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船舶柴油機監(jiān)測安全裝置測試系統(tǒng)研制

文檔作者：朱軍湯旭晶玉海訕楊建國文檔來源：武漢理工大學a．能源與動力工程學院； b．船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 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
船舶柴油機監(jiān)測安全裝置測試系統(tǒng)研制
朱軍“，湯旭晶8．u，賀玉海訕。楊建國““
(武漢理工大學a．能源與動力工程學院；
b．船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室。武漢430063)
摘要：為了對新開發(fā)的柴油機監(jiān)測安全裝置進行測試．設計基于虛擬儀器技術的測試系統(tǒng)。通過分析
提取原型柴油機I監(jiān)視系統(tǒng)的串【l數(shù)據(jù)．建訌柴油機負倚特性數(shù)據(jù)庫．采J}j枚舉法將每一工況數(shù)據(jù)導入主程序
控制面板．按照所編譯的程序原則實現(xiàn)測試信號在可蠹配置上二的輸出；系統(tǒng)利用測試信號對監(jiān)測安全裝置進
行測試，效果理想。
關鍵詞：測試系統(tǒng)；監(jiān)測安全裝置；LabVIEW；FP(；A
中圖分類號：U664．12l；TK31 文獻標志碼：A 文章編號：167卜7953(2011)O卜0067一04
嵌入式柴油機監(jiān)測安全裝置的可靠性直接關
系到柴油機的穩(wěn)定運行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，在開發(fā)過程中，
考慮研制實用的安全裝置測試系統(tǒng)。
1船舶柴油機監(jiān)測安全裝置
船舶中速柴油機監(jiān)測安全裝置南安全系統(tǒng)、
基本模塊和人機接口三部分組成，結(jié)構地圖1。
圖l船舶中速柴油機監(jiān)測安全裝置結(jié)構
其中人機接口又可分為操作單元、溫度壓力監(jiān)
測單元、排氣溫度監(jiān)測單元、輸f}{模塊和報警指示單
元等。基本模塊與人機接口之間采用R跚85通信．通
過M()I)BUS總線向機艙監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。
基本模塊是監(jiān)測安全裝置的核心?？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
作者簡介：朱軍(1980一)．男．碩十生。
研究方向：柴油機自動控制及現(xiàn)代船舶管理
酚咖II．mrdavidzhull 18@163．com
機為主控制器。通過調(diào)理電路接口及8位總線擴
展外部設備?；灸K采集柴油機的各參數(shù)，數(shù)
字化后通過總線通信傳送到其他設備，并響應系
統(tǒng)內(nèi)部和外部總線j二的命令。輸_}l{相關信號到安
全系統(tǒng)和報警顯示板等；當安全系統(tǒng)不能正常停
機時。緊急情況下可以執(zhí)行冗余停機，這一功能通
過設定比安全系統(tǒng)更高或更低的參數(shù)限來實現(xiàn)。
安全系統(tǒng)采用可編程控制器(PI．C)，獨立于基本
模塊執(zhí)行螢要功能。直接監(jiān)視柴油機的轉(zhuǎn)速、壓
力、水溫等狀態(tài)量?！阂弧繒r又接收從基本模塊傳輸?shù)?
傳感器數(shù)據(jù)。對柴油機運行狀態(tài)判斷并進行控制。
人機接口提供控制柴油機(主要是啟、?？刂?和
讀取柴油機內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)的窗口，以Infineon 8
位單片機作為控制器。
2 測試系統(tǒng)硬件設計
考慮到監(jiān)測安全裝置信號的多樣性、動作瞬時
性特點。測試系統(tǒng)應選J}j滿足同步采集、實時響應
與精確計算要求的硬件嵋]。測試系統(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)設備『拜蔽式I／()盒組
成?？刂破髋c各I／()模塊之問通過屏蔽電纜‘j擴展
捅槽連接．以實現(xiàn)對柴油機實際運行中町能}}j現(xiàn)的
各種狀況以及安全監(jiān)測裝置功能的傘面測試。柴
油機監(jiān)測安傘裝置測試系統(tǒng)原理見圖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．安裝Wndo郴操作系統(tǒng)和驅(qū)
67
萬方數(shù)據(jù)
第1期船海工程第40卷
接線盒
外部控制開關及其接
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外沒模±
藩
囂囊凄磊
圖2船舶柴油機監(jiān)測安全裝置測試系統(tǒng)原理
動程序，為模塊儀器和數(shù)據(jù)采集應用提供輕巧高性
能PC平臺；PⅪR系列智能數(shù)據(jù)采集卡連接兩個R
系列擴展機箱和一個68針屏蔽式I／()盒，卡內(nèi)嵌入
砌0瞅認，具有40 MHz輸入輸出以及用戶自定義觸發(fā)、定時、板載決策和高速DMA(di州儺唧
access)數(shù)據(jù)讀寫能力；兩個R系列擴展機箱配置C
系列可熱插拔高速模擬／數(shù)字I／()模塊，分別為3個
4通道100 kS／s采樣率0～20 mA M 9265 A()模
塊、—個16通道25 kS／s采樣率±10 V M9264 AO
模塊和一個8通道5 V／邗。高速雙向數(shù)字I／()模
塊．模塊內(nèi)部部具有信號調(diào)理功能，能穩(wěn)定直接地傳
輸信號；孓：肛68屏蔽式I／()盒用于數(shù)據(jù)采集與輸
出。具有板載冷端補償傳感器，能進行高精確度的熱
電偶測量；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)測裝置快速計算、同步采集與
實時響應的要求。
3測試系統(tǒng)軟件設計
測試系統(tǒng)采用NII。abVIEW8．6為軟件開發(fā)
平臺，在LabVIEW基本軟件構成基礎上外加
FP(；A丁具包和REAI。TIME丁具包開發(fā)應用
程序和板卡FPGA程序，再通過將FP(；A程序編
譯成比特流文件完成對應用程序I／()的硬件部
署，最后在I。abVIEW方案里實現(xiàn)Windows操作
系統(tǒng)、I丑bVlEW應用程序與FPGA程序及硬件
I／()的集成。
柴油機由于實際需要工況會不斷變化，為了
盡奄接近實機測試的效果。采樣了本型柴油機的
真實運行數(shù)據(jù)，經(jīng)過顯示、分析、保存、換算之后在
各模塊輸出；為檢測R I／()信號輸出效果。測試
系統(tǒng)也對監(jiān)測安全裝置部分輸出量進行了采集，
測試系統(tǒng)軟件運行原理見圖3。
68
測試系統(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)-(擴展機箱2
R系礦ll連接器o)__(群盒uo盒
圖3測試系統(tǒng)軟件運行原理
3．1串口數(shù)據(jù)讀取
柴油機各工況運行數(shù)據(jù)從其監(jiān)視系統(tǒng)串口獲
得。通過I五bⅥf州’下的應用編程接口ⅥSA(vir—
tual instrument software architecture)對串口號、波
特率、數(shù)據(jù)位、停止位等進行設置，為在短時間內(nèi)對
大量數(shù)據(jù)進行讀寫，需要先設置讀緩存區(qū)，然后設
置每段數(shù)據(jù)的首地址和數(shù)據(jù)長度來讀取字符串。
原型柴油機監(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字符，需要將這
些字符跳過之后再按每4個字節(jié)截取字符串，得到
16進制數(shù)據(jù)值。因為M()DBUS協(xié)議對數(shù)據(jù)格式
沒有嚴格規(guī)定，所以要根據(jù)數(shù)據(jù)的有效位數(shù)(含符
號位)進行10進制數(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，通過對數(shù)組索引，逐
行顯示波形。設置循環(huán)、事件結(jié)構等方式提取出所
關心的柴油機參數(shù)數(shù)據(jù)并保存[3]。
3．2串口數(shù)據(jù)導入
為將柴油機各工況數(shù)據(jù)方便快速地導入主程
序，首先建立柴油機工況數(shù)據(jù)庫，以I。abVIEW電
子表格形式保存數(shù)據(jù)；隨后通過枚舉方式控制事
件結(jié)構，實現(xiàn)過程見圖4¨一；再后將無序排列的數(shù)
據(jù)組合進行分解、有共同特征的(比如都是
PTloo所測溫度值)擱綁并計算、再擱綁。這樣得
到開關量、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，通過設置局部變
量，完成從物理量到輸入控件的自動賦值。主程
序輸入控件保留了手動輸入方式。
3．3測試信號輸出
在測試系統(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，需對相關值進行標
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
萬方數(shù)據(jù)
船舶柴油機監(jiān)測安全裝置測試系統(tǒng)研制——朱軍，湯旭品。甥玉海．楊建國
I麓黔}l黼撇H篷纛徽墨
在Iji『IfIi板添JJ【l ．+彎囂2芝溉l I搦刳銣韓J菇lI|
l枚舉擰件(后面扳基耋f：：I；黔荔憨筍H添j}；菠薪；；淼
I對應顯示) 』‘tj兄數(shù)據(jù)I 4Ea71I^t．1捌17J’
圖4 LabVIEW下枚舉法實現(xiàn)過程
叩2警
式中：r硬件輸出物理饋；
口——十進制待標定值； 卜傳感器齷程；
打——待標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
程序設定的I／o口、運行周期等規(guī)律運行。主程序
先引入RI()和FpGA目標對象，然后標定相關數(shù)
值。之后進行FPGA數(shù)據(jù)讀寫，通過硬件轉(zhuǎn)化成監(jiān)
測安全裝置可以識別的電流、電壓及轉(zhuǎn)速1vrI。等
模擬傳感器信號。FI)GAⅥ須先進行編譯產(chǎn)生一
個比特流文件，利用該文件使FPGAⅥ中定義的
I／()對象部署到可重配置RI()中。在FpGAⅥ中
采用環(huán)路定時器與中斷請求來發(fā)起中斷．在主Ⅵ
中采用等待中斷與確認中斷完成一個周期讀寫操
作，結(jié)果由各模塊RI()輸出；在FpGAⅥ中設定中
斷時間，可以讓H】GA芯片定時刷新各模塊上可重
配置RI()口。同時也可以避免FpGAⅥ進入無限
循環(huán)，及時返同主Ⅵ所需要的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)速TTI。電
平信號輸出接頻率、幅值及相位進行合成。
3．4監(jiān)測安全裝置測試
測試系統(tǒng)研制的目的是為了對柴油機監(jiān)測安
全裝置進行測試，它不僅向后者發(fā)出信號，而且接
收后者反饋同來的信號。同樣通過FPGA的外部
接口讀入。在I，abVlEW窗口中將接收到的各瞬
態(tài)點參數(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。
對零負荷、10％負荷、25％負荷、40％負荷、
50％負荷、60％負荷、75％負荷、90％負荷、100％
負荷下監(jiān)測安全裝置的幾組有代表性反饋信號進
行采集，分別是淡水出機溫度、進氣溫度、增壓器
轉(zhuǎn)速、第i缸排氣溫度及進氣壓力。在不斷加大
柴油機負荷的情況下，要保持柴油機轉(zhuǎn)速恒定，必
然要增加柴油機的供油培。隨之而來的連串反應
是柴油機冷卻淡水溫度和排氣溫度升高、增壓器
p
90
世80
贈
擴70
爿60
111
50
。，_60
暑50
未40
剖
菇30
螯20
磐
O 20 40 60 80 loo
負荷盯分數(shù)／％
a)淡水}．j進7 C溫度
／／。
．、／
＼／．．．
O 20 40 60 80 loo
負衙百分數(shù)膨
b)二缸排氣溫度
{i
：l 2
蕈!
{封
負荷萬分數(shù)／％
cl增堆器轉(zhuǎn)速
／
／F ／
／
，∥一一■
貝衙百分數(shù)／％
d)進氣壓力
圖5監(jiān)測安全裝置信號測試
中產(chǎn)生的膨脹功增大、增壓器轉(zhuǎn)速上升、進氣壓力
及進氣溫度升高。從圖5中可以看出，除個別情
形外，各苗值符合上述變化趨勢，這驗證了監(jiān)測安
全裝置的可靠性，達到了測試目的。
4 結(jié)束語
研制的測試系統(tǒng)能模擬輸出該型中速柴油機各
負荷丁況下的關鍵參數(shù)信號，并可對輸出信號進行
設置淵整．在虛擬儀器平臺上完成了新開發(fā)監(jiān)測安
全裝置的全面系統(tǒng)測試工作，避免了實機測試周期
長、人力物力浪費以及有可能因開發(fā)手段不完善而
造成的損失。測試系統(tǒng)以Ⅻ軟硬件為背景。程序設
計直觀．硬件搭配靈活，具有推廣應用價值。
參考文獻
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化的過程LJ]．今日電子。2006。(12)：72—75．
(下轉(zhuǎn)第72頁)
69
萬方數(shù)據(jù)
第1期船海工程第40卷
圖3應急發(fā)電機操縱面板
3 結(jié)束語
新一代輪機模擬器三維場景與真實機艙相仿，
學員町以通過三維模擬器對機艙設備進行全方位的
掌握，時癱車啟動、應急設備操作和機械故障的處理
有了全新的認識。隨著虛擬現(xiàn)實技術和計算機圖形
技術在輪機模擬器中應用的增加，虛擬控制臺以及
仿真對象不斷完善，物理控制臺硬件設備將逐漸被
取代，輪機模擬器將進入完全軟件操控的新時代。
參考文獻
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[2]何治斌，張均東．林葉錦。等．國內(nèi)外輪機模擬器的發(fā)
展及對比研究LJ]．造船技術。2007(1)：38—39．
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ln匕nglne KOOm 3lmUlator
JIN Shao-sh粕，ZHENG HI盱y舯
(Collegc of Merchant Ship，Shanghai Maritime University，Shanghai 2001 35．China)
Abst憎ct：The advantages and application(】fthe virtual reality technology in the development of engine room simula’
tor were introduced． The basic functions and kcy technologies of the virtual engine room simulator opcrating system were
discussed． The implementation and technicalline of thc vi九ual cngine room simulator operating system were statcd。
Key wDrds：Quest3I)；vinual reality；engine r00m simulator
(上接第69頁)
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臺的提出與設計[J]．測控技術．2003．22(1)：9一11．
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[4]陳遠玲．李中山，黃炳瓊．等．基于LabⅥEw的液壓
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The Test System for Monitoring and Safety DeVice of
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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