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船舶柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置測(cè)試系統(tǒng)研制

文檔作者：朱軍湯旭晶玉海訕楊建國(guó) 文檔來(lái)源：武漢理工大學(xué)a．能源與動(dòng)力工程學(xué)院； b．船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月13日
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第40卷第l期
2011年02月
船海丁程
SHlP 8．(X：EAN EN(jINEERIN(j
V01．40 No．1
Feb．2011
船舶柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置測(cè)試系統(tǒng)研制
朱軍“，湯旭晶8．u，賀玉海訕。楊建國(guó)““
(武漢理工大學(xué)a．能源與動(dòng)力工程學(xué)院；
b．船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。武漢430063)
摘要：為了對(duì)新開發(fā)的柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置進(jìn)行測(cè)試．設(shè)計(jì)基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)分析
提取原型柴油機(jī)I監(jiān)視系統(tǒng)的串【l數(shù)據(jù)．建訌柴油機(jī)負(fù)倚特性數(shù)據(jù)庫(kù)．采J}j枚舉法將每一工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入主程序
控制面板．按照所編譯的程序原則實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)在可蠹配置上二的輸出；系統(tǒng)利用測(cè)試信號(hào)對(duì)監(jiān)測(cè)安全裝置進(jìn)
行測(cè)試，效果理想。
關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)安全裝置；LabVIEW；FP(；A
中圖分類號(hào)：U664．12l；TK31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：167卜7953(2011)O卜0067一04
嵌入式柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置的可靠性直接關(guān)
系到柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行f1]，為縮短該裝置的開發(fā)
周期，便于產(chǎn)品化后的出廠檢驗(yàn)，在開發(fā)過(guò)程中，
考慮研制實(shí)用的安全裝置測(cè)試系統(tǒng)。
1船舶柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置
船舶中速柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置南安全系統(tǒng)、
基本模塊和人機(jī)接口三部分組成，結(jié)構(gòu)地圖1。
圖l船舶中速柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置結(jié)構(gòu)
其中人機(jī)接口又可分為操作單元、溫度壓力監(jiān)
測(cè)單元、排氣溫度監(jiān)測(cè)單元、輸f}{模塊和報(bào)警指示單
元等?；灸K與人機(jī)接口之間采用R跚85通信．通
過(guò)M()I)BUS總線向機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。
基本模塊是監(jiān)測(cè)安全裝置的核心?？紤]到數(shù)
據(jù)采集和外部通訊的需求，以Infineon 16位單片
收稿日期：2009—12—24
修回日期：2010—ol一12
作者簡(jiǎn)介：朱軍(1980一)．男．碩十生。
研究方向：柴油機(jī)自動(dòng)控制及現(xiàn)代船舶管理
酚咖II．mrdavidzhull 18@163．com
機(jī)為主控制器。通過(guò)調(diào)理電路接口及8位總線擴(kuò)
展外部設(shè)備?；灸K采集柴油機(jī)的各參數(shù)，數(shù)
字化后通過(guò)總線通信傳送到其他設(shè)備，并響應(yīng)系
統(tǒng)內(nèi)部和外部總線j二的命令。輸_}l{相關(guān)信號(hào)到安
全系統(tǒng)和報(bào)警顯示板等；當(dāng)安全系統(tǒng)不能正常停
機(jī)時(shí)。緊急情況下可以執(zhí)行冗余停機(jī)，這一功能通
過(guò)設(shè)定比安全系統(tǒng)更高或更低的參數(shù)限來(lái)實(shí)現(xiàn)。
安全系統(tǒng)采用可編程控制器(PI．C)，獨(dú)立于基本
模塊執(zhí)行螢要功能。直接監(jiān)視柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓
力、水溫等狀態(tài)量?！阂弧繒r(shí)又接收從基本模塊傳輸?shù)?
傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判斷并進(jìn)行控制。
人機(jī)接口提供控制柴油機(jī)(主要是啟、?？刂?和
讀取柴油機(jī)內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)的窗口，以Infineon 8
位單片機(jī)作為控制器。
2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
考慮到監(jiān)測(cè)安全裝置信號(hào)的多樣性、動(dòng)作瞬時(shí)
性特點(diǎn)。測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)選J}j滿足同步采集、實(shí)時(shí)響應(yīng)
與精確計(jì)算要求的硬件嵋]。測(cè)試系統(tǒng)南美困N1公
司1．26 GHz Penti哪III PXI 8176系統(tǒng)控制器、帶
可系配置I／()FpGA芯片的N1 PXI 7853R系列智
能數(shù)據(jù)采集卡、C系列高速模擬／數(shù)字I／()模塊和
用于r)AQ(data acquisition)設(shè)備『拜蔽式I／()盒組
成。控制器與各I／()模塊之問(wèn)通過(guò)屏蔽電纜‘j擴(kuò)展
捅槽連接．以實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中町能}}j現(xiàn)的
各種狀況以及安全監(jiān)測(cè)裝置功能的傘面測(cè)試。柴
油機(jī)監(jiān)測(cè)安傘裝置測(cè)試系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。
I】)a 8176嵌入式控制器集成了硬盛、USl{、以太
網(wǎng)、(jI，IB及其他外沒(méi)．安裝Wndo郴操作系統(tǒng)和驅(qū)
67
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第1期船海工程第40卷
接線盒
外部控制開關(guān)及其接
柴油饑模型
Nl∞^5
NI犍甜
Nl‘Ⅺ{)1
^o
Ao
A(J
Dl【]
采集kI臚疑杉L箱}I外沒(méi)模±
藩
囂囊凄磊
圖2船舶柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置測(cè)試系統(tǒng)原理
動(dòng)程序，為模塊儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供輕巧高性
能PC平臺(tái)；PⅪR系列智能數(shù)據(jù)采集卡連接兩個(gè)R
系列擴(kuò)展機(jī)箱和一個(gè)68針屏蔽式I／()盒，卡內(nèi)嵌入
砌0瞅認(rèn)，具有40 MHz輸入輸出以及用戶自定義觸發(fā)、定時(shí)、板載決策和高速DMA(di州儺唧
access)數(shù)據(jù)讀寫能力；兩個(gè)R系列擴(kuò)展機(jī)箱配置C
系列可熱插拔高速模擬／數(shù)字I／()模塊，分別為3個(gè)
4通道100 kS／s采樣率0～20 mA M 9265 A()模
塊、—個(gè)16通道25 kS／s采樣率±10 V M9264 AO
模塊和一個(gè)8通道5 V／邗。高速雙向數(shù)字I／()模
塊．模塊內(nèi)部部具有信號(hào)調(diào)理功能，能穩(wěn)定直接地傳
輸信號(hào)；孓：肛68屏蔽式I／()盒用于數(shù)據(jù)采集與輸
出。具有板載冷端補(bǔ)償傳感器，能進(jìn)行高精確度的熱
電偶測(cè)量；此外系統(tǒng)還配備有屏蔽電纜和連接器等。
所選硬件滿足安全監(jiān)測(cè)裝置快速計(jì)算、同步采集與
實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求。
3測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
測(cè)試系統(tǒng)采用NII。abVIEW8．6為軟件開發(fā)
平臺(tái)，在LabVIEW基本軟件構(gòu)成基礎(chǔ)上外加
FP(；A丁具包和REAI。TIME丁具包開發(fā)應(yīng)用
程序和板卡FPGA程序，再通過(guò)將FP(；A程序編
譯成比特流文件完成對(duì)應(yīng)用程序I／()的硬件部
署，最后在I。abVIEW方案里實(shí)現(xiàn)Windows操作
系統(tǒng)、I丑bVlEW應(yīng)用程序與FPGA程序及硬件
I／()的集成。
柴油機(jī)由于實(shí)際需要工況會(huì)不斷變化，為了
盡奄接近實(shí)機(jī)測(cè)試的效果。采樣了本型柴油機(jī)的
真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)顯示、分析、保存、換算之后在
各模塊輸出；為檢測(cè)R I／()信號(hào)輸出效果。測(cè)試
系統(tǒng)也對(duì)監(jiān)測(cè)安全裝置部分輸出量進(jìn)行了采集，
測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行原理見(jiàn)圖3。
68
測(cè)試系統(tǒng)
{隙
1A硬
I／o
叵至三壘壘竺蔓圓
百匝歷巫砸兩巫麗叫卜希①麗卒I
R系州連接器2)-(擴(kuò)展機(jī)箱2
R系礦ll連接器o)__(群盒uo盒
圖3測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行原理
3．1串口數(shù)據(jù)讀取
柴油機(jī)各工況運(yùn)行數(shù)據(jù)從其監(jiān)視系統(tǒng)串口獲
得。通過(guò)I五bⅥf州’下的應(yīng)用編程接口ⅥSA(vir—
tual instrument software architecture)對(duì)串口號(hào)、波
特率、數(shù)據(jù)位、停止位等進(jìn)行設(shè)置，為在短時(shí)間內(nèi)對(duì)
大量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，需要先設(shè)置讀緩存區(qū)，然后設(shè)
置每段數(shù)據(jù)的首地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)讀取字符串。
原型柴油機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)采用的是M()I)BUS A義：II協(xié)
議，數(shù)據(jù)幀巾包括格式字符和校驗(yàn)字符，需要將這
些字符跳過(guò)之后再按每4個(gè)字節(jié)截取字符串，得到
16進(jìn)制數(shù)據(jù)值。因?yàn)镸()DBUS協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)格式
沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定，所以要根據(jù)數(shù)據(jù)的有效位數(shù)(含符
號(hào)位)進(jìn)行10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化之后的數(shù)據(jù)形式
是I抽Ⅵ刪下的波形數(shù)組，通過(guò)對(duì)數(shù)組索引，逐
行顯示波形。設(shè)置循環(huán)、事件結(jié)構(gòu)等方式提取出所
關(guān)心的柴油機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)并保存[3]。
3．2串口數(shù)據(jù)導(dǎo)入
為將柴油機(jī)各工況數(shù)據(jù)方便快速地導(dǎo)入主程
序，首先建立柴油機(jī)工況數(shù)據(jù)庫(kù)，以I。abVIEW電
子表格形式保存數(shù)據(jù)；隨后通過(guò)枚舉方式控制事
件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖4¨一；再后將無(wú)序排列的數(shù)
據(jù)組合進(jìn)行分解、有共同特征的(比如都是
PTloo所測(cè)溫度值)擱綁并計(jì)算、再擱綁。這樣得
到開關(guān)量、熱電阻溫度、熱電偶溫度、壓力和轉(zhuǎn)速
五類量，最后將數(shù)值線性換算成模擬傳感器輸出
的電壓、電流、脈沖數(shù)等物理量，通過(guò)設(shè)置局部變
量，完成從物理量到輸入控件的自動(dòng)賦值。主程
序輸入控件保留了手動(dòng)輸入方式。
3．3測(cè)試信號(hào)輸出
在測(cè)試系統(tǒng)主VI獲得各工況參數(shù)值后，要
在I／()模塊上得到正確輸出，需對(duì)相關(guān)值進(jìn)行標(biāo)
定一引。采用如下方式：
薹 一一一槲工一燃懈|囊工一一|囊工一肼肼
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
船舶柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安全裝置測(cè)試系統(tǒng)研制——朱軍，湯旭品。甥玉海．楊建國(guó)
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l枚舉擰件(后面扳基耋f：：I；黔荔憨筍H添j}；菠薪；；淼
I對(duì)應(yīng)顯示) 』‘tj兄?jǐn)?shù)據(jù)I 4Ea71I^t．1捌17J’
圖4 LabVIEW下枚舉法實(shí)現(xiàn)過(guò)程
叩2警
式中：r硬件輸出物理饋；
口——十進(jìn)制待標(biāo)定值； 卜傳感器齷程；
打——待標(biāo)定值所占寄存器位數(shù)。
在Ff℃A程序編譯完畢后，硬件即將以FRjA
程序設(shè)定的I／o口、運(yùn)行周期等規(guī)律運(yùn)行。主程序
先引入RI()和FpGA目標(biāo)對(duì)象，然后標(biāo)定相關(guān)數(shù)
值。之后進(jìn)行FPGA數(shù)據(jù)讀寫，通過(guò)硬件轉(zhuǎn)化成監(jiān)
測(cè)安全裝置可以識(shí)別的電流、電壓及轉(zhuǎn)速1vrI。等
模擬傳感器信號(hào)。FI)GAⅥ須先進(jìn)行編譯產(chǎn)生一
個(gè)比特流文件，利用該文件使FPGAⅥ中定義的
I／()對(duì)象部署到可重配置RI()中。在FpGAⅥ中
采用環(huán)路定時(shí)器與中斷請(qǐng)求來(lái)發(fā)起中斷．在主Ⅵ
中采用等待中斷與確認(rèn)中斷完成一個(gè)周期讀寫操
作，結(jié)果由各模塊RI()輸出；在FpGAⅥ中設(shè)定中
斷時(shí)間，可以讓H】GA芯片定時(shí)刷新各模塊上可重
配置RI()口。同時(shí)也可以避免FpGAⅥ進(jìn)入無(wú)限
循環(huán)，及時(shí)返同主Ⅵ所需要的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)速TTI。電
平信號(hào)輸出接頻率、幅值及相位進(jìn)行合成。
3．4監(jiān)測(cè)安全裝置測(cè)試
測(cè)試系統(tǒng)研制的目的是為了對(duì)柴油機(jī)監(jiān)測(cè)安
全裝置進(jìn)行測(cè)試，它不僅向后者發(fā)出信號(hào)，而且接
收后者反饋同來(lái)的信號(hào)。同樣通過(guò)FPGA的外部
接口讀入。在I，abVlEW窗口中將接收到的各瞬
態(tài)點(diǎn)參數(shù)值保存為波形數(shù)組，在波形圖上就可以
得到如圖5的曲線。
對(duì)零負(fù)荷、10％負(fù)荷、25％負(fù)荷、40％負(fù)荷、
50％負(fù)荷、60％負(fù)荷、75％負(fù)荷、90％負(fù)荷、100％
負(fù)荷下監(jiān)測(cè)安全裝置的幾組有代表性反饋信號(hào)進(jìn)
行采集，分別是淡水出機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度、增壓器
轉(zhuǎn)速、第i缸排氣溫度及進(jìn)氣壓力。在不斷加大
柴油機(jī)負(fù)荷的情況下，要保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，必
然要增加柴油機(jī)的供油培。隨之而來(lái)的連串反應(yīng)
是柴油機(jī)冷卻淡水溫度和排氣溫度升高、增壓器
p
90
世80
贈(zèng)
擴(kuò)70
爿60
111
50
。，_60
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菇30
螯20
磐
O 20 40 60 80 loo
負(fù)荷盯分?jǐn)?shù)／％
a)淡水}．j進(jìn)7 C溫度
／／。
．、／
＼／．．．
O 20 40 60 80 loo
負(fù)衙百分?jǐn)?shù)膨
b)二缸排氣溫度
{i
：l 2
蕈!
{封
負(fù)荷萬(wàn)分?jǐn)?shù)／％
cl增堆器轉(zhuǎn)速
／
／F ／
／
，∥一一■
貝衙百分?jǐn)?shù)／％
d)進(jìn)氣壓力
圖5監(jiān)測(cè)安全裝置信號(hào)測(cè)試
中產(chǎn)生的膨脹功增大、增壓器轉(zhuǎn)速上升、進(jìn)氣壓力
及進(jìn)氣溫度升高。從圖5中可以看出，除個(gè)別情
形外，各苗值符合上述變化趨勢(shì)，這驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)安
全裝置的可靠性，達(dá)到了測(cè)試目的。
4 結(jié)束語(yǔ)
研制的測(cè)試系統(tǒng)能模擬輸出該型中速柴油機(jī)各
負(fù)荷丁況下的關(guān)鍵參數(shù)信號(hào)，并可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行
設(shè)置淵整．在虛擬儀器平臺(tái)上完成了新開發(fā)監(jiān)測(cè)安
全裝置的全面系統(tǒng)測(cè)試工作，避免了實(shí)機(jī)測(cè)試周期
長(zhǎng)、人力物力浪費(fèi)以及有可能因開發(fā)手段不完善而
造成的損失。測(cè)試系統(tǒng)以Ⅻ軟硬件為背景。程序設(shè)
計(jì)直觀．硬件搭配靈活，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
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(下轉(zhuǎn)第72頁(yè))
69
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第1期船海工程第40卷
圖3應(yīng)急發(fā)電機(jī)操縱面板
3 結(jié)束語(yǔ)
新一代輪機(jī)模擬器三維場(chǎng)景與真實(shí)機(jī)艙相仿，
學(xué)員町以通過(guò)三維模擬器對(duì)機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行全方位的
掌握，時(shí)癱車啟動(dòng)、應(yīng)急設(shè)備操作和機(jī)械故障的處理
有了全新的認(rèn)識(shí)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形
技術(shù)在輪機(jī)模擬器中應(yīng)用的增加，虛擬控制臺(tái)以及
仿真對(duì)象不斷完善，物理控制臺(tái)硬件設(shè)備將逐漸被
取代，輪機(jī)模擬器將進(jìn)入完全軟件操控的新時(shí)代。
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Marine Diesel Engine
ZHU Jlma，TANG X¨in乎～．HE YI卜H聹’¨，YANG JiaI卜9110a“
(a．School of Energy and Powcr Enginecring，Wuhan University of Technology；
b．Key Laboratory of Marinc P0wer Engineerillg&amp;amp;Technology，Ministry of Communications．Wuhan 430063，China)
Akt雕t：(_)n the purpose of testifying thc newly deveJoping monitofing and safety device(MSD)of ma—ne dieSeJ en—
gine(MDE)．仆Ie test system based vinual instrurllent technique was dcsigned． By analyzing and abstracting the data from
serial pon of fo徹cr diesel engine，the database of the load pmpenies of MDE wasbuilt up．The enumeration method、Ⅳas
used to intmduce the data of every working condition into main program contml panel。aJld output test signals thmugh
reconfigurable input／output under the principle of field programnlable gate array(F1)(；A)pmgram eventually． The sys—
tem sent the aboVe test signals into MSD and achieved 900d rcsults．
Key w鉀凼：test system；Monitoring and Safcty I)evice；bb VlEW；FPGA

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