiān)測(cè)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(cè)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(hào)輸入主控單元,再通過在固定的時(shí)間內(nèi)計(jì)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(hào)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(hào)整形成為方波進(jìn)行輸出,轉(zhuǎn)速傳感器得到的方波信號(hào)經(jīng)波峰限制處理后送入XC2267單片機(jī)的定時(shí)捕捉模塊,用其內(nèi)部硬件計(jì)數(shù)器完成轉(zhuǎn)速的測(cè)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(dú)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(jì)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(jì)
(1)監(jiān)測(cè)控制單元的數(shù)據(jù)采集和處理
監(jiān)測(cè)控制單元每一個(gè)傳感器要采集多路信號(hào),設(shè)計(jì)采用多路復(fù)用開關(guān)進(jìn)行測(cè)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(jì)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(jì)
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(shí)則實(shí)現(xiàn)IP地址和MAC地址的對(duì)應(yīng),并建立ARP緩存,當(dāng)為IP幀時(shí)則完成對(duì)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)IP之間的ping的操作,當(dāng)為Udp幀時(shí)其實(shí)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(jì)
(1)系統(tǒng)主界面
操作顯示單元采用步科的MT4414TE型號(hào)觸摸屏來設(shè)計(jì),組態(tài)界面采用步科圖形化編程軟件EV5000來進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(gè)界面的下方都有快捷菜單,可以實(shí)現(xiàn)返回主界面,返回上一個(gè)界面以及查看報(bào)警列表的功能,其主界面設(shè)計(jì)如圖11所示:
導(dǎo)航界面中主要包含一些主機(jī)的運(yùn)行參數(shù),通過對(duì)此界面的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓、水溫等參數(shù)界面的快速訪問,其設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng),依據(jù)其功能特點(diǎn)完成編寫相關(guān)軟件及一系列相關(guān)測(cè)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(chǔ)。通過聯(lián)調(diào)和測(cè)試,顯示精度、控制功能等指標(biāo)均符合預(yù)期的要求。
參考文獻(xiàn):
[1]張顯庫,任光,等.綜合船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國造船,2002,43(2):44-46.
[2]梁偉.船舶機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連:大連理工大學(xué),2002.
[3]鄭明勇.船舶柴油機(jī)機(jī)旁監(jiān)控裝置的研制[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.
[4]吳卓成,黃文君.船用柴油機(jī)智能報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國造船,2009,20(4):24-26.
[5]王尚勇,楊青.柴油機(jī)電子控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.