張志遠(yuǎn)

（91404部隊(duì)，河北秦皇島，066000）

船舶主機(jī)軸承溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)方案研究

張志遠(yuǎn)

（91404部隊(duì)，河北秦皇島，066000）

隨著船舶機(jī)艙自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)船舶報(bào)警系統(tǒng)的要求越來越高。船舶主機(jī)傳動(dòng)軸承作為船舶動(dòng)力的一個(gè)重要設(shè)備，其溫升是反映安全工作狀態(tài)的重要指標(biāo)。長期以來軸溫一直是船舶報(bào)警系統(tǒng)的主要監(jiān)測對(duì)象，本文分析了目前軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的不足，提出了一種測量精度高、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)的船舶主機(jī)軸承溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)方案。

船舶主機(jī)；軸承溫度；監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)；數(shù)字溫度傳感器DS18B20；單片機(jī)

0 前言

可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的主機(jī)軸承是船舶推進(jìn)與航行的重要保障，是船舶運(yùn)行安全的重要因素。當(dāng)軸系失中、潤滑不暢、軸系振動(dòng)、軸承制造缺陷、異物進(jìn)入等情況出現(xiàn)時(shí)，會(huì)迅速產(chǎn)生大量熱量，引起軸溫升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成熱損壞和熱切軸，導(dǎo)致安全事故和重大經(jīng)濟(jì)損失發(fā)生。因此，主機(jī)軸承溫度是船舶報(bào)警系統(tǒng)的主要監(jiān)測對(duì)象，研究高精度、高可靠性、工作穩(wěn)定、維護(hù)簡單的主機(jī)軸溫檢測報(bào)警系統(tǒng)也是船舶機(jī)艙自動(dòng)化技術(shù)的要求。

1 目前船舶主機(jī)軸承溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)主要類型

1.1 有線式

有線式分為數(shù)字式和模擬式有線傳感器。數(shù)字式優(yōu)點(diǎn)是性能可靠，不易受干擾。缺點(diǎn)是實(shí)際安裝需要考慮現(xiàn)場多種因素影響。傳感器頭與接線連接處易受水及灰塵腐蝕，易短路。布線不合理容易斷線。模擬式優(yōu)點(diǎn)是成本低，設(shè)計(jì)容易。缺點(diǎn)是易受干擾，可靠性差，安裝布線麻煩，節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限。

1.2 無線式

無線式的優(yōu)點(diǎn)是無需布線節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，便于集中管理。缺點(diǎn)是可靠性差，傳輸距離短，容易受干擾。由于需要安裝電池，不可能在很高的溫度下工作。而且需要定期更換電池。

1.3 接觸式

接觸式是采用傳感器直接和被測軸殼接觸。優(yōu)點(diǎn)是測量直接，不易受干擾，誤報(bào)警率低，缺點(diǎn)是安裝復(fù)雜。

1.4 非接觸式

非接觸式一般是采用紅外傳感器安裝在軸承的兩旁。優(yōu)點(diǎn)是安裝方便，不受震動(dòng)影響，便于集中管理。缺點(diǎn)是監(jiān)測成本高，容易受到干擾，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤報(bào)率高。

綜合以上類型的優(yōu)缺點(diǎn)，選用有線式和接觸式的船舶主機(jī)軸承溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)方案。

2 軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主機(jī)傳動(dòng)軸主要由四部分組成：螺旋槳軸、尾軸、推力軸和中間軸。這些軸段的配置和數(shù)量取決于船型和動(dòng)力系統(tǒng)的類型。本文提出一種比較現(xiàn)實(shí)可靠的主機(jī)軸承溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 主機(jī)軸承溫度監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)框圖

2.1 傳感器方案設(shè)計(jì)

（1）傳感器結(jié)構(gòu)

本方案采用的軸溫傳感器，是由不銹鋼外殼，殼體內(nèi)的溫度傳感器以及一個(gè)特別設(shè)計(jì)的高溫熔斷器。用導(dǎo)熱硅膠將溫度傳感器及高溫熔斷器密封在不銹鋼外殼中，由于導(dǎo)熱硅膠具有減震、導(dǎo)熱和絕緣作用，因此可以減緩軸承強(qiáng)烈震動(dòng)對(duì)傳感器的影響，提高測量精度和工作壽命。而高溫熔斷器可以保證在溫度傳感器失效時(shí)，軸承高溫將熔斷器融斷產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，使系統(tǒng)可靠性更高，從而保證軸承故障擴(kuò)大，威脅航線安全。

（2）傳感器類型選擇

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，精度0.5℃。傳感器和上位機(jī)之間只須一根總線即可完成信息的讀寫，DS18B20本身供電、數(shù)據(jù)的讀寫和溫度變換所需功率均來自于該總線，不需要額外的電源。每片DS18B20均含有一個(gè)惟一的64位硅串行數(shù)，通過識(shí)別該碼可以區(qū)分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20，由上位機(jī)通過選擇傳感器和串行數(shù)對(duì)選定的傳感器進(jìn)行讀、寫、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和設(shè)置報(bào)警參數(shù)等操作，性能可靠，不易受干擾。從而在結(jié)構(gòu)上大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝維護(hù)工作。

2.2 溫度采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（1）輸入電源

可靠性電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保障，高頻開關(guān)電源模塊在重量、體積和效率等方面具有線性電源無可比擬的優(yōu)勢，因此采用高效、節(jié)能、集成度高的AC-DC開關(guān)電源模塊作為系統(tǒng)供電。

（2）單片機(jī)

單片機(jī)采用STC12C5A60S2，該單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。

（3）溫度測量

由于采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，系統(tǒng)以數(shù)字量的方式通過總線與上位機(jī)系統(tǒng)串行通訊，這種總線簡化了系統(tǒng)布線。為了保證系統(tǒng)總線的工作穩(wěn)定，應(yīng)在總線上增加驅(qū)動(dòng)器和光電耦合器隔離，用來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和防止干擾。溫度測量系統(tǒng)工作中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)偏差與漂移，因此需要在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源定時(shí)對(duì)溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，防止系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)、虛報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件主要包括三個(gè)功能模塊：參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測和記錄查詢。

參數(shù)設(shè)置的功能是通過總線給溫度傳感器DS18B20發(fā)送指令碼，讀取傳感器的識(shí)別碼，根據(jù)實(shí)際安裝位置編號(hào)并存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，同時(shí)將此信息發(fā)送給上位機(jī)。

狀態(tài)監(jiān)測是通過上位機(jī)與單片機(jī)的串行通訊，按照編號(hào)選定傳感器，發(fā)送指令碼啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，然后啟動(dòng)采樣程序，讀取傳感器的溫度測量數(shù)據(jù)，再發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)程序?qū)Σ蓸拥臏囟冗M(jìn)行軟件濾波處理后，判斷是否報(bào)警并將采集的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于總線上每個(gè)傳感器都有唯一的識(shí)別碼，因此單片機(jī)可以對(duì)每一個(gè)傳感器依次采集溫度并發(fā)送給上位機(jī)。

系統(tǒng)有三種報(bào)警方式：

（1）絕對(duì)溫度報(bào)警，即根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置一個(gè)溫度閥值，超過此溫度閥值即視為超溫報(bào)警；

（2）相對(duì)溫度超溫報(bào)警，即相對(duì)環(huán)境溫度設(shè)定一個(gè)溫升值，超過改溫升值即視為報(bào)警。系統(tǒng)還可以將各測點(diǎn)的最大溫升率和對(duì)應(yīng)的發(fā)生時(shí)間存儲(chǔ)到上位機(jī)，以備后續(xù)查詢分析；

（3）傳感器超溫熔絲報(bào)警，即傳感器內(nèi)部的熔絲熔斷產(chǎn)生的報(bào)警，這種情況是由于數(shù)字溫度傳感器DS18B20損壞或溫升速度過快造成的。

記錄查詢是在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，有關(guān)技術(shù)人員可以調(diào)用該功能模塊查詢此時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的報(bào)警事件和溫度情況，用來分析和診斷軸溫的變化情況。

當(dāng)系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾而出現(xiàn)程序混亂時(shí)，該軟件可由單片機(jī)內(nèi)部集成的MAX810自動(dòng)復(fù)位、自行初始化后繼續(xù)正常工作。對(duì)因瞬態(tài)干擾而產(chǎn)生畸變的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上位機(jī)的軟件濾波可以避免誤報(bào)警和虛警。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的軸溫監(jiān)測報(bào)警方案針對(duì)目前船舶主機(jī)軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的不足，采用了新型傳感器和單片機(jī)，提高了系統(tǒng)的測溫精度，抗干擾能力和工作穩(wěn)定性，可以滿足現(xiàn)代船舶自動(dòng)化設(shè)計(jì)的需要，對(duì)船舶的安全運(yùn)行有重要的作用。

[1]王建，王雪山，夏秀山.新造5000HP AHTS艉軸承超溫報(bào)警故障分析與排除[J].造船技術(shù).2013(06)

[2]王志永.船舶軸系設(shè)計(jì)及安裝[J].中國水運(yùn).2010(04)

[3]楊世興，龔尚福編著.監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng).西安：西安出版社,1999.8

[4]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊[M].2008.

Research on the scheme of temperature monitoring and alarming system for ship main engine bearing

Zhang Zhiyuan
（91404 forces，Qinhuangdao Hebei，066000）

With the rapid development of the marine engine room automation technology,the requirements of the ship alarm system is becoming more and more high.As one of the important equipment of ship power,the temperature rise is an important indicator of the safety working status.Long axis temperature has been the main object of ship monitoring and alarm system,this paper analyzes the axle temperature monitor and alarm system, put forward a temperature monitoring ship bearing high accuracy,stable and reliable work,strong anti-interference ability of the alarm system.

marine main engine;bearing temperature;monitoring and warning system;digital temperature sensor DS18B20; single chip microcomputer