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计算机控制故障监测系统在船舶柴油机中的应用黄麟;林叶春;李大亮【摘要】计算机控制故障监测系统是用于柴油机状态监控和故障诊断的监控系统。
文章通过分析该系统在船舶柴油机中的应用，研究了他的结构原理和特点，并结合实际系统总结了柴油机诊断与管理的方法，提出了对船舶柴油机的运行状况的应用管理要点，为机舱的安全运行管理提供了技术保障。
%Computer Control System-Engine Diagnosis System （COCOS-EDS） is used to monitor engine condition and diagnosis system. This article analyzes the application of EDS to the marine engine, and studies the principal of the composition and technical characteristics. From the actual system, the methods of diagnostic and management are summed up and the application management points of diesel engine is proposed, which provides the safety technical support for engine operation and maintenance management.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)006【总页数】4页(P19-22)【关键词】船舶;柴油机;计算机控制故障监测;系统诊断【作者】黄麟;林叶春;李大亮【作者单位】上海海事大学商船学院,上海201306;上海海事大学商船学院,上海201306;中国船级社秦皇岛分社,河北秦皇岛066002【正文语种】中文【中图分类】TP2770 引言在现代船舶系统中，传统柴油机的运行状态一般由机舱巡回监测报警系统进行监测，但系统不能对柴油机的技术状态进行综合评估，更不能对故障进行预测和诊断。
山东交通学院2012届毕业生毕业论文（设计）题目：船舶机舱环境监测系统设计院(系)别信息科学与电气工程学院专业电气工程及其自动化班级电气081学号080819112姓名闫志勇指导教师刘文江2012年4月原创声明本人闫志勇郑重声明：所呈交的论文“船舶机舱环境监测系统设计”，是本人在导师刘文江的指导下开展研究工作所取得的成果。
除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。
论文作者(签字)：日期：2012 年 4月 20 日摘要随着船舶制造及船舶航运业的发展，从人性化角度出发，人们越来越重视船上人员工作及生活条件，从船舶的经济性考虑，动力设备的工作环境也至关重要。
在船舶的设计过程中，机舱环境监测系统的设计是非常重要的一个环节。
不管是人员还是机器设备的正常工作都需要适宜的环境。
机舱内的动力装置正常工作，首先需要消耗一定量的新鲜空气，用于动力机械的燃烧，其次要带走机器设备运转、燃烧产生的热量。
机舱通风用以建立机舱内给定的环境条件，如需要的舱内温度、湿度、空气流速、清洁度及空气成份等，以保证柴油机、锅炉及焚烧炉燃烧时所必须的空气量，同时也要保证机内良好的工作环境，改善轮机人员的工作及卫生条件。
本设计是以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（AD590）和湿度传感器(HIH-3610)，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度、湿度、光照强度和氧气含量信号，检测人员可以通过数码管显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。
所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度、湿度、光敏和氧气传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后通过一定的放大经过芯片TLC549A/D转换送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置，并控制控制风机的运行。
船舶动力系统的研究与设计随着全球化的快速发展，海运业的重要性也逐渐凸显。
而作为海运行业的核心，船舶也在不断改进和提高，以适应更加多元化的需求和市场需求。
其中，船舶动力系统的研究与设计是保证船舶运转顺畅、效率高效的关键之一。
一、船舶动力系统的概念和组成船舶动力系统指的是为船舶提供动力的系统，主要包括船舶发动机、引擎室、液压装置、传动装置、推进装置、电气控制系统等。
这些组成部分的集成、配合以及优化，决定了船舶的运行状态和良好程度。
船舶发动机是船舶动力系统中最基础的组成部分。
按照功率不同，船舶发动机主要分为高功率柴油机、低功率柴油机和汽轮机等。
在选择船舶发动机时，需要根据船舶本身的型号和用途、航行路线和所需的航海时间等综合因素进行考虑和设计。
引擎室是船舶动力系统的核心组成部分。
它包括了所有发动机和传动装置，并负责对这些装置进行监控、调节和维护。
引擎室的设计和规划，需要保证船员的安全和操作性，同时也要考虑到设备的运转效率、噪声和振动等问题。
液压装置则负责船舶动力系统中各项液压控制任务。
这个系统通过使液体在封闭管道中流动，把能量转变为力量来驱动大多数运动控制装置。
液压装置包括水面控制、舵控和停泊锚链加力等。
传动装置是将发动机输出的动力传输到推进装置的关键部分。
传动装置一般分为主传动和辅传动两部分。
主传动主要包括离合器和减速器等，这些装置可以让发动机旋转更快，从而达到更高的转矩和效率。
辅传动则是设备的配套维修和保养措施，旨在保护主传动机组。
推进装置则是船舶动力系统中最为关键的组成部分。
推进装置可以将船舶向前或向后推进，同时也可以改变其方向和轨迹。
船舶推进装置的种类繁多，包括螺旋桨、喷气推进装置、水刀推进系统和磁悬浮推进装置等。
最后，电气控制系统则是为船舶中各项设备和部件提供电力支持的同时，也负责监控和调节系统中涉及电气方面的任务。
电气控制系统一般包括电动标数据、电动阀数据以及动态定位监控等。
二、船舶动力系统的发展趋势成熟的船舶动力系统可以让船舶运营更加高效、节能、安全和可持续。
第11卷第8期中国水运V ol.11N o.82011年8月Chi na W at er Trans port A ugus t 2011收稿日期：6作者简介：蒋潇，京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处。
船舶柴油机监测系统的设计与使用蒋潇（京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处，江苏淮安223002）摘要：柴油机是船舶动力的主要来源，在船舶设备中占有重要的地位，其运行状态直接关系到船舶的运行安全。
在柴油机运行过程中进行监测，以发现潜在的故障原因，及早采取措施，防止突发性故障的产生。
这种运行状态监测方式，不仅避免了设备运行事故，提高了经济效益，而且大大降低了维修人员的劳动强度，它是柴油机进行故障诊断的前提。
关键词：船舶；柴油机；La bVIEW ；信号模拟器中图分类号：TK 426文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）08-0106-02一、引言近些年来，我国船舶行业的规模越来越大，并且向高效、高速、系统化和自动化方向发展，所以当柴油机发生异常时，单靠维护人员来解决设备运行时出现的问题已变的越来越困难了。
为了提高柴油机的使用效率和可靠性，提出了一种基于嵌入式平台的状态监测系统。
将嵌入式系统应用到柴油机监测中，一方面可以对柴油机进行实时的运行状态监测，无需要人工干预即能自主运行，充分发挥了嵌入式计算机低成本、高可靠性、高集成度等优势；另一方面，可以根据柴油机运行条件的改变，自适应地调节自身的功能来保证监测的及时性。
二、船舶柴油机监测系统的技术进展1．嵌入式系统在船舶设备监测中的应用嵌入式系统是一个实现预定特殊功能的系统，它具有有限的资源（如内存、功耗、处理器速度、计算能力等），具有自己的操作系统，它的CPU 具有低功耗、体积小、集成度高等优点。
近年来船舶自动化系统正向着数字化、智能化、网络化的方向发展，很容易就会把嵌入式系统作为船舶柴油机乃至整个机舱监控系统的理想监测设备选择对象之一。
显然，把嵌入式系统应用于新船的建设，可以使船舶监测系统趋于小型化、智能化，具有先进性。
由于在现有船舶柴油机监控系统上使用较多的仍然是热电阻、继电器、加速度等常规传感器，PC 机现场总线的方法便不能适用，而选用合适的嵌入式系统则能方便地实现对模拟信号的数据采集。
这样一来，对于使用非嵌入式监控系统的船舶而言，可以在尽量少改动原有设备的情况下，提高系统的监控水平。
由于嵌入式技术在船舶应用领域尚处于发展阶段，在现有船舶数据监控系统中，仍是以采用PLC （可编程逻辑控制器）、工业控制计算机（以下简称工控机），甚至简单的单片机系统为主来实现船舶各系统的数据采集、监测及控制功能。
然而，考虑到船舶空间狭小，航行环境多变，因此相对陆用设备而言，我们希望这类船用设备具有体积小，安装接线方便，便于维修，可靠性高，并能适应船上盐雾、油雾、霉菌、潮湿、高热、振动、冲击、电磁干扰大等恶劣条件的性能。
对应用于船舶这一特殊环境，嵌入式系统比以往的各类控制系统具有明显的优点，可以预见嵌入式系统将在船舶监控系统中得到广泛的应用。
2．虚拟仪器技术在船舶设备监测中的应用自20世纪90年代以来，计算机技术迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和测量仪器领域等到广泛应用，促进和推动测试测量系统的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。
“软件就是仪器”已经称为测试与测量技术发展的重要标志。
计算机技术与测量技术紧密结合的产物-虚拟仪器技术的诞生，完全能够满足柴油机对测试系统的需求，能够根据不同的试验目的，测试参数和测量要求，快速构建一套技术先进、功能完善、测量精度高、试验结果分析处理能力强的综合测试系统。
虚拟仪器技术具有巨大的灵活性，开发者可以根据自己的特殊需求来定义仪器的功能。
虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。
计算机与仪器硬件又称为VI 的通用仪器硬件平台。
软件技术是虚拟仪器的核心技术。
常用的仪器用开发软件有Lab VIE W 、LabWin dows /CVI 、VEE 等等，其中以LabVIEW 应用最为广泛。
虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能平台。
其中计算机硬件平台可以是各种类型的计算机。
计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，它是虚拟仪器的硬件基础。
同时，计算机技术在显示与存储能力、处理性能、网络与总线标准等方面的发展，促使了虚拟仪器的快速发展。
由于发达国家起步早，目前虚拟仪器测量在发达国家已经基本普及。
国内对于虚拟仪器的研究相对较晚，基本从上世纪90年代末开始，近几年来发展很快，取得了可喜的研究成果。
现在，虚拟仪器技术在国内发动机测试领域已经广泛应用，并称为测试系统设计的主流。
虚拟仪器的引入，推动了发动机测试技术的不断更新和发展，促进了测试系统的更新换代。
二、柴油机监测系统软硬件设计本课题开发的基于某厂TBD234v8（147KW ，2000r/m in ）的柴油机，船舶柴油机监测系统的主要功用是采集所需信号进行分析处理，并将处理的结果存储，为后续故障诊断专家系统提供数据进行分析，是故障诊断专家系统的前提和基础。
为了检验前文软硬件设计的实用性和可靠性，下面2011-0-11第8期蒋潇：船舶柴油机监测系统的设计与使用107将从监测系统总体结构、柴油机信号模拟器设计和软硬件联调三个方面进行阐述。
监测系统总体结构主要是指通过虚拟仪器技术开发完成的柴油机监测系统的总体结构布局；柴油机信号模拟器，顾名思义，主要用于模拟产生柴油机监测信号；软硬件联调主要是指在现有硬件设备上对开发完成的监测系统进行试验验证和完善。
1．监测系统总体结构图1监测系统总体结构如图1所示就是本监测系统的总体结构。
数据采集部分主要通过FPGA中编程实现，用到的软件包括Lab View和La bView FPGA模块；分析处理部分主要通过在CRIO实时控制器里编程实现，用到的软件包括LabView、LabView Real-Time和Sou n d an dVib ration模块；触摸屏监测及其子程序、集控台监测及其子程序分别在触摸屏和集控台中编程实现，用到的软件包括LabView、La bView Tou ch Pa nel 模块和Sou n d an d Vib rat ion模块。
2．柴油机信号模拟器设计鉴于目前实验室不具备硬件设计部分所阐述的部分硬件设施，因此需要开发一套设备，取代监测系统中部分硬件设施的功能，以便方便有效地在实验室中进行试验。
由于TBD234v8柴油机现有安装的传感器和变送器不能完全满足信号采集的要求，而且到现场采集所需的信号会影响柴油机的正常工作。
基于上述原因，本课题在实验室里用一台柴油机信号模拟器替代产生柴油机监测所需的各种信号，对于低频信号而言，信号模拟器的作用相当于柴油机低频信号测点、传感器和变送器的总和；对于高频信号而言，信号模拟器的作用相当于柴油机高频信号测点、传感器和放大器的总和。
因此总的来说，柴油机信号模拟器相当于替代了柴油机、传感器和信号调理箱。
3．燃烧分析模块设计柴油机的燃烧过程属于预混合燃烧，自压缩行程末期燃油喷入气缸，直到在膨胀行程中燃烧结束。
缸内燃油的整个燃烧过程，经历了与缸内空气混合形成可燃混合气、以压缩发火方式自燃、以火焰扩散形成燃烧，既有物理变化又有化学变化，而且燃烧持续时间极短（例如1000r/min柴油机的燃烧过程，时间大约只有10ms左右），过程极为复杂。
燃烧过程的好坏，直接影响最高燃烧压力、最大压力升高率及最大放热率等，所以人们一直在研究并优化燃烧过程。
2.4示功图分析研究柴油机燃烧过程，有高速摄影、光谱分析、采样分析等不同的方法。
最简便实用的方法是分析示功图曲线。
柴油机气缸压力示功图是描述柴油机动力性能的基本手段，它综合反映了柴油机输出机械功的热力转换过程。
测量气缸压力示功图的实质是测量气缸中气体压力随时间或曲轴转角、气缸容积变化的信号，通过多周期平均、光顺和数字滤波等信号处理方法消除测量中的随机误差，使曲线更加连续，提高数值计算精度。
对气缸压力示功图的分析是在等曲柄转角气缸压力示功图基础上，结合机体结构参数计算柴油机指示参数、燃烧放热率以及气体与缸壁传热率等性能参数，作为评价柴油机工作状态的重要依据。
长期以来，人们一直利用气缸压力示功图对柴油机工作过程进行监测。
三、结语船舶柴油机监测系统的设计难度较大，在从实验室走向工程应用中，还会遇到很多意想不到的问题。
这些都需要在软、硬件调试过程中进一步得到解决。
本课题对船舶柴油机监测系统做了基本的搭建，对完善柴油机监测系统的功能，使之稳定可靠运行具有积极的意义。
参考文献[1]闵云平．船舶柴油机在线监测与故障诊断系统研究[J]．中国水运，2007，5，（6）：79-80．[2]袁泉．柴油机性能监测系统的开发与试验研究[D]．武汉：武汉理工大学，2005，6.[3]李丛颖．嵌入式远程状态监测系统研究及展望[J]．计算机控制、监测与管理，2005，（8）：72-74．[4]CITRO N S J，O’HIGGINS J E，CHEN L Y.Cylinder byCylinder Engine Pressure and Press ure T orque WaveformDetermination Utilizing Speed Fluctuations[C].SAE Paper890486．[5]Mauer G F.On-line cylinder fault diagnos tics for internalcombustion engines[J].IEEE Trans action on IndustrialElectronics.1990，37（3）：211-226．（上接第105页）1,000t单臂架变幅式起重船臂架为68°时，空载情况下两根变幅钢丝绳拉力测试结果分别为71.7kN和71.8kN，即两根变幅钢丝绳受到基本相同的拉力。
参考文献[1]顾安邦，张永水．桥梁施工监测与控制[M]．北京：机械工业出版社，2005．[]周先雁，王智丰，冯新．基于频率法的斜拉索索力测试研究[]．中南林业科技大学学报，，，（）：6．2J2009292102-10。
