劉學(xué)強(qiáng)，郭軍武，竇培松

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船舶柴油機(jī)滑油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉學(xué)強(qiáng)，郭軍武，竇培松

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 200135)

為了提高柴油機(jī)的可靠性、延長(zhǎng)柴油機(jī)的使用壽命，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)滑油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的測(cè)試原理、系統(tǒng)硬件及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過處理分析監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)來判斷滑油的品質(zhì)狀況，在滑油完全變質(zhì)前分級(jí)別向輪機(jī)人員提示預(yù)警，從而降低柴油機(jī)故障率，保證船舶的正常運(yùn)營。

單片機(jī) 滑油品質(zhì) 傳感器 監(jiān)測(cè)預(yù)警

0 引言

船機(jī)故障模式主要有磨損、腐蝕和斷裂等，其中磨損失效所占的比例為80%。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，柴油機(jī)故障的85%以上與潤(rùn)滑有關(guān)。潤(rùn)滑油中的金屬磨粒成分、顆粒大小和多少與摩擦副的工作情況密切相關(guān)。因此采用滑油油液監(jiān)測(cè)故障診斷技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑與磨損狀況，預(yù)測(cè)磨損過程的發(fā)展，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆及查明產(chǎn)生故障的原因，并采取相應(yīng)的解決措施是一件很有意義的工作[1]。本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)滑油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，采用多傳感器融合技術(shù)，利用傳感器采集的參數(shù)對(duì)滑油狀態(tài)情況做出綜合評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑油品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低了因滑油品質(zhì)問題引發(fā)的柴油機(jī)內(nèi)部各零部件之間異常磨損而導(dǎo)致嚴(yán)重故障出現(xiàn)的概率。

1 測(cè)試原理分析

滑油失效主要包括滑油被氧化、柴油稀釋滑油、水稀釋滑油等。滑油在使用過程中受溫度和大氣環(huán)境的影響不可避免地發(fā)生氧化，氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)使得滑油的介電常數(shù)和粘度發(fā)生變化。介電常數(shù)與滑油含水率、鐵磨粒含量以及總酸度有相同的變化趨勢(shì)[2]。采用介電常數(shù)法電容傳感器可以輔助完成滑油品質(zhì)的監(jiān)測(cè)。

在滑油眾多理化指標(biāo)中，黏度是油品最重要的指標(biāo)，它能衡量滑油的潤(rùn)滑能力。黏度越大，油膜厚度也越大，潤(rùn)滑性能就越好。但黏度過大，不僅增加摩擦阻力，而且浪費(fèi)能源。反之，過低的粘度也不能形成足夠的油膜而導(dǎo)致摩擦增大，損壞機(jī)械?；偷酿ざ仁欠窈线m，不僅要看某一溫度的黏度，還要看黏度隨溫度變化的性質(zhì)，即滑油的黏溫特性。柴油機(jī)在工作過程中，隨著滑油溫度升高，滑油的黏度大幅下降。例如：當(dāng)滑油流經(jīng)運(yùn)動(dòng)副表面時(shí)，局部的高溫、高壓會(huì)使滑油氧化。同樣，各種雜質(zhì)的摻入也會(huì)降低滑油的流動(dòng)性，最終導(dǎo)致黏度升高。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑油的黏度變化也能反映出滑油的品質(zhì)狀態(tài)。

基于以上原理分析，監(jiān)測(cè)預(yù)警將采用多傳感器融合技術(shù)，通過測(cè)量滑油的電容值、粘度及溫度綜合評(píng)判滑油品質(zhì)，從而為輪機(jī)人員判別柴油機(jī)故障和維護(hù)機(jī)器提供保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、中心控制模塊、顯示預(yù)警模塊及外圍電路等構(gòu)成。通過傳感器所采集的數(shù)據(jù)為整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)做鋪墊；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過專用參數(shù)變送器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。單片機(jī)將采集處理的信號(hào)進(jìn)行分析，并控制系統(tǒng)使其正常運(yùn)行，同時(shí)也將分析結(jié)果傳送至相應(yīng)的輸出設(shè)備；顯示模塊將分析結(jié)果輸出到顯示屏展現(xiàn)給用戶，使其直觀了解滑油的狀態(tài)情況；預(yù)警模塊是控制中心根據(jù)預(yù)設(shè)算法分析出滑油品質(zhì)出現(xiàn)問題時(shí)驅(qū)動(dòng)其報(bào)警，警示輪機(jī)人員需要對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行維護(hù)。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1信號(hào)采集模塊

本系統(tǒng)選用FWS-4型在線液體黏度傳感器[3]，該傳感器主要用于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液體粘度，因此是滑油黏度測(cè)定法應(yīng)用的理想選擇。FWS-4 型傳感器采用新型超聲振動(dòng)方法[4]，其工作原理是當(dāng)被測(cè)液體與探頭敏感器件接觸時(shí)，通過測(cè)量壓電超聲敏感器件的參數(shù)變化來感知液體黏度的變化。保證了在實(shí)時(shí)的測(cè)量范圍內(nèi)良好的精度與可重復(fù)性。電容傳感器采用的型號(hào)為 MA-K19077-KW，該傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍在4-20 mA。此傳感器具有較好的剛性，較小的尺寸，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。Pt100 溫度傳感器[5]是一種用鉑做成的電阻式溫度傳感器，其輸出信號(hào)與溫差之間有一連續(xù)的函數(shù)關(guān)系，是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、高精度、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。

2.2信號(hào)處理模塊

專用參數(shù)變送器[6]是具有RS-485通信的綜合信號(hào)采集模塊，可以采集溫度傳感器輸出的電阻信號(hào)、黏度傳感器輸出的脈沖信號(hào)以及電容傳感器輸出的電壓信號(hào)，并對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算后的數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)通過RS-485傳輸給單片機(jī)模塊，串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485 的通信模式。RS-485 串口通信電路如圖2所示。

圖2 RS-485 串口通信電路

2.3中心控制及預(yù)警模塊

根據(jù)單片機(jī)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心地位，本系統(tǒng)選用了ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103ZE作為控制核心，Cortex-M3內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)以滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[7]。該芯片最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，具有512 K字節(jié)的閃存以及64 K字節(jié)的SRAM，豐富的片上資源大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)功耗。顯示屏主要目的是用以實(shí)現(xiàn)與輪機(jī)人員的交互，顯示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，如滑油溫度值、滑油粘度和滑油品質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果等。STM32F103ZE 芯片內(nèi)部帶有專門的觸摸顯示屏與顯示屏控制器。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制器接口的要求，需要選擇能夠滿足要求的型號(hào)。根據(jù)本文的研究，選擇TFTLCD2.8寸液晶顯示。如圖 3所示為 STM32 單片機(jī)與 TFT-LCD 顯示屏間信號(hào)控制和數(shù)據(jù)傳輸示意圖。

TFT-LCD 顯示屏的模塊引腳相對(duì)比較復(fù)雜，并且接口連線較多，引腳示意圖如圖4所示。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將采用顯示與語音提醒兩種預(yù)警方式。顯示裝置將利用2.8寸LCD顯示屏來顯示，語音提示裝置將利用揚(yáng)聲器作為輸出設(shè)備來提示。通常情況下的音頻預(yù)警是把預(yù)警語句存儲(chǔ)在數(shù)字錄音芯片中，需要時(shí)通過主控制模塊或者上位機(jī)啟動(dòng)語音擴(kuò)音預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)采用的PCM1770高性能解碼芯片是一款高性能、高集成度的實(shí)時(shí)低碼率語音編解碼芯片，編解碼質(zhì)量好，抗噪能力強(qiáng)。該芯片與 STM32 單片機(jī)連接圖如圖5所示，其中 JS 為音頻輸出。

圖3 SMT32 與顯示屏間信號(hào)控制與數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖4 TFT-LCD引腳示意圖

圖 5 語音裝置連接圖

2.4電源模塊設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的滑油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，電容傳感器供電電壓為+12 V，單片機(jī)控制系統(tǒng)供電電壓+3.3 V，RS-485串口通信模塊供電電壓+5 V。所以我們?cè)O(shè)計(jì)電源模塊能輸出“+12 V”、“+3.3 V”、“+5 V”和“GND”即可。所選擇的DC/DC變壓模塊能夠?qū)?4 V~+40 V 的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)椤?12 V”、“+5 V”、“+3.3 V”和“GND”，并且該 DC/DC 變壓模塊的電路較為簡(jiǎn)單，所變電壓輸出穩(wěn)定，為確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定，加裝穩(wěn)壓模塊可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，如圖6所示為變壓穩(wěn)壓流程圖。

圖6 系統(tǒng)變壓穩(wěn)壓流程圖

3 系統(tǒng)軟件

與硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)相似，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能決定了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。作為滑油品質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，軟件通過硬件實(shí)現(xiàn)，硬件受控于軟件，因此對(duì)該軟件系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)顯得格外重要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用英蓓特公司和ARM公司最近聯(lián)合推出的高效ARM開發(fā)環(huán)境Realview MDK[8]為開發(fā)平臺(tái)。并在 STM32 上運(yùn)行起來，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試程序，大大的提高系統(tǒng)開發(fā)的效率。單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程圖如下圖7所示。

圖7單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖

4 結(jié)束語

船舶柴油機(jī)滑油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)滑油性能的綜合檢測(cè)；建立了一種快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、方便并能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間在線檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶柴油機(jī)滑油的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了因滑油品質(zhì)問題而帶來的柴油機(jī)故障。具有良好的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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The Design of Lubricating Oil Monitoring and Early Warning Online System for Marine Diesel Engine

Liu Xueqiang, Guo Junwu, Dou Peisong

(College of Merchant Marine, Shanghai Maritime University, Shanghai 20135, China)

In order to improve the reliability of diesel engine and prolong the service life of the diesel engine, an online monitoring and warning system for lubricating oil of marine diesel engine with single chip microcomputer are designed. The test principle, hardware and software are introduced. The system can judge the quality of the lubricating oil by analyzing the feedback data. It warns the fault in classification before the oil deteriorates that could reduce the fault rate of the diesel engine, and ensure the ship in the normal service.

single chip microcomputer; lubricating oil quality; sensor; monitoring and early warning

TP212.1

A

1003-4862（2016）04-0048-03

2015-12-03

劉學(xué)強(qiáng)（1992-），男，碩士研究生。研究方向：輪機(jī)設(shè)備。