兩款用于舊船主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

郭建國

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 民船產(chǎn)品分所，上海200135）

0 引 言

隨著船用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展與微處理機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，船舶柴油機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量已從傳統(tǒng)測(cè)量提高到應(yīng)用微處理機(jī)的精確測(cè)量，而一些舊船的測(cè)速發(fā)電機(jī)或機(jī)械部分已至老化期，亟待更新。這批運(yùn)營多年的舊船數(shù)量巨大，如何加快它們自動(dòng)化設(shè)備的更新速度、保障航行的安全，是當(dāng)前一項(xiàng)迫切需要解決的課題。根據(jù)舊船改造的特殊要求，研制了兩款分別用于船舶中、低速柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)用產(chǎn)品。

1 中速柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

中速柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量由頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，采用的是測(cè)量頻率的方法，它的主要工作指標(biāo)：轉(zhuǎn)速頻率0～1 500 Hz，電壓幅值1～30 V。設(shè)計(jì)選用的SZMB－5磁電轉(zhuǎn)速傳感器能滿足系統(tǒng)要求。磁電轉(zhuǎn)速傳感器屬于非接觸式測(cè)速元件，是目前船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用最多的測(cè)速傳感器，因?yàn)闆]有相對(duì)摩擦的運(yùn)動(dòng)部件，所以這種傳感器使用壽命長(zhǎng)、檢測(cè)精度高。該傳感器內(nèi)部由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等組成，當(dāng)鐵芯端面近處有轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)磁齒輪時(shí)，磁路中磁阻的變化引起磁通量變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，輸出正弦波。

磁電轉(zhuǎn)速傳感器的磁頭是產(chǎn)生脈沖信號(hào)的主部件，它產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比。在主機(jī)主軸或凸輪軸上安裝1個(gè)齒輪箍，或現(xiàn)場(chǎng)利用盤車機(jī)的齒輪，使磁頭與齒頂之間保持一定的間隙，將磁頭對(duì)準(zhǔn)齒頂固定。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁頭將交替對(duì)準(zhǔn)齒頂和齒槽，即可采集到強(qiáng)弱不等的正弦波脈沖信號(hào)。

1.1 頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)成

頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由輸入整形、前置放大、電氣隔離、頻率電壓轉(zhuǎn)換和輸出變換幾部分組成，可以將所接收到的磁頭正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，通過2次儀表顯示（見圖1）。由于許多老船上的轉(zhuǎn)速傳感器除了磁電式還有接近開關(guān)等，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到產(chǎn)品的通用性。

圖1 頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖

1.2 頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)部分電路的計(jì)算和分析

圖2 頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)部分電路的工作原理

圖2 中：N1為同相放大器；D1、D2為兩只二極管組成限壓電路；N2為跟隨器，用以增加驅(qū)動(dòng)電流；N3為光電耦合隔離，用以提高信號(hào)的抗干擾能力。

由圖2知：

光電耦合電路的輸入二極管壓降一般在2VDC，

通過計(jì)算可知：頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的測(cè)量范圍廣、輸入幅值大，由于它僅僅是對(duì)頻率采樣，所以即使運(yùn)算放大器的輸出波形在某些區(qū)域有失真現(xiàn)象，對(duì)于轉(zhuǎn)速測(cè)量并不產(chǎn)生影響，因?yàn)楸粶y(cè)的對(duì)象是頻率。同理，不管運(yùn)算放大器是工作在放大區(qū)域還是非線性區(qū)域，或者器件本身的溫漂與誤差，都不會(huì)引起測(cè)量偏差，從而保證了系統(tǒng)的可靠。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，選用高精度的專用集成芯片，用以完成頻率－電壓的轉(zhuǎn)換和電壓－電流轉(zhuǎn)換。老船改造中，可以在不更換繁瑣的傳感器裝置和顯示儀表的前提下，將現(xiàn)場(chǎng)傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送至模擬儀表顯示。在高頻率、大電壓輸入的情況下，頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)既保證電路具有一定的頻率寬度，也保證電路具有良好的精度與線性度。表1為本機(jī)線性度的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 本機(jī)線性度測(cè)試表

2 低速柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

低速柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)由接近開關(guān)和微處理機(jī)系統(tǒng)組成，采用測(cè)量轉(zhuǎn)速周期的方法。隨著大量老船測(cè)速發(fā)電機(jī)機(jī)械部分或顯示儀表的老化和損壞，給現(xiàn)場(chǎng)的安裝與更換帶來很大麻煩。如果采用傳統(tǒng)的磁脈沖計(jì)數(shù)方法，需要在主軸上加裝1個(gè)巨大的齒輪箍，該齒輪箍需要按照現(xiàn)場(chǎng)情況繪圖定制，不僅精度要求高，而且加工周期長(zhǎng)，對(duì)大多數(shù)只短暫停靠碼頭1～2 d的運(yùn)營船舶來說是個(gè)大問題。航行中一旦沒有主機(jī)轉(zhuǎn)速顯示，將影響到輪機(jī)員的判斷，同時(shí)會(huì)給船舶的航行安全帶來隱患。采用測(cè)量轉(zhuǎn)速周期的方法可以簡(jiǎn)化測(cè)速系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，大約1 h就可以完成整套船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝與改造工作，給航行船舶帶來極大方便。

圖3 傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

2.1 轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)傳感器的安裝及工作原理

圖3 為轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖。系統(tǒng)測(cè)速傳感器選用LJ18－A3－5－ZC／X型電感式四線制接近開關(guān)，工作電壓為DC12 V。安裝在現(xiàn)場(chǎng)固定支架上的2只接近開關(guān)之間要保持90°相位差，使它們具有轉(zhuǎn)向判別功能。同時(shí)，在主機(jī)的主軸上安裝1塊感應(yīng)片，調(diào)整傳感器感應(yīng)端與感應(yīng)片之間的間隙＜5 mm。船舶航行時(shí)，主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)傳感器便會(huì)輸出1個(gè)方波脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)微處理機(jī)接收后作為程序的中斷控制信號(hào)，連續(xù)接收到的2個(gè)脈沖組成1個(gè)完整的周期，微處理機(jī)內(nèi)部定時(shí)器在這個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)計(jì)數(shù)，先算出該轉(zhuǎn)速的周期，再經(jīng)過高位除法子程序的運(yùn)算，得到航行中所需要的主機(jī)即時(shí)轉(zhuǎn)速r／min。

2.2 轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

圖4為轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)的硬件框圖，該設(shè)計(jì)選用了具有運(yùn)算功能的微處理機(jī)系統(tǒng)作為中央控制單元，主要的外圍電路有：輸入信號(hào)采集單元、譯碼驅(qū)動(dòng)輸出單元、數(shù)字顯示單元、相位判別單元、故障自診單元、轉(zhuǎn)數(shù)累計(jì)和超速報(bào)警單元。

信號(hào)采集單元由濾波器、比較器和觸發(fā)器構(gòu)成，用以采集輸入波形良好和穩(wěn)定的脈沖。

微處理機(jī)主單元將采集到的數(shù)值經(jīng)過一系列運(yùn)算之后由譯碼單元輸出，驅(qū)動(dòng)8段共陽極數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。

圖4 轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)硬件框圖

由D觸發(fā)器組成的相位判別電路，可完成對(duì)航行中船舶主軸的轉(zhuǎn)向判別。當(dāng)主軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)片依次感應(yīng)接近開關(guān)1，再同時(shí)感應(yīng)接近開關(guān)1和2，最后感應(yīng)接近開關(guān)2；當(dāng)主機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)過程則相反。通過相位判別電路可以方便地得到船舶主機(jī)在航行中的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)。

自診單元由單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)自行接收軟件發(fā)出的正常工作脈沖，一旦軟件發(fā)生故障，能對(duì)微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。

轉(zhuǎn)數(shù)累計(jì)采用的是6位機(jī)械式電磁計(jì)數(shù)器，主機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)10圈時(shí)計(jì)1次數(shù)，能保證整個(gè)航次累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)的完整。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速越限時(shí)，系統(tǒng)還提供了超速報(bào)警的聲光信號(hào)。

圖5 轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)軟件流程

2.3 轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)的軟件功能

圖5 為轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)的軟件流程圖。程序上電初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)軟件檢測(cè)到輸入口為高時(shí)需要數(shù)次采樣比較，在確保輸入信號(hào)無誤之后開啟定時(shí)器中斷，利用主頻計(jì)數(shù)，經(jīng)過一段時(shí)間延時(shí)之后再次讀該輸入口。同理，收到信號(hào)后程序需要再次比較判別，確保輸入信號(hào)正確后關(guān)定時(shí)器中斷并停止計(jì)數(shù)，然后程序進(jìn)入下個(gè)運(yùn)算環(huán)節(jié)。先通過計(jì)算得到主機(jī)轉(zhuǎn)速周期，再經(jīng)過計(jì)算得到主機(jī)轉(zhuǎn)速頻率，經(jīng)段位譯碼后放入顯示緩沖區(qū)，由程序定時(shí)安排輸出至硬件數(shù)字顯示單元，之后返回初始狀態(tài)。

2.4 轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)軟件的抗干擾措施

設(shè)計(jì)指定微處理機(jī)芯片的INT0口為程序故障自診斷口，在程序正常運(yùn)行期間，它會(huì)定時(shí)地輸出周期性的脈沖信號(hào)，不停地觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)單元，一旦軟件遇到干擾造成程序工作不正常，單穩(wěn)態(tài)便會(huì)延時(shí)后翻轉(zhuǎn)，輸出自動(dòng)復(fù)位信號(hào)。

為防止正常運(yùn)行中的程序失控后進(jìn)入非程序區(qū)，軟件在非程序區(qū)內(nèi)設(shè)置了大量的跳轉(zhuǎn)指令用以攔截失控程序，一旦程序失控，可以通過執(zhí)行該跳轉(zhuǎn)指令后（見圖5）轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)軟件流程回歸到初始階段。

由于該設(shè)計(jì)選用了微處理機(jī)技術(shù)，所以可以方便地利用微處理機(jī)中高精度的主頻作為計(jì)數(shù)脈沖、利用定時(shí)器中斷控制數(shù)據(jù)的采集，然后通過計(jì)算得到航行中的即時(shí)轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)還可以通過通信接口傳送給其它的監(jiān)控設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，只要是與主軸轉(zhuǎn)速成線性比例的地方，都可以靈活地固定感應(yīng)片與傳感器，安裝與接線非常方便，不但縮短了現(xiàn)場(chǎng)的改造時(shí)間，更減輕了現(xiàn)場(chǎng)的工作強(qiáng)度。

3 結(jié) 語

用于舊船主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的兩款實(shí)用產(chǎn)品，分別采用了測(cè)量頻率和測(cè)量周期的方法，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到產(chǎn)品的實(shí)用性和通用性，基本上涵蓋了各類舊船的需求。用于船舶中速主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的頻率－電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要解決了大信號(hào)輸入時(shí)系統(tǒng)的采樣及信號(hào)變換等問題，可以在不更換傳感器與模擬儀表的情況下，方便地完成舊船測(cè)速系統(tǒng)的替代與更新。用于船舶低速主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的轉(zhuǎn)速周期測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)潔可靠。由于主軸每轉(zhuǎn)1圈只需采集1個(gè)脈沖，加上接近開關(guān)與感應(yīng)片之間有著較寬的感應(yīng)距離，從而避免了可能因振動(dòng)所引起的采樣信號(hào)丟失現(xiàn)象，在對(duì)主軸轉(zhuǎn)向的判別上，這種測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)更加明顯。上述兩款用于舊船主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)用產(chǎn)品，較好地解決了舊船轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的改造與更新問題，其技術(shù)設(shè)計(jì)合理，應(yīng)用前景廣闊。