基于以太网的船用柴油机安全监测系统研制

汪恬

摘要：柴油机安全监测系统实现对柴油机运行参数的实时监测，当参数越限时会及时提醒操作人员消除安全隐患，因此研制船用柴油机安全监测系统有着十分重要的应用价值。本文根据当前柴油机安全监测系统应用需求，结合以太网总线的特点，展开了安全监测系统的硬件和软件设计，并设计操作显示单元实现采集数据的显示以及报警的功能。

关键词：柴油机；安全监测；以太网

一、引言

本文以船舶柴油机为对象，结合当今飞速发展的以太网技术，研制了一套功能完善、操作界面友好的柴油机安全监测系统。柴油机机旁监控仪由微型计算机控制的，能精确监测显示柴油机转速、油压、水温、油温和排温等参数，并能根据与用户设定值比较，对越限参数发出报警信号；另还设定有停机保护功能，参数越限超过停机值，则发出停机信号。

二、系统结构及功能分析

2.1 系统功能分析

根据船舶安全运行需求，柴油机安全监测系统可实现如下功能：

1.采集柴油机各路压力信号、温度信号、转速脉冲等模拟量以及开关量输入信号，并对上述的信号显示记录。

2.将处理后的数据打包发送至操作显示单元，上位按照模拟仪表盘或列表显示示采集数据并存储，为后续维修诊断提供依据。

3.当采集到的数据超过或低于预定值时，输出报警信号到操作显示单元。

根据系统控制功能要求，图1所示柴油机安全监测系统的输入输出信号及系统间关系。

2.2 系统结构设计

安全监测系统由安保单元、监测控制单元和操作显示单元三部分组成，各部分之间电气连接关系如图2所示：

安保单元是监测和控制柴油机停车功能的独立系统。通过监测柴油机的压力、温度和转速量等信号，并输入至单片机中，数据处理程序做出相应的电磁阀动作，完成柴油机安全保护功能。安保单元能够实现超速停车、高温水高温停车、滑油低压停车、应急停车（设置在集控室）、各种传感器的电缆检测、系统的电源及故障检测。同时将上述开关量和模拟量信号经过处理后通过串口通信发送到监测控制单元实现通讯。

监测控制单元是监测系统的核心模块，实现系统的监测、控制、保护及报警、通讯等功能。监测控制单元接受监测部件（传感器、接线等）送来的信号，负责数据采集、A/D转换、通讯传输、报警判断等工作，并通过电控部件（继电器、电磁阀）实现控制的功能。

操作显示单元主要接收来自监测控制单元参数数据并予以显示，当监控量越限时实现报警，操作显示单元的安全停车设定值应调整到比安保单元中的设定值稍高/稍低，以保证在危险的情况下应用安保单元停车。当安保单元发生故障时，操作显示单元中的安全停车也能够起作用。

三、系统设计

1、监控系统硬件设计

监测系统采用16位微控制器作为主控制器，控制器通过接口电路采集柴油机各状态参数信号，并对信号处理以及逻辑判断，根据判断结果决定是否输出继电器控制信号，另外其与操作显示单元通过以太网进行通讯。

（1）MCU选型

本次设计采用的XC2267是英飞凌（infineon）公司基于C166架构的16位单片机，其具有很宽的工作环境温度范围，可以从-40℃到 +125℃，另外其还有许多优秀特性：

MCU 82kB片上RAM（2kB DPRAM，16kB DSRAM，64kB PSRAM）

16通道10位A/D转换模块，带4.1V精密电压参考

SPI通讯的12位 D/A 转换

其带有16通道的AD转换，便于数据的采集处理，并且带有24位的地址，8位数据的复用总线，方便对外围控制芯片的控制操作，因此本文采用infineon单片机SAK-XC2267-96F作为现场分布式单元的主控芯片。

（2）温度测量调理电路

监测控制单元需要采集15路的温度参数，温度范围分为0～200℃和0～800℃，分别采用热电阻和热电偶来实现。

热电阻测量调理电路如图3，采用减法运算式的恒流源测温电路，恒流源给热电阻提供激励电流，热电阻接在JN和JG之间，对应0～200℃的电压信号从NO_PT输出。

热电偶测量采用K型热电偶芯片MAX6675，其温度测量范围为0℃～1024℃，MAX6675作为一种在工业现场专用测量热电偶的器件，本身芯片内部已集成冷端补偿电路（补偿温度范围-20℃～80℃）。同时芯片本身还有对数据进行处理的能力，包括信号的线性处理和放大、温度的冷端补偿、A/D转换（转换精度12位）以及SPI串口数字化输出这些功能，这些为其后续电路的设计提供了很大的方便。

热电阻和热电偶测量的温度信号直接送到模拟切换开关，模拟切换开关顺序的输出各路温度信号到调理电路，调理电路输出信号NO_PT，SPI_Ther到放大电路，放大后送到AD采样单元。

（3）压力测量调理电路

监测系统中需要采集滑油压力、燃油压力等压力信号，一般的压力传感器输出4～20mA标准电流信号，设计中采用150Ω 1‰精密电阻将传感器输出的电流信号转换为电压信号，在后端通过放大电路放大转化的电压信号，使其电压分布在AD输入能够接受的范围内，以利于提高分辨率和精度，其测量电路图如图5所示。

（4）转速测量调理电路

机旁监测系统分别采集柴油机转速以及增压器转速，转速范围分别是0～1400 rpm和0～80000 rpm，采用接近开关式转速传感器磁电式转速传感器进行测量采集。

磁电式转速传感器不需要外接电源，其通过飞轮凸齿改变磁通变化输出的波形类似于正弦波，接口电路需要将正弦波整形成方波信号输入主控单元，再通过在固定的时间内计数方波数目从而得出转速。其调理电路如图7所示，转速信号从CD_ROT1输入，先经过两次二阶滤波，再经过施密特触发器将滤波后的干净信号整形成为方波进行输出，转速传感器得到的方波信号经波峰限制处理后送入XC2267单片机的定时捕捉模块，用其内部硬件计数器完成转速的测量，其中BAT54S将方波的峰值限制在0～5V范围内，使之成为单片机控制器易于接受的TTL方波。

（4）以太网接口电路

ENC28J60网络芯片是带有SPI接口的独立以太网控制器，可以直接连接到配有以太网控制端口的MCU中，如图7所示为以太网控制器接口电路。

ENC28J60属于CMOS器件范畴，其设计工作电压为3.3 V，但SPI控制端口和RESET引脚均接受5V电压，只需将网络芯片与MCU的地连接统一，这样就满足了5V电压工作的嵌入式系统。

2、监控系统软件设计

（1）监测控制单元的数据采集和处理

监测控制单元每一个传感器要采集多路信号，设计采用多路复用开关进行测量路数的转换，这样既扩展了AD采集的路数，又减少了I/O占用量，设计中主程序对采集的数据的逻辑进行判断，在中断中进行数据的采集和通道的转换，其数据的采集过程如图9所示：

（2）通讯程序设计

通讯主程序如图10所示，操作显示单元作为主机，首先发出以太网帧，以太网帧分为IP帧和ARP帧，当为ARP帧时则实现IP地址和MAC地址的对应，并建立ARP缓存，当为IP帧时则完成对IP数据的解析，解析后进入传输层，若为ICMP帧则需要实现两个IP之间的ping的操作，当为Udp帧时其实现数据向应用层的传送，进入应用层后数据按照Modbus形式通过函数进行解包，然后读取保持寄存器的值后再打包成Modbus的形式向操作显示单元回复数据。本次的数据通讯格式如表4-3所示：

3、操作显示系统设计

（1）系统主界面

操作显示单元采用步科的MT4414TE型号触摸屏来设计，组态界面采用步科图形化编程软件EV5000来进行设计。设计主界面主要包括主机转速、尾轴转速、滑油、燃油、废气、淡水压力以及紧急停机、本地控制等一些开关量。另外在每个界面的下方都有快捷菜单，可以实现返回主界面，返回上一个界面以及查看报警列表的功能，其主界面设计如图11所示：

导航界面中主要包含一些主机的运行参数，通过对此界面的操作可以实现对油压、水温等参数界面的快速访问，其设计界面如图12所示：

四、小结

依托infineon 16位的微控制器研制的船用柴油机安全监测系统，依据其功能特点完成编写相关软件及一系列相关测试。并制定了上位机开发方案，通过组态软件编写操作显示单元的显示界面，完成了以太网总线数据在操作显示单元的显示、存储。通过联调和测试，显示精度、控制功能等指标均符合预期的要求。

参考文献：

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