船舶柴油机安全监测报警系统及其测控台研制
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摘要
数字化和总线技术在船舶行业的广泛应用,推动了船舶自动化技术不断向高层次发展。船舶柴油机安全监测报警系统是船舶机舱自动化的重要部分,对其开展研究和设计,有助于提高我国船舶配套设备的技术水平。
本文在对L21／32船舶中速柴油机工作特点和测控需求深入研究的基础上,并考虑到轮机员的操作习惯,安全监测报警系统采用模块化结构,模块间采用RS485总线通讯,既互相独立,又互为备用,确保了柴油机的运行安全。论文还研制了一套安全监测报警系统测控台,通过由NIPXI系统构建的虚拟仪器对安全监测报警系统进行测试。
本文主要完成了以下几方面工作：
1)对安全系统进行了研制。根据安全系统的控制对象,确定需要控制的输入输出量及对应I／O点,完成控制器的选型。研究了AC1 131软件的使用,程序中各种变量定义方法,函数库功能扩展,传感器断线故障检测。分析了PLC高速采样的误差和原因,并对测速结果进行了校正；
2)完成了测控台硬件和软件功能设计。根据传感器信号的类型及阈值,建立以FPGA和NI模拟、数字模块为结构的虚拟仪器测试系统。通过Lab VIEW应用程序接口VISA从RS485总线获取原型柴油机运行参数,然后进行分类、捆绑、标定,换算成FPGA能准确输出的电信号；
3)研究了在基本模块处理的I／O量及报警量,基本模块的电源、传感器外部接口电路、开关量模拟量调理电路以及总线接口电路的原理、关键报警量的形成逻辑和MODBUS协议规范；
4)完成了系统功能验证。利用变频电机驱动齿轮盘、测控台NI 9401高速数字模块对安全系统进行双重仿真试验,确保系统研制无误。通过FPGA信号采集入口,完成了监测报警系统的测试。
The broad application of digital and bus technology in ship industry drives the ship automation to advance fast. The Safety, Monitoring and Alarm System (SMAS) for marine diesel engine is an important content of ship engine room automation. The research and design about it is helpful to improve our country's technique level in ship auxiliary equipment.
Based on the exploration about the working features and test demands of a L21/32 marine medium-speed diesel engine and consideration about engineers' operation habits, the SMAS is made up of several modules, among which the RS485 bus is adopted. These modules are all independent and desperate to secure the diesel engine. This thesis has also developed a set of test platform for SMAS, which tests SMAS through virtual instruments based on NI PXI system.
Some works have been conducted in this thesis mainly as follows:
1) To develop safety system. According its control objects, the input/output arguments and corresponding I/O points are confirmed, hence the control units are selected. The research has been done about the use of AC1131 software, the definitions of variables, the extensions of function library and the fault detection about sensors'wire break. Having analyzed the errors and its causes of high-speed sampling, the revolution value are corrected
2) To design the function of test and control platform's hardware and software. According to the type and scope of signals from sensors, the virtual instrument test system is built, which is composed of FPGA, NI analog and digital modules. Through Lab VIEW application program interface of VISA the prototype machine's crucial parameters are obtained from RS485 bus, then classed, bundled and scaled, they are changed into the signals which can be output precisely by FPGA.
3) The I/O and alarm objects processed in base module are researched. In addition, the research also includes the principles of the electrical source in bus, the interface circuits of sensor, on-off and analog signals regulation circuits and bus interface circuits, the formation logic of important alarm points and MODBUS protocol criterion.
4) The system functions are vertified by variable-frequency motor driven toothed disc and high speed digital module of NI 9401, the safety system is doubly tested to ensure the system to work properly. Using FPGA data acquisition technology, the monitoring and alarm system is tested.
本文在对L21／32船舶中速柴油机工作特点和测控需求深入研究的基础上,并考虑到轮机员的操作习惯,安全监测报警系统采用模块化结构,模块间采用RS485总线通讯,既互相独立,又互为备用,确保了柴油机的运行安全。论文还研制了一套安全监测报警系统测控台,通过由NIPXI系统构建的虚拟仪器对安全监测报警系统进行测试。
本文主要完成了以下几方面工作：
1)对安全系统进行了研制。根据安全系统的控制对象,确定需要控制的输入输出量及对应I／O点,完成控制器的选型。研究了AC1 131软件的使用,程序中各种变量定义方法,函数库功能扩展,传感器断线故障检测。分析了PLC高速采样的误差和原因,并对测速结果进行了校正；
2)完成了测控台硬件和软件功能设计。根据传感器信号的类型及阈值,建立以FPGA和NI模拟、数字模块为结构的虚拟仪器测试系统。通过Lab VIEW应用程序接口VISA从RS485总线获取原型柴油机运行参数,然后进行分类、捆绑、标定,换算成FPGA能准确输出的电信号；
3)研究了在基本模块处理的I／O量及报警量,基本模块的电源、传感器外部接口电路、开关量模拟量调理电路以及总线接口电路的原理、关键报警量的形成逻辑和MODBUS协议规范；
4)完成了系统功能验证。利用变频电机驱动齿轮盘、测控台NI 9401高速数字模块对安全系统进行双重仿真试验,确保系统研制无误。通过FPGA信号采集入口,完成了监测报警系统的测试。
The broad application of digital and bus technology in ship industry drives the ship automation to advance fast. The Safety, Monitoring and Alarm System (SMAS) for marine diesel engine is an important content of ship engine room automation. The research and design about it is helpful to improve our country's technique level in ship auxiliary equipment.
Based on the exploration about the working features and test demands of a L21/32 marine medium-speed diesel engine and consideration about engineers' operation habits, the SMAS is made up of several modules, among which the RS485 bus is adopted. These modules are all independent and desperate to secure the diesel engine. This thesis has also developed a set of test platform for SMAS, which tests SMAS through virtual instruments based on NI PXI system.
Some works have been conducted in this thesis mainly as follows:
1) To develop safety system. According its control objects, the input/output arguments and corresponding I/O points are confirmed, hence the control units are selected. The research has been done about the use of AC1131 software, the definitions of variables, the extensions of function library and the fault detection about sensors'wire break. Having analyzed the errors and its causes of high-speed sampling, the revolution value are corrected
2) To design the function of test and control platform's hardware and software. According to the type and scope of signals from sensors, the virtual instrument test system is built, which is composed of FPGA, NI analog and digital modules. Through Lab VIEW application program interface of VISA the prototype machine's crucial parameters are obtained from RS485 bus, then classed, bundled and scaled, they are changed into the signals which can be output precisely by FPGA.
3) The I/O and alarm objects processed in base module are researched. In addition, the research also includes the principles of the electrical source in bus, the interface circuits of sensor, on-off and analog signals regulation circuits and bus interface circuits, the formation logic of important alarm points and MODBUS protocol criterion.
4) The system functions are vertified by variable-frequency motor driven toothed disc and high speed digital module of NI 9401, the safety system is doubly tested to ensure the system to work properly. Using FPGA data acquisition technology, the monitoring and alarm system is tested.
引文
[1]秦俊,孟梅,张海丽.国外数字化造船技术的现状与发展趋势研究.中国数字化造船论坛,2006.
[2]王琪.船舶机舱监测报警系统的应用现状及发展趋势[J],机电设备,2007年6期
[3]周善元,林云生,辛叙坤,钱乙鸣.新世纪船舶电工技术展望.中国电工技术学会第七届学术年会,2001.
[4]赵正平,刘传茂.世界造船技术创新回顾[J],造船技术,2001年5期
[5]黄玮.基于CAN总线技术的机舱报警系统[J],仪表技术,2009年9期
[6]许晶.网络型船舶机舱监控系统的研究与设计[D],大连海事大学硕士学位论文,2008
[7]邬韦,韩华.船舶机舱自动化网络技术的应用发展与展望[R],中国内燃机学会第三届青年学术年会,2002
[8]崔清玲.P87C591在机舱监测报警系统中的应用[J],舰船电子工程,2008年5期
[9]马驰誉.船舶机舱监测报警系统的研究[D],大连海事大学硕士学位论文,2009
[10]战兴群,赵隽,张炎华,徐廷良.机舱监测报警系统研制[J],船舶工程,2001年3期
[11]吴良岳.舰船机舱综合管理系统研究[D],华中科技大学硕士学位论文,2006
[12]战琪.机舱巡回监测与报警系统的研究[D],大连海事大学硕士学位论文,2008
[13]罗西.船舶综合监控系统的数据通信技术研究[D],大连海事大学硕士学位论文,2008
[14]唐唯唯.船舶机舱监视与报警人机交互系统的设计[D],大连海事大学硕士学位论文,2007
[1 5]廖燕洪.大功率柴油机安全系统.广东造船,2006年第1期
[16]陈意惠,蒲小莲.基于PLC的船舶机舱实时监测报警系统[J],上海海事大学学报,2005年2期
[17]Piotr Paschke,Maciej Plonczak, Pawel Klis,Marek Grunt. Perspectives of development of integrated monitoring system of power supply and air conditioning equipment towards technical environment equipment monitoring system of the operator.2008, IEEE
[18]D. Ponce, H.K. Chiu, M.B. Condon, I.A. Gorelov, R.A. Legg, and F.W. Baity, Jr. The DIII-D Multiple Gyrotron Control System.2002, IEEE
[19]战兴群,张炎华.船舶机舱监测报警系统PLC单元实现[R],全国船舶仪器仪表二00一年学术会议,200 1
[20]姜建芳,张志勇,施奇峰,赖祖红.PLC控制系统的仿真调试研究.工业控制计算机,2001年11期.
[21]韩巍,陈嘉福,夏焕锦等.柴油机控制技术简述.船电技术,2005年第4期
[22]刘斌彬.柴油机综合电控系统与监控系统的开发：[D].北京：北京交通大学机械电子工程,2006年12月
[23]余永华,杨建国.船舶柴油机数字化监测与诊断系统[J],船舶工程,2007年2期
[24]Xiyuan Wang, Jianbo Sun, and Chen Guo. The Research on A PC-Based Simulation of Diesel Engine Propulsion System.2008 Asia Simulation Conference-7th Intl. Conf. on Sys. Simulation and Scientific Computing
[25]Kevin P. Logan. Operational Experience with Intelligent Software Agents for Shipboard Diesel and Gas Turbine Engine Health Monitoring.2005 IEEE Electric Ship Technologies Symposium
[26]施伟锋.船舶主柴油机转速直接数字控制系统.SHIP&BOAT,1 998年01期
[27]余永华,杨建国.船舶柴油机瞬时转速仿真计算模型的研究.内燃机学报,第26卷(2008)第6期
[28]蒋爱苏,黄挚雄.基于虚拟仪器的高压电气综合测控台的提出与设计.测控技术,2003,22(1)：9-11
[29]NI, MEASUREMENT and AUTOMATION,2007.
[30]杨乐平,李海涛,杨磊等.LabVIEW程序设计与应用[M].北京；电子工业出版社,2005.
[31]陈驻民.基于CAN总线的IBS的机舱遥控和报警系统的研究[D],上海海事大学硕士学位论文,2006
[32]刘君华.现代检测技术与测试系统设计.西安交通大学出版社,1999年4月
[33]赵付舟.发动机模拟加载测控台架的研究[D],南京航空航天大学硕士学位论文,2006
[34]石锋,何天明,鲁春艳.基于LabVIEW的发动机测试台的远程测试系统[J],武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2007年10期
[35]魏海燕,杨建新,郁鼎新,张玉峰.基于Labview的虚拟仪器开发[J],机械工程师,2000年4期
[36]范晓科,张小青,杨建明.虚拟仪器在串行协议分析中的应用[J],电测与仪表,2009年5期
[37]崔红梅.面向测试系统的虚拟仪器设计与应用研究[D],内蒙古农业大学博士学位论文,2007
[38]孙二敬.基于LabVIEW的多传感器信息采集平台[D],北京交通大学硕士学位论文,2006
[39]陈远玲,李中山,黄炳琼,付玉林.基于LabVIEW的液压实验测试台[J],流体传动与控制,2008,(2)：37-39
[40]蒙艳玫,高凤伟,段敬利,李尚平,黄炳琼.基于LabVIEW的振动测试分析系统的研究[J],广西大学学报(自然科学版),2007年2期
[41]纪常伟,王茂美,李超,梁晨.基于LabVIEW的内燃机缸压采集与分析系统开发与实验验证[J],北京工业大学学报,2006年9期
[42]周隽,许江宁,孙振宇.基于LabVIEW的交流伺服电机转速测试方法研究和设计[J],船电技术,2009年3期
[43]汤敏.通过LabVIEW FPGA加速嵌入式系统原型化的过程.今日电子,2006,(12)
[44]王勤鹏.大功率低速柴油机测控系统研制[D],武汉理工大学硕士学位论文,2009
[45]江伟,袁芳.LabVIEW环境下温度控制系统的设计.国外电子测量技术,2004年第3期
[46]黄泉水,江国和.基于LabVIEW的柴油机供油故障诊断系统开发.江苏科技大学学报(白然科学版),2008年2月第22卷第1期
[47]鲁玲.基于LabVIEW的柴油机增压系统状态评估的实现.微计算机信息(测控自动化),2007年第23卷第1 0-1期
[48]曹雄涛,杜发荣.基于LabVIEW的柴油机状态监测系统.柴油机设计与制造,2006年第3期第14卷(总第116期)
[49]熊伟威,殷承良.基于LabVIEW的发动机特性仿真分析.客车技术与研究,2005年第4期
[50]王宏强,孙苓生.基于虚拟仪器技术的工业控制系统开发.工业控制计算机,2004年17卷第4期
[51]Martin Kaszynski,Oliver Sawodny. Modeling and Identification of a Built-In Turbocharged Diesel Engine Using Standardized On-Board Measurement Signals.17th IEEE International Conference on Control Applications Part of 2008 IEEE Multi-conference on Systems and Control,San Antonio, Texas, USA, September 3-5,2008
[52]H. Ohgaki, Y. Iwasaki, S. Koda,etc. Toyokawa.PC-LabView BASED CONTROL SYSTEM IN SAGA-LS.Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville,Tennessee
[53]赵建,陈强.在LabVIEW中数据库建立与管理功能实现方法研究.仪表技术,2005年第3期
[2]王琪.船舶机舱监测报警系统的应用现状及发展趋势[J],机电设备,2007年6期
[3]周善元,林云生,辛叙坤,钱乙鸣.新世纪船舶电工技术展望.中国电工技术学会第七届学术年会,2001.
[4]赵正平,刘传茂.世界造船技术创新回顾[J],造船技术,2001年5期
[5]黄玮.基于CAN总线技术的机舱报警系统[J],仪表技术,2009年9期
[6]许晶.网络型船舶机舱监控系统的研究与设计[D],大连海事大学硕士学位论文,2008
[7]邬韦,韩华.船舶机舱自动化网络技术的应用发展与展望[R],中国内燃机学会第三届青年学术年会,2002
[8]崔清玲.P87C591在机舱监测报警系统中的应用[J],舰船电子工程,2008年5期
[9]马驰誉.船舶机舱监测报警系统的研究[D],大连海事大学硕士学位论文,2009
[10]战兴群,赵隽,张炎华,徐廷良.机舱监测报警系统研制[J],船舶工程,2001年3期
[11]吴良岳.舰船机舱综合管理系统研究[D],华中科技大学硕士学位论文,2006
[12]战琪.机舱巡回监测与报警系统的研究[D],大连海事大学硕士学位论文,2008
[13]罗西.船舶综合监控系统的数据通信技术研究[D],大连海事大学硕士学位论文,2008
[14]唐唯唯.船舶机舱监视与报警人机交互系统的设计[D],大连海事大学硕士学位论文,2007
[1 5]廖燕洪.大功率柴油机安全系统.广东造船,2006年第1期
[16]陈意惠,蒲小莲.基于PLC的船舶机舱实时监测报警系统[J],上海海事大学学报,2005年2期
[17]Piotr Paschke,Maciej Plonczak, Pawel Klis,Marek Grunt. Perspectives of development of integrated monitoring system of power supply and air conditioning equipment towards technical environment equipment monitoring system of the operator.2008, IEEE
[18]D. Ponce, H.K. Chiu, M.B. Condon, I.A. Gorelov, R.A. Legg, and F.W. Baity, Jr. The DIII-D Multiple Gyrotron Control System.2002, IEEE
[19]战兴群,张炎华.船舶机舱监测报警系统PLC单元实现[R],全国船舶仪器仪表二00一年学术会议,200 1
[20]姜建芳,张志勇,施奇峰,赖祖红.PLC控制系统的仿真调试研究.工业控制计算机,2001年11期.
[21]韩巍,陈嘉福,夏焕锦等.柴油机控制技术简述.船电技术,2005年第4期
[22]刘斌彬.柴油机综合电控系统与监控系统的开发：[D].北京：北京交通大学机械电子工程,2006年12月
[23]余永华,杨建国.船舶柴油机数字化监测与诊断系统[J],船舶工程,2007年2期
[24]Xiyuan Wang, Jianbo Sun, and Chen Guo. The Research on A PC-Based Simulation of Diesel Engine Propulsion System.2008 Asia Simulation Conference-7th Intl. Conf. on Sys. Simulation and Scientific Computing
[25]Kevin P. Logan. Operational Experience with Intelligent Software Agents for Shipboard Diesel and Gas Turbine Engine Health Monitoring.2005 IEEE Electric Ship Technologies Symposium
[26]施伟锋.船舶主柴油机转速直接数字控制系统.SHIP&BOAT,1 998年01期
[27]余永华,杨建国.船舶柴油机瞬时转速仿真计算模型的研究.内燃机学报,第26卷(2008)第6期
[28]蒋爱苏,黄挚雄.基于虚拟仪器的高压电气综合测控台的提出与设计.测控技术,2003,22(1)：9-11
[29]NI, MEASUREMENT and AUTOMATION,2007.
[30]杨乐平,李海涛,杨磊等.LabVIEW程序设计与应用[M].北京；电子工业出版社,2005.
[31]陈驻民.基于CAN总线的IBS的机舱遥控和报警系统的研究[D],上海海事大学硕士学位论文,2006
[32]刘君华.现代检测技术与测试系统设计.西安交通大学出版社,1999年4月
[33]赵付舟.发动机模拟加载测控台架的研究[D],南京航空航天大学硕士学位论文,2006
[34]石锋,何天明,鲁春艳.基于LabVIEW的发动机测试台的远程测试系统[J],武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2007年10期
[35]魏海燕,杨建新,郁鼎新,张玉峰.基于Labview的虚拟仪器开发[J],机械工程师,2000年4期
[36]范晓科,张小青,杨建明.虚拟仪器在串行协议分析中的应用[J],电测与仪表,2009年5期
[37]崔红梅.面向测试系统的虚拟仪器设计与应用研究[D],内蒙古农业大学博士学位论文,2007
[38]孙二敬.基于LabVIEW的多传感器信息采集平台[D],北京交通大学硕士学位论文,2006
[39]陈远玲,李中山,黄炳琼,付玉林.基于LabVIEW的液压实验测试台[J],流体传动与控制,2008,(2)：37-39
[40]蒙艳玫,高凤伟,段敬利,李尚平,黄炳琼.基于LabVIEW的振动测试分析系统的研究[J],广西大学学报(自然科学版),2007年2期
[41]纪常伟,王茂美,李超,梁晨.基于LabVIEW的内燃机缸压采集与分析系统开发与实验验证[J],北京工业大学学报,2006年9期
[42]周隽,许江宁,孙振宇.基于LabVIEW的交流伺服电机转速测试方法研究和设计[J],船电技术,2009年3期
[43]汤敏.通过LabVIEW FPGA加速嵌入式系统原型化的过程.今日电子,2006,(12)
[44]王勤鹏.大功率低速柴油机测控系统研制[D],武汉理工大学硕士学位论文,2009
[45]江伟,袁芳.LabVIEW环境下温度控制系统的设计.国外电子测量技术,2004年第3期
[46]黄泉水,江国和.基于LabVIEW的柴油机供油故障诊断系统开发.江苏科技大学学报(白然科学版),2008年2月第22卷第1期
[47]鲁玲.基于LabVIEW的柴油机增压系统状态评估的实现.微计算机信息(测控自动化),2007年第23卷第1 0-1期
[48]曹雄涛,杜发荣.基于LabVIEW的柴油机状态监测系统.柴油机设计与制造,2006年第3期第14卷(总第116期)
[49]熊伟威,殷承良.基于LabVIEW的发动机特性仿真分析.客车技术与研究,2005年第4期
[50]王宏强,孙苓生.基于虚拟仪器技术的工业控制系统开发.工业控制计算机,2004年17卷第4期
[51]Martin Kaszynski,Oliver Sawodny. Modeling and Identification of a Built-In Turbocharged Diesel Engine Using Standardized On-Board Measurement Signals.17th IEEE International Conference on Control Applications Part of 2008 IEEE Multi-conference on Systems and Control,San Antonio, Texas, USA, September 3-5,2008
[52]H. Ohgaki, Y. Iwasaki, S. Koda,etc. Toyokawa.PC-LabView BASED CONTROL SYSTEM IN SAGA-LS.Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville,Tennessee
[53]赵建,陈强.在LabVIEW中数据库建立与管理功能实现方法研究.仪表技术,2005年第3期