船舶柴油机机旁监测控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶柴油机机旁监测控制系统，其主要由相对独立的监测报警单元、安保单元、调速单元组成，它们之间通过双冗余CAN总线相连，其中监测报警单元除具有常规的柴油机启停操作和参数报警功能以外，还具备瞬时转速监测功能，能在线监测柴油机各缸工作平衡性；监测报警单元产生的报警或停车信息既可通过双冗余CAN总线传输至安保单元，再由安保单元的MODBUS总线传输到显示单元进行显示，也可通过自带的RS485总线发送至船舶机舱集中控制中心。本发明具有结构简单、性能可靠、使用和维护方便等优点，适用于22路以下低温信号，12路以下高温信号和10路以下压力信号的船舶柴油机。
【专利说明】船舶柴油机机旁监测控制系统 【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及监测报警与控制设备，特别是一种船舶柴油机机旁监测控制系统。 【背景技术】
[0002] 柴油机作为一种动力装置，广泛应用于工程机械、船舶、汽车和应急电站等。柴油 机控制技术直接关系到柴油机运行的稳定性和经济性。早期的手段多采用继电器和接触器 构成的控制系统，所需要元器件数量多，控制电路复杂，故障率高，可靠性差。随着微电子技 术和微型计算机技术发展，以单片机为核心的新型机旁控制监测及安全系统逐步取代了传 统控制系统。
[0003] 现有的柴油机机旁监测控制系统体积大，集成度不高，安装不方便，没有集成电子 调速器功能，适用范围窄；没有集成瞬时转速功能，无法对柴油进行故障诊断；没有冗余总 线，可靠性不够高；不具备黑匣子功能，无法对柴油机的状态进行有效的监测与管理；没有 断线检测功能，不便于柴油机机旁监测控制装置的现场调试和故障排查。
[0004] 因此，有必要开发一套集成度高，体积小，安装升级方便且监测数据便于管理的船 舶柴油机机旁监测控制系统。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的船舶柴油机机旁监测控制系统， 以克服现有技术存在的问题。
[0006] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
[0007] 本发明提供的船舶柴油机机旁监测控制系统，其主要由相对独立的监测报警单 元、安保单元、调速单元组成，它们之间通过双冗余CAN总线相连，其中报警或停车信息通 过双冗余CAN总线传输至安保单元，再由安保单元的MODBUS总线发送至船舶机舱集中控制 中心。
[0008] 上述的船舶柴油机机旁监测控制系统，还设有显示单元，其通过MODBUS总线与安 保单元相连。
[0009] 上述的船舶柴油机机旁监测控制系统，还设有黑匣子，用于定时记录柴油机的各 种参数，并将其存储于SD卡中，该黑匣子通过高速CAN总线与监测报警单元相连。
[0010] 所述的调试单元位于上位机中，其通过CAN总线分别与监测报警单元、安保单元 和调速单元相连。
[〇〇11] 所述的调试单元，其架构采用C#语言开发，通过CAN总线接入柴油机旁监测控制 系统，其接收CAN总线中传输的信息，并在上位机人机界面上显示。
[0012] 所述的监测报警单元由信号输入部分、信号输出部分和信号传输部分等组成，其 中：信号输入部分设有电信号相连的热电阻、热电偶、压力、开关量和转速，所有输入信号均 具备软件断线检测功能；信号输出部分由具备电磁阀线圈断线检测功能的继电器输出实 现，所述电磁阀包括用于船舶柴油机启动、停车和燃油限制的电磁阀等；信号传输部分由 RS485总线和CAN总线构成，RS485总线用于外部通信，CAN总线分为2路，一路高速CAN，用 于机旁控制系统内部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN，用于冗余备份。
[0013] 所述的安保单元主要由信号输入部分、信号输出部分和信号传输部分等组成，其 中：信号输入部分设有电信号相连的开关量和转速，其中开关量具备软件断线检测和硬件 断线指示功能，转速输入部分具备停机和运行双状态的断线检测功能；信号输出部分由具 备电磁阀线圈断线检测功能的继电器输出实现，所述电磁阀为停车电磁阀；信号传输部分 由MODBUS总线和CAN总线构成，MODBUS总线用于与显示单元通信，CAN总线分为2路，一路 高速CAN，用于机旁控制系统内部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN，用于冗余备份。
[0014] 所述的调速单元主要由信号输入部分、信号输出部分和信号传输部分等组成，其 中：信号输入部分设有电信号相连的开关量、电流、负荷和转速，所有输入信号均具备软件 断线检测功能；信号输出部分由执行器输出和辅助输出组成，其中执行器输出为大电流输 出，用于控制调速器执行器；信号传输部分由CAN总线构成，CAN总线分为2路，一路高速 CAN，用于机旁控制系统内部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN，用于冗余备份。
[0015] 所述的监测报警系统还设有瞬时转速监测功能，其根据上止点和曲轴转角信号计 算显示柴油机瞬时转速，在线监测柴油机各缸工作平衡性。
[0016] 本发明提供的上述船舶柴油机机旁监测控制系统，该系统采用模块化设计，其用 于22路以下低温信号，12路以下高温信号和10路以下压力信号的船舶柴油机。
[0017] 本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：
[0018] 1.采用模块化设计，从功能上划分为监测报警单元、安保单元、调速单元、显示单 元、黑匣子和调试软件等，功能相互独立并通过通信总线相连，使结构简单。
[0019] 2.监测报警单元集成瞬时转速监测功能，为专业人员诊断分析船舶柴油机故障提 供了依据。
[0020] 3.监测报警单元、安保单元和调速单元之间采用冗余CAN总线连接，从而提高了 可靠性。
[0021] 4.集成电子调速功能，能替代常用的船用柴油机电子调速器的控制器。
[0022] 5.集成黑匣子功能，能定时存储监测数据于SD卡。
[0023] 6.柴油机参数及报警阈值和调速控制参数可通过实际情况而设置及修改。
[0024] 7.使用和维护方便，系统会自动检查并提示传感器及通信总线的断线、越限和停 机报警。 【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明船舶柴油机机旁监测控制系统的结构示意图。
[0026] 图2是图1中监测报警单元的结构示意图。
[0027] 图3是图1中安保单元硬件的结构示意图。
[0028] 图4是图1中调速单元硬件的结构示意图。
[0029] 图5是图1中黑匣子硬件的结构示意图。
[0030] 图6是图1中监测报警单元的工作流程图。
[0031] 图7是图1中安保单元的工作流程图。
[0032] 图8是图1中调速单元的工作流程图。 【具体实施方式】
[0033] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
[〇〇34] 本发明提供的船舶柴油机机旁监测控制系统，适用于22路以下低温信号，12路以 下高温信号和10路以下压力信号的船舶柴油机。其结构如图1所示，主要由监测报警单元、 安保单元、调速单元、显示单元、黑匣子和调试单元组成，各单元功能相对独立，通过通信总 线相连，监测报警单元、安保单元和调速单元之间采用双冗余CAN总线相连。
[0035] 所述监测报警单元、安保单元和调速单元等的微控制器型号均为飞思卡尔 (freescale)32 位平台 MPC5634M 系列。
[0036] 所述监测报警单元通过CAN总线与安保单元、调速单元和黑匣子相连，除具有常 规的柴油机启停操作和参数报警功能以外，还采集上止点和曲轴转角信号计算柴油机瞬时 转速，在线监测柴油机各缸工作平衡性。报警或停车信息既可通过双冗余CAN总线传输至 安保单元，再由安保单元自带的MODBUS总线传输到显示单元进行显示，也可通过RS485总 线发送至船舶机舱集中控制中心。
[0037] 该监测报警单元，主要由22路热电阻、12路热电偶、10路压力、16路开关量和4路 转速等信号输入部分，10路继电器输出部分，RS485总线和CAN总线传输部分等组成，如图 2所示。所有输入信号均具备软件断线检测功能，信号输出部分由具备电磁阀线圈断线检 测功能的继电器输出实现，详细的输入输出信号如表1所示。监测报警单元内部恒流源输 出500uA恒定电流经热电阻传感器，将热电阻传感器的电阻信号转换成电压信号结合热电 偶传感器输出的电压信号和压力传感器输出的电流信号通过精密电阻转成的电压信号连 接至数个多路模拟开关，之后进行电压放大调理和隔离调理，并连接至微控制器内部AD。其 中，热电阻信号和热电偶信号放大倍数为26倍，压力信号放大倍数为6倍。所述恒流源采 用运算放大器搭建，其芯片型号为0P07。所述多路模拟开关采用芯片型号为ADG508FBRN。 所述电压放大调理采用精密运算放大器搭建，其芯片型号为INA118,所述隔离调理采用隔 离运算放大器搭建，其芯片型号为IS0124P。开关量信号经过电压比较器和光耦隔离之后进 入微控制器GPI0端口。其中所述电压比较器芯片型号为LM339,所述光耦型号为TLP280。 转速输入信号处理分为两部分，一部分是断线检测，另一部分是信号调理。转速信号调理成 标准的TTL信号后输入至控制器进行采集处理。继电器输出用于船舶柴油机启动、停车、燃 油限制等电磁阀的控制，具备电磁阀线圈断线检测功能，继电器型号为0MR0N G2RL-1-24。 RS485通信总线用于外部通信，采用芯片型号为ADM2483BRW。CAN通信总线分为2路，一路 高速CAN收发器，用于机旁控制系统内部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN收发器， 用于冗余备份。其中所述CAN收发器采用芯片型号为ADM3054。
[0038] 所述安保单元，通过CAN总线与监测报警单元和调速单元相连，通过MODBUS总线 与显示单元相连，其主要作用是为保证柴油机安全，当监测参数严重偏离阈值时，自动停 车。
[0039] 该安保单元主要由8路开关量、2路转速等信号输入部分，4路继电器输出部分， MODBUS总线和CAN总线等传输部分组成，如图2所示。其中开关量具备软件断线检测和硬 件断线指示功能，转速输入部分具备停机和运行双状态的断线检测功能。详细的输入输出 信号如表2所示。开关量信号经过电压比较器和光耦隔离之后进入微控制器GPI0端口。 其中所述电压比较器采用型号为LM339,所述光耦采用型号为TLP280。转速输入信号处理 分为两部分，一部分是断线检测，另一部分是信号调理。转速信号调理成标准的TTL信号后 输入至控制器进行采集处理。所示继电器用于控制柴油机的机旁紧急停车、远程紧急停车 等，具备电磁阀线圈断线检测功能，采用继电器型号为OMRON G2RL-1-24。MODBUS通信用于 与显示单元通信，采用芯片型号为ADM2483BRW。CAN通信总线分为2路，一路高速CAN，用于 机旁控制系统内部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN，用于冗余备份，所述CAN收发 器采用芯片型号为ADM3054。
[0040] 所述调速单元，通过CAN总线与监测报警单元和安保单元相连，其主要功能是用 来控制柴油机的转速，使其保持稳定。
[0041] 该调速单元主要由8路开关量、1路电流、1路负荷与2路转速等信号输入部分，1 路执行器、1路辅助输出部分和CAN总线传输部分等组成，如图4所示。所有输入信号均具 备软件断线检测功能，详细的输入输出信号如表3所示。开关量信号经过电压比较器和光 耦隔离之后进入微控制器GPI0端口。其中所述电压比较器采用型号为LM339,所述光耦采 用型号为TLP280。电流输入信号与负荷信号通过精密电阻转换成电压，并经过放大调理后 接入微控制器内部AD。转速输入信号处理分为两部分，一部分是断线检测，另一部分是信号 调理。转速信号调理成标准的TTL信号后输入至控制器进行采集处理。CAN通信总线分为 2路，一路高速CAN收发器，用于机旁控制系统内部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN 收发器，用于冗余备份；其中所述CAN收发器采用芯片型号为ADM3054。执行器输出和辅助 输出均为电流信号输出，微控制器控制DA输出电压，经运算放大器组成的电路将其转变成 电流进行输出。所述DA采用芯片型号为AD5025,所述运算放大器采用芯片型号为LM358。
[0042] 所述显示单元，通过MODBUS总线与安保单元相连，其主要功能是显示监测参数、 报警和停车保护信息。该显示单元，采用485总线接口的触摸显示屏进行开发，屏幕上显示 热电阻、热电偶、电压、转速等测量通道的测量值，报警信息，瞬时转速波形和特征值等。
[0043] 所述调试单元为上位机软件，其主要功能是通过CAN总线与监测报警单元、安全 单元和调速单元相连，用于修改监测报警阈值、柴油机参数和调速器控制参数。该调试单元 可采用C#语言开发，通过CAN总线接入机旁监测控制系统，其接收CAN总线中传输的信息， 并在调试软件界面上进行显示。
[0044] 所述黑匣子，通过高速CAN总线与监测报警单元相连，用于定时记录柴油机的各 种参数，并将其存储于SD卡中。
[0045] 该黑匣子单元主要由微控制器、CAN接收器和SD存储接口组成，如图5所示。其 中，所述微控制器采用芯片型号为STM32F103ZET6, CAN接收器采用芯片型号为ADM3054。SD 卡存储接口用于定时记录数据。
[0046] 所述双冗余CAN总线，高速CAN总线和低速CAN总线组成，正常情况下，各单元之 间采用高速CAN总线进行通信，一旦检测到高速CAN总线通信错误，则自动切换至低速CAN 进行通信，从而提高监测控制系统的可靠性。
[0047] 本发明提供的船舶柴油机机旁监测控制系统，其监测报警单元工作过程是：上电 时，程序自检启动，检测所有输入通道及通信总线是否出现断线情况，若出现断线，则产生 断线报警信息。无断线的通道则会依次进行A/D采集、转速测量和开关量的状态判断，其 中，A/D采集包括与之相连的热电阻、热电偶和压力信号，将其转换成相应的温度和压力 值等；转速测量采集柴油机转速、增压器转速和瞬时转速；开关量包括启动、停车、盘车、本 地、远程和燃油手柄开关等状态量。这些A/D采集值、转速测量值和开关量状态值输入到监 测报警控制逻辑中进行状态分析、越限判断等，并产生相应的报警和停车信息，通过CAN总 线传输至安保模块或者通过RS485总线传输至船舶机舱。监测报警控制逻辑同时输出控制 信息，通过继电器控制电磁阀执行相应的动作，包括启动电磁阀、滑油预供泵电磁阀、燃油 限制电磁阀等。
[〇〇48] 本发明提供的船舶柴油机机旁监测控制系统，其安保单元的工作过程是：上电时， 程序自检启动，检测所有输入通道及通信总线是否出现断线情况，若出现断线，则产生断线 报警信息。无断线的通道则会依次进行转速测量和开关量的状态判断，其中，转速测量只 测量柴油机转速，用于超速判断；开关量均为柴油机的安全保护开关，一旦状态改变则会 触发安全保护控制逻辑发出停车指令，并通过继电器控制停车电磁阀执行。同时，安全保 护控制逻辑接收监控模块传输过来的各类信息，包括热电阻、热电偶和压力信号采集值，断 线报警、温度越限报警、压力越限报警、停车指令，柴油机转速、增压器转速以及瞬时转速数 据等，并将其通过MODBUS总线传输至显示单元进行显示，同时对停车指令进行执行停车动 作。
[〇〇49] 本发明提供的船舶柴油机机旁监测控制系统，其调速单元的工作过程是：上电时， 程序自检启动，检测所有输入通道及通信总线是否出现断线情况，若出现断线，则产生断线 报警信息。无断线的通道则会依次进行设定转速的拾取、转速测量和开关量的状态判断，其 中，设定转速的拾取通过电流输入通道实现，转速测量只测量柴油机转速；开关量调速器的 控制开关，包括最小燃油开关、升速开关、降速开关等等。调速器控制逻辑根据各开关的状 态进行相应的动作，通过电流控制执行器的输出，以达到调速的目的。产生的报警信息可通 过CAN总线传输至安保单元，再由安保单元传输至显示单元。
[0050] 本发明提供的船舶柴油机机旁监测控制系统，其用于船舶柴油机监测与控制，试 验时采用包括以下步骤的方法：
[0051] (1)安装传感器，连接电缆，通电后机旁监测控制系统进行自检；通过触摸屏显示 出传感器断线报警；
[0052] (2)自检通过后，接入调试软件，设置监测报警单元、安保单元和调速单元等程序 中的柴油机的参数及报警阈值。柴油机参数包括冲程数、曲轴转角的每转脉冲数等；报警阈 值包括高温水高温报警、滑油压力低压、柴油机超速等等。
[0053] (3)功能试验验证,包括本地启动、本地停车、超速停车、紧急停车等。
[0054] (4)报警试验，包括断线报警、越限报警和停车报警等。试验时调整阈值参数使其 超过设定阈值，检查调试软件及其触摸屏上是否出现对应的报警信息。
[0055] 下述表中：表1是图1中监测报警单元的输入与输出参数。表2是图1中安保单 元的输入与输出参数。表3是图1中调速单元的输入与输出参数。
[0056] 表1监测报警单元输入输出信号
[0057]
【权利要求】
1. 一种船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是主要由相对独立的监测报警单元、安 保单元、调速单元组成，它们之间通过双冗余CAN总线相连，其中报警或停车信息通过双冗 余CAN总线传输至安保单元，再由安保单元的MODBUS总线发送至船舶机舱集中控制中心。
2. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是设有显示单元，其 通过MODBUS总线与安保单元相连。
3. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是设有黑匣子，用于 定时记录柴油机的各种参数，并将其存储于SD卡中，该黑匣子通过高速CAN总线与监测报 警单元相连。
4. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是设有调试单元，位 于上位机中，其通过CAN总线分别与监测报警单元、安保单元和调速单元相连。
5. 根据权利要求4所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是调试单元的架构采 用C#语言开发，通过CAN总线接入柴油机旁监测控制系统，其接收CAN总线中传输的信息， 并在上位机人机界面上显示。
6. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是监测报警单元由信 号输入部分、信号输出部分和信号传输部分等组成，其中：信号输入部分设有电信号相连的 热电阻、热电偶、压力、开关量和转速，所有输入信号均具备软件断线检测功能；信号输出部 分由具备电磁阀线圈断线检测功能的继电器输出实现，所述电磁阀包括用于船舶柴油机启 动、停车和燃油限制的电磁阀等；信号传输部分由RS485总线和CAN总线构成，RS485总线 用于外部通信，CAN总线分为2路，一路高速CAN，用于机旁控制系统内部通信和连接调试软 件，另一路为低速CAN，用于冗余备份。
7. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是所述的安保单元主 要由信号输入部分、信号输出部分和信号传输部分等组成，其中：信号输入部分设有电信号 相连的开关量和转速，其中开关量具备软件断线检测和硬件断线指示功能，转速输入部分 具备停机和运行双状态的断线检测功能；信号输出部分由具备电磁阀线圈断线检测功能的 继电器输出实现，所述电磁阀为停车电磁阀；信号传输部分由MODBUS总线和CAN总线构成， MODBUS总线用于与显示单元通信，CAN总线分为2路，一路高速CAN，用于机旁控制系统内 部通信和连接调试软件，另一路为低速CAN，用于冗余备份。
8. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测控制系统，其特征是所述的调速单元主 要由信号输入部分、信号输出部分和信号传输部分等组成，其中：信号输入部分设有电信号 相连的开关量、电流、负荷和转速，所有输入信号均具备软件断线检测功能；信号输出部分 由执行器输出和辅助输出组成，其中执行器输出为大电流输出，用于控制调速器执行器；信 号传输部分由CAN总线构成，CAN总线分为2路，一路高速CAN，用于机旁控制系统内部通信 和连接调试软件，另一路为低速CAN，用于冗余备份。
9. 根据权利要求1所述的船舶柴油机机旁监测报警系统，其特征监测报警单元还设有 瞬时转速监测功能，其根据上止点和曲轴转角信号计算显示柴油机瞬时转速，在线监测柴 油机各缸工作平衡性。
10. 权利要求1至9中任一权利要求所述船舶柴油机机旁监测控制系统的用途，其特征 是该系统采用模块化设计，用于22路以下低温信号，12路以下高温信号和10路以下压力信 号的船舶柴油机。
【文档编号】G05B19/418GK104062965SQ201410322426
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】余永华, 胡闹, 杨建国, 王勤鹏, 贺玉海 申请人:武汉理工大学