船舶柴油机曲轴箱油雾浓度检测系统设计

刘 宇

（武警海警学院，浙江宁波 315801）

0 引言

随着柴油机技术的发展，船舶性能在不断地提高。只有对曲轴箱油雾浓度检测装置的响应速度和准确度要求更高，能够实时监控油雾浓度状态，才能避免曲轴箱爆炸事故的发生。如今，几乎所有的大功率柴油机上都配备了曲轴箱油雾浓度检测装置，其中诸如英国GRAVINER公司生产的MARK6型油雾浓度检测装置，采用光散射原理设计制造，是当前最佳方案。

而目前在国内自主研发的这一类产品还比较缺乏、没有同类型产品可供使用，在中国市场主要还是靠进口英国GRAVINER 公司和德国SCHALLER AUTOMATION公司的系列产品，这使得我国将花费大量经济费用。因此自主研发出一款经济实用的高性能柴油机油雾浓度检测装置对我国船舶的发展有着深远的意义。

本次设计内容主要分为2大部分：

1）硬件的选取。模拟MARK6型油雾浓度检测装置的工作原理，选取性能更好、价格更实惠的硬件设备。

2）软件设计开发。选取合适的操作系统作为开发平台，采用软件开发工具进行界面设计，利用触摸屏幕技术模拟油雾浓度检测装置的按键界面。

1 MARK6型油雾浓度检测装置分析

MARK6型油雾浓度检测装置采用了光散射法的测量原理，通过检测光源发出的光束穿过采样气体后的散射光强度检测出油雾浓度。因此，光源与感光管是成90°来布置的[1]。从直观上看，MARK6型油雾浓度检测装置采用了分布式设计。其特点是在每个曲轴箱内分别安装有一个探头进行检测，并且所有探头都通过屏蔽电缆接到中间接线盒中，再由中间接线盒的数据线传递数据至主控制机，从而实现检测。

MARK6型油雾浓度检测装置的主控制机设置在集控室内，给操作人员提供了一个良好的工作环境。另外，主控制机设置在集控室的优势在于操作人员能够同时观察所有曲轴箱内的油雾浓度状态，在液晶屏上同时显示各个曲轴箱内油雾浓度值。即使有若干个曲轴箱内的油雾浓度值同时出现过高的情况，也能同时发出声光报警，便于操作人员进行报警处理。不同反光物质对光线的反射率不同，产生散射光的波长也不同，MARK6型油雾浓度检测装置就是通过检测特定波长的散射光的强弱来测量油雾浓度，这不仅提高了装置的灵敏度和抗干扰能力，还最大限度地降低了误报警。不过遗憾的是，MARK6型油雾浓度检测装置电源部分的防护较弱，容易引起油雾浓度检测器间歇出现误报警并使主机减速，检测装置的测量器件也容易损坏。另外，采购一台MARK6型油雾浓度检测装置需要花费昂贵的价钱。

为了节约经费，更有效地结合船舶实际情况，本次设计的油雾浓度检测系统就是以MARK6系统为基础模拟设计的一个油雾浓度检测系统。系统界面参考了MARK6这款产品，通过设计来熟悉MARK6型油雾检测装置的软件按键功能和软件操作[2]。

2 油雾浓度检测系统硬件设计

本次系统硬件设计的要求是既能模拟MARK6油雾浓度检测装置的工作原理，又能达到节约经费的目的。从硬件设备的经济性和性能方面综合考虑，确定要选取的硬件设备有：MQ-2烟雾传感器，QY-9315S嵌入式工控板，IPAM-3402数模转换模块，QC-121IPE10T液晶触摸屏，油雾浓度检测系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程图

2.1 MQ-2传感器

柴油机工作时间长，油雾浓度检测装置难免会出现故障，造成油雾浓度传感器损坏而需要更换。但类似MARK6型油雾浓度传感器的产品在市场上并不多，不易采购，并且购买一个MARK6型油雾浓度传感器探头需要花费3万元人民币，价格十分昂贵，所以本次设计的油雾浓度检测系统的传感器探头选取的是可用于家庭和工业上气体泄漏检测的烟雾传感器MQ-2，MQ-2是一个多种气体探测器，能够监视烟雾、烷、液化气等气体。

通过MQ-2采集的烟雾浓度信号来模拟油雾浓度探头的信号，实现采集油雾浓度信号的过程。鉴于MQ-2烟雾传感器属于气敏传感器，为了使传感器达到稳定的工作状态，通电后需要进行预热，否则其输出的电压和电阻不准确，因此在软件设计过程中需给系统设计预热时间。

2.2 IPAM-3402转换模块

MARK6型油雾检测装置安装柴油机上，温度高，振动大，工作环境十分恶劣。根据模拟设计的系统工作流程，传感器在接受到信号后，被转换模块采集，转换模块将采集的模拟信号转换为数字信号，传递给嵌入式工控板，工控板对数据进行处理。为保证油雾浓度检测系统的可靠性，选取合适的转换信号模块，通过通信总线连接,这样能够提高检测速度，因此选择晋江电子科技有限公司生产的IPAM-3402转换模块。

IPAM-3402转换模块是基于通信总线接口的数据采集模块，应用于工业的现场控制和远程监控与数据采集。其主要功能是进行模拟量输入信号采集，输入信号范围为±10 V，是混合I/O模块，具有4路的AI差分通道，每一组差分通道可配置为2路的单端输入通道。模块具有2路的AO通道，即可独立控制输出，也可进行同步输出，模块还具有2路DI和2路DO通道，其中2路DI可配置为计数器功能。

IPAM-3402转换模块对I/O端口采用了光电隔离，保证了在高速工业现场总线通信得到无错误的数据传输，同时模块采用了带隔离的RS-485通讯接口，降低了工业现场信号噪声干扰对通讯接口的影响，设置了看门狗电路，可以在出现意外后不会死机，在定时时间到后复位，使系统重新启动，有效地保障了系统的安全运行。

2.3 嵌入式工控板

本次设计的检测系统的处理器选取了ARM嵌入式工控机，主板采用QY-9315S嵌入式arm主板。QY-9315S是一款工控开发板，其主板由单板结构构成，采用CIRRUS LOGIC EP9315 ARM9处理器，处理器主频为200 MHz，ARM920T内核，还具有Maverick Crunch协处理器。核心板采用高密度6层设计，板载64MB SDRAM和32 MB NorFlash，具有多种操作系统，完美支持 Linux2.6和Win CE5.0操作系统。

该主板还扩展了触摸屏、矩阵键盘、TFT-LCD、IDE、CF、RS232/RS485、USB等常用外围接口，12V直流电压供电，并且支持6 V～25 V宽范围电压供电，单板功率为3 W，可在-20 ℃～70 ℃的环境下工作，具有复位电路和看门狗功能。具有低功耗、节能环保，抗电磁干扰能力强，系统安全好，能够协调处理器大大提高浮点、整型和信号的处理能力等优势。

2.4 液晶触摸屏

我们知道MARK6型油雾检测装置的主控制机安装在集控室内，当发生油雾浓度过高报警时，主控制机显示报警的缸号，需要通过键盘和鼠标操作才能对报警信号进行处理。鉴于本次设计的数据通信采用了RS485总线，嵌入式工控板采用了QY-9315工控板，则在油雾浓度检测装置的面板设计上可采用液晶触摸屏，利用嵌入式技术来虚拟MARK6 设备的按键，取代了复杂的键盘操作，选择的触摸屏占用空间少，灵活性高，环境适应性好。点击“复位”可重置警报状态，报警状态初始化；点击“发动机界面”可查看发动机运行情况；点击“测试”进入测试菜单，对系统软件进行测试，检验传感器是否正常工作。

4）方向键：通过向上下左右4个方向移动来选择目录。

5）返回键"←"，点击后返回到上一级目录，回车键"┚"，点击后确认所选目录。

6）状态指示灯区域：当系统发生故障时，报警指示灯及其相应的故障指示灯颜色变为红色，电源ON键亮绿灯表示电源已接通。

4 结论

虽然此次设计的系统的模拟性能好，选取的硬件也都结合了船舶的实际情况，选择了性能好，成本低的硬件设备，达到了节约经费的目的，软件设计的操作界面也近似于真实的油雾浓度检测设备。但是依然存在硬件的可行性未验证，软件界面的各按键功能还没有实现等不足。下一步仍需实现查看主机各缸油雾浓度的状态、查看传感器精确读数、重置传感器峰值和平均值、油雾浓度警报试验等模拟操作。