基于STM32的船舶管路振动应急处理系统设计

胡 义 ，刘佳佳 ，李武超 ，刘 斌

（1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063；2.武汉理工大学 物流工程学院，武汉430063）

管道异常振动危害在各行业中时有发生。在实际管道中，流体的冲击或脉动都会激发管道产生机械振动，船舶管路还受到机舱发动机激励力和螺旋桨激励力引发的振动以及船舶在航行时晃动的影响。因此，船舶管路的振动与陆地管道相比较，振动模式复杂[1]、幅度较大。如果不能及时监测到异常振动并采取有效的措施，可能成为船舶的安全隐患。国内外对管道振动的研究专注于在线监测与故障诊断方面[2]，当发生异常振动时，需要有相关的应急处理措施相应对。基于以上问题，有必要设计和实现船舶管路异常振动应急处理系统，在一定程度上减少管道异常振动所引发的事故和经济损失。

1 振动处理技术

近年来，针对于轴承振动处理的研究较多，随着振动信号处理技术的日益成熟，故障诊断系统已有技术支持[3]，但是与之配合的应急处理系统的设计仍处于待完善状态。引起船舶管道系统振动的原因很复杂，归纳如表1所示。

表1 船舶管道系统振动形式与原因Tab.1 Vibration form and cause of ship piping system

在现有技术的基础上，本系统结合了船舶管道振动模式复杂的特点，采用流量传感器与加速度传感器或门连接，增加了系统的精确性与稳定性。同时，针对管道异常事故的发生，在监测的基础上，增添了控流、减振的内外调节式应急处理模块，从而降低了管道系统损坏的风险。该装置可实现对船舶管道振动实时监测与应急处理，对及时发现并处理管道异常振动、泄漏等类似故障，对提高管道的安全性能，提升船舶自动化程度具有重要意义。

2 试验平台设计

本文研究并设计了一种船舶管道异常振动监测与应急处理试验平台，如图1所示，其硬件系统主要包括振动信号采集装置、信号分析系统、自动应急处理系统。其中，振动信号采集装置主要包括加速度传感器、流量传感器、信号采集卡；信号分析系统由微型处理器构成；自动应急处理系统由单片机、电磁阀、紧固橡胶圈以及伺服电机组成。

图1 监测与应急处理试验平台Fig.1 Monitoring and emergency response test platform

加速度传感器选用AKE390B电压型加速度计，具有低功耗、结构坚固、输出稳定等优点。流量传感器选用西门子公司QVE1901型，传感器将信息存储于LMS SCADAS III数据采集端[4]。该数据采集端具有16通道，每通道最高采集频率为204.8 kHz，量程 PQA 为（-10 V±62.5 mV）～（10 V±62.5 mV），PQMA 为（-25 V±10 mV）～（25 V±10 mV），PQCA 为（-51200±5）～（51200±5）pC， 采样带宽为 16 位 ΣΔ，92 kHz；数据采集前端与微型处理器连接，微型处理器实时对信号进行分析处理。若出现异常振动即超出所设定的安全范围，单片机控制伺服电机带动阀门转动，实现阀门开合大小的调节。控制伺服电机带动橡胶圈的缩放，实现对管道紧固程度与高度的调节。其共同构成应急处理系统，实现对船舶管道异常振动的相应处理。

在本试验平台中，传感器的选择主要考虑到工作的环境、量程、精确性、稳定性以及经济性，流量传感器实时监测管道内的流量，加速度传感器经电压放大器与积分转化，实时精确而稳定的输出管道振动产生的位移、管道相对于水平面的倾斜角度等信号。在此，流量传感器采用了普通传感器，而振动传感器关系到最终的定位精度，采用了AKE390B加速度传感器。后者为单晶硅电容式，由一片经过微机械处理的硅芯片，内含低功率的ASIC用于信号调整，微处理器用于存储补偿值[5]；在全量程范围内比例因子的长期稳定性及偏差典型值小于0.1%，能够满足试验要求。

3 应急处理系统设计

针对目前管道事故频发而设计的实时监测与应急处理装置，首先需要进行应急处理系统的设计。考虑到船舶管道振动的复杂性，基于传统传感器，采用流量与加速度传感器相互协同，提高了应急处理系统的精确性与稳定性；调流、减振的内外调节应急处理系统，可控制管道内流量的压强、流速、流量，可调整管道的外加约束力，避免管道异常振动。

3.1 应急处理系统硬件

1）单片机

单片机是整个控制系统的核心，选用STM32型号单片机。启动电路使用STM32内部生成的8 MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时<6 μs，具有极高的灵活性。可以使该单片机快速处理所接收的信号，及时减弱或消除异常振动，最大程度地保证机器及人员的安全[6]。

2）伺服电机

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得偏置电压。其内部的基准电路产生周期为20ms，宽度为1.5 ms的基准信号，将所得的偏置电压与电位器的电压相比较，获得电压差输出，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差减小，当电压差为0时，电机停止转动。伺服电机控制原理如图2所示。

图2 伺服电机控制原理Fig.2 Servo motor control principle

3）紧固支架

紧固支架在支架与管道接触的一侧加入了一圈橡胶层，以减轻外界环境对管道的影响，减少异常振动的发生。与其它支架不同的是，为了便于伺服电机调节支架的紧固程度，该支架采用钉架一体化设计，伺服电机只需控制螺母的旋转即可控制支架对于管道的紧固程度与高度。支架调节控制流程如图3所示。

图3 支架调节控制流程Fig.3 Bracket regulate control flow chart

4）双阀门流量调节

采用CK100DP型号电动比例调节阀，其重要组成部分是电位器。当阀门阀芯位置发生变化时，在电位器输出端可获得一电压值，即阀门开度电压值，该值与位移量成一定线性关系。为保证用户设定的开度电压值与电位器输出电压值相同，电动比例调节阀电机会自动改变阀芯位置，由此控制流量大小。采用2W-160-15型号电磁阀，该阀适用于0～1.0 MPa，流体温度为-5～80℃的管道。 当流体流量正常时，电磁阀常开；当流量过大，超过限度值时，电动比例调节阀中的电位器中电位器输出端可获得一定的电压，信息综合处理系统在接收并处理该电压信号后，给电磁阀通电，关闭电磁阀阀门，从而保证管路安全。

3.2 应急处理系统原理

应急处理系统采用控流、减振的内外调节的控制方式，通过流量传感器，实时获取管道内流量大小以及流速大小；通过与设定流量值比较，电磁比例调节阀工作，若流量过大至使电动比例调节阀中的电位器产生超过限度值的感应电压时，电磁阀开始工作，双阀门系统进一步确保管道流量的正常。当管道振动较为剧烈时，加速度传感器通过接口输出位移变化量，存储于数据采集前端，由信号分析处理系统，进行对信号分析处理，如果振动超出预定的安全值，则单片机控制伺服电机带动螺母旋转，调节管道的紧固程度与高度。应急处理系统组成原理如图4所示。

采用C#语言进行程序开发。在单片机内编写控制程序，能够对分析处理后的信号做进一步判断处理。其主要的内容为对采集到的信号进行FFT分析[7]，并将分析结果与预定值进行比较。预定值根据管道不同的工作环境，多次试验而得出相应的数据。主程序流程如图5所示。

图4 应急处理系统组成原理Fig.4 Principle of emergency response system

图5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

4 系统试验

在实际船舶试验中，选取与空气压缩机连接段管道为研究对象，其长度为10 m，通径20 cm，壁厚0.5 cm，水头3 m，轴线偏差主要形式为上下偏移。在系统开启并运行稳定后8 s时，通过调节管道末端，使管道轴线上下浮动管半径（2.5 mm）的2.5%时，应急处理系统发出警报，单片机及时控制螺母旋转以调整管道的高度，使管道轴线偏差处于管半径的（-2.5%～+2.5%）范围内。工况1和工况2情况下，管道的轴向上下位移对比如图6所示。

图6 管道轴线位移的对比Fig.6 Comparison of piping axial displacement

通过在实际船舶机舱中，管道振动测试试验，得出以下结论：

1）管道轴线偏差大于预设值时，应急处理系统能够及时响应，响应时间控制在2～5 s内，考虑到信号采集、传输与处理的延时、故障诊断的复杂性，这样的响应速度是可以接受的，满足设计要求；

2）在工况2情况下，系统未采取调整措施，轴线偏差处于上下波动状态，管道产生振动与噪声，磨损与疲劳损伤加重。而工况1则表明，系统控制支架的调节可使轴线偏差处于安全范围，应急处理系统调整精度控制在管半径的2.5%以内，满足了控制系统的应急要求；

3）试验发现，在机舱噪音大、温度高、振动强的恶劣环境下，该系统的应急处理响应速度与控制精度并没有受到影响，试验系统的稳定性满足要求；

4）该应急处理系统，实现了对管道异常振动的应急处理，提高了船舶机舱的应急能力。

5 结语

利用振动控制技术，较好地解决了管道轴线偏差所引起的异常振动问题。基于STM32的管道异常振动应急处理系统，不但能够实现对管道轴线偏差与流量的应急调节，还可对管道破裂、管道泄漏等类似故障具有一定监测与应急处理作用，而且该系统可靠性强、成本低、控制精度高、响应速度快，具有较大的推广价值与应用前景。为了使管道异常振动应急处理系统更好地运用于船舶，今后在提高故障诊断的精确度与处理系统的稳定性两方面，应该进一步开展深入试验研究工作。

[1]李育忠，郑宏丽，贾世民，等.国内外油气管道检测监测技术发展现状[J].石油科技论坛，2012，31（2）：30-35.

[2]Riccardo Di Giminiani.The effects of vibration on explosive and reactive strength when applying individualized vibration frequencies[J].Journal of Sports Sciences，2009，27（2）：169-77.

[3 李鹤鸣，王厚华.基于单片机的船舶设备信号采集及处理系统[J].船海工程，2007，36（6）：35-38.

[4]徐丽琼.船舶输流管道系统的振动研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[5]赵士荣.管道振动故障三维检测方法的研究[D].吉林：东北电力大学，2012.

[6]桑勇，李锋涛，代月帮，等.面向伺服电机的STM32单片机控制系统设计[J].机电工程技，2015，44（11）：65-72.

[7]张龙，曾国英，赵登峰，等.机床振动信号数据采集系统设计[J].机床与液压，2012，40（15）：71-73.