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船舶柴油机监测安全装置测试系统研制

文档作者：朱军汤旭晶玉海讪杨建国文档来源：武汉理工大学a．能源与动力工程学院； b．船舶动力工程技术交通行业重点实验室		点击数：	更新时间： 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
船舶柴油机监测安全装置测试系统研制
朱军“，汤旭晶8．u，贺玉海讪。杨建国““
(武汉理工大学a．能源与动力工程学院；
b．船舶动力工程技术交通行业重点实验室。武汉430063)
摘要：为了对新开发的柴油机监测安全装置进行测试．设计基于虚拟仪器技术的测试系统。通过分析
提取原型柴油机I监视系统的串【l数据．建讧柴油机负倚特性数据库．采J}j枚举法将每一工况数据导入主程序
控制面板．按照所编译的程序原则实现测试信号在可蠹配置上二的输出；系统利用测试信号对监测安全装置进
行测试，效果理想。
关键词：测试系统；监测安全装置；LabVIEW；FP(；A
中图分类号：U664．12l；TK31 文献标志码：A 文章编号：167卜7953(2011)O卜0067一04
嵌入式柴油机监测安全装置的可靠性直接关
系到柴油机的稳定运行f1]，为缩短该装置的开发
周期，便于产品化后的出厂检验，在开发过程中，
考虑研制实用的安全装置测试系统。
1船舶柴油机监测安全装置
船舶中速柴油机监测安全装置南安全系统、
基本模块和人机接口三部分组成，结构地图1。
图l船舶中速柴油机监测安全装置结构
其中人机接口又可分为操作单元、温度压力监
测单元、排气温度监测单元、输f}{模块和报警指示单
元等。基本模块与人机接口之间采用R跚85通信．通
过M()I)BUS总线向机舱监测系统提供数据。
基本模块是监测安全装置的核心。考虑到数
据采集和外部通讯的需求，以Infineon 16位单片
收稿日期：2009—12—24
修回日期：2010—ol一12
作者简介：朱军(1980一)．男．硕十生。
研究方向：柴油机自动控制及现代船舶管理
酚咖II．mrdavidzhull 18@163．com
机为主控制器。通过调理电路接口及8位总线扩
展外部设备。基本模块采集柴油机的各参数，数
字化后通过总线通信传送到其他设备，并响应系
统内部和外部总线j二的命令。输_}l{相关信号到安
全系统和报警显示板等；当安全系统不能正常停
机时。紧急情况下可以执行冗余停机，这一功能通
过设定比安全系统更高或更低的参数限来实现。
安全系统采用可编程控制器(PI．C)，独立于基本
模块执行萤要功能。直接监视柴油机的转速、压
力、水温等状态量。『一】时又接收从基本模块传输的
传感器数据。对柴油机运行状态判断并进行控制。
人机接口提供控制柴油机(主要是启、停控制)和
读取柴油机内部状态数据的窗口，以Infineon 8
位单片机作为控制器。
2 测试系统硬件设计
考虑到监测安全装置信号的多样性、动作瞬时
性特点。测试系统应选J}j满足同步采集、实时响应
与精确计算要求的硬件嵋]。测试系统南美困N1公
司1．26 GHz Penti哪III PXI 8176系统控制器、带
可系配置I／()FpGA芯片的N1 PXI 7853R系列智
能数据采集卡、C系列高速模拟／数字I／()模块和
用于r)AQ(data acquisition)设备『拜蔽式I／()盒组
成。控制器与各I／()模块之问通过屏蔽电缆‘j扩展
捅槽连接．以实现对柴油机实际运行中町能}}j现的
各种状况以及安全监测装置功能的伞面测试。柴
油机监测安伞装置测试系统原理见图2。
I】)a 8176嵌入式控制器集成了硬盛、USl{、以太
网、(jI，IB及其他外没．安装Wndo郴操作系统和驱
67
万方数据
第1期船海工程第40卷
接线盒
外部控制开关及其接
柴油饥模型
Nl∞^5
NI犍甜
Nl‘Ⅺ{)1
^o
Ao
A(J
Dl【]
采集kI胪疑杉L箱}I外没模±
藩
嚣囊凄磊
图2船舶柴油机监测安全装置测试系统原理
动程序，为模块仪器和数据采集应用提供轻巧高性
能PC平台；PⅪR系列智能数据采集卡连接两个R
系列扩展机箱和一个68针屏蔽式I／()盒，卡内嵌入
砌0瞅认，具有40 MHz输入输出以及用户自定义触发、定时、板载决策和高速DMA(di州傩唧
access)数据读写能力；两个R系列扩展机箱配置C
系列可热插拔高速模拟／数字I／()模块，分别为3个
4通道100 kS／s采样率0～20 mA M 9265 A()模
块、—个16通道25 kS／s采样率±10 V M9264 AO
模块和一个8通道5 V／邗。高速双向数字I／()模
块．模块内部部具有信号调理功能，能稳定直接地传
输信号；孓：肛68屏蔽式I／()盒用于数据采集与输
出。具有板载冷端补偿传感器，能进行高精确度的热
电偶测量；此外系统还配备有屏蔽电缆和连接器等。
所选硬件满足安全监测装置快速计算、同步采集与
实时响应的要求。
3测试系统软件设计
测试系统采用NII。abVIEW8．6为软件开发
平台，在LabVIEW基本软件构成基础上外加
FP(；A丁具包和REAI。TIME丁具包开发应用
程序和板卡FPGA程序，再通过将FP(；A程序编
译成比特流文件完成对应用程序I／()的硬件部
署，最后在I。abVIEW方案里实现Windows操作
系统、I丑bVlEW应用程序与FPGA程序及硬件
I／()的集成。
柴油机由于实际需要工况会不断变化，为了
尽奄接近实机测试的效果。采样了本型柴油机的
真实运行数据，经过显示、分析、保存、换算之后在
各模块输出；为检测R I／()信号输出效果。测试
系统也对监测安全装置部分输出量进行了采集，
测试系统软件运行原理见图3。
68
测试系统
{隙
1A硬
I／o
叵至三垒垒竺蔓圆
百匝历巫砸两巫丽叫卜希①丽卒I
R系州连接器2)-(扩展机箱2
R系矿ll连接器o)__(群盒uo盒
图3测试系统软件运行原理
3．1串口数据读取
柴油机各工况运行数据从其监视系统串口获
得。通过I五bⅥf州’下的应用编程接口ⅥSA(vir—
tual instrument software architecture)对串口号、波
特率、数据位、停止位等进行设置，为在短时间内对
大量数据进行读写，需要先设置读缓存区，然后设
置每段数据的首地址和数据长度来读取字符串。
原型柴油机监视系统采用的是M()I)BUS A义：II协
议，数据帧巾包括格式字符和校验字符，需要将这
些字符跳过之后再按每4个字节截取字符串，得到
16进制数据值。因为M()DBUS协议对数据格式
没有严格规定，所以要根据数据的有效位数(含符
号位)进行10进制数转化。转化之后的数据形式
是I抽Ⅵ删下的波形数组，通过对数组索引，逐
行显示波形。设置循环、事件结构等方式提取出所
关心的柴油机参数数据并保存[3]。
3．2串口数据导入
为将柴油机各工况数据方便快速地导入主程
序，首先建立柴油机工况数据库，以I。abVIEW电
子表格形式保存数据；随后通过枚举方式控制事
件结构，实现过程见图4¨一；再后将无序排列的数
据组合进行分解、有共同特征的(比如都是
PTloo所测温度值)搁绑并计算、再搁绑。这样得
到开关量、热电阻温度、热电偶温度、压力和转速
五类量，最后将数值线性换算成模拟传感器输出
的电压、电流、脉冲数等物理量，通过设置局部变
量，完成从物理量到输入控件的自动赋值。主程
序输入控件保留了手动输入方式。
3．3测试信号输出
在测试系统主VI获得各工况参数值后，要
在I／()模块上得到正确输出，需对相关值进行标
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
万方数据
船舶柴油机监测安全装置测试系统研制——朱军，汤旭品。甥玉海．杨建国
I麓黔}l黼撇H篷纛徽墨
在Iji『IfIi板添JJ【l ．+弯嚣2芝溉l I搦刳铷韩J菇lI|
l枚举拧件(后面扳基耋f：：I；黔荔憨笋H添j}；菠薪；；淼
I对应显示) 』‘tj兄数据I 4Ea71I^t．1捌17J’
图4 LabVIEW下枚举法实现过程
叩2警
式中：r硬件输出物理馈；
口——十进制待标定值； 卜传感器龌程；
打——待标定值所占寄存器位数。
在Ff℃A程序编译完毕后，硬件即将以FRjA
程序设定的I／o口、运行周期等规律运行。主程序
先引入RI()和FpGA目标对象，然后标定相关数
值。之后进行FPGA数据读写，通过硬件转化成监
测安全装置可以识别的电流、电压及转速1vrI。等
模拟传感器信号。FI)GAⅥ须先进行编译产生一
个比特流文件，利用该文件使FPGAⅥ中定义的
I／()对象部署到可重配置RI()中。在FpGAⅥ中
采用环路定时器与中断请求来发起中断．在主Ⅵ
中采用等待中断与确认中断完成一个周期读写操
作，结果由各模块RI()输出；在FpGAⅥ中设定中
断时间，可以让H】GA芯片定时刷新各模块上可重
配置RI()口。同时也可以避免FpGAⅥ进入无限
循环，及时返同主Ⅵ所需要的数据。转速TTI。电
平信号输出接频率、幅值及相位进行合成。
3．4监测安全装置测试
测试系统研制的目的是为了对柴油机监测安
全装置进行测试，它不仅向后者发出信号，而且接
收后者反馈同来的信号。同样通过FPGA的外部
接口读入。在I，abVlEW窗口中将接收到的各瞬
态点参数值保存为波形数组，在波形图上就可以
得到如图5的曲线。
对零负荷、10％负荷、25％负荷、40％负荷、
50％负荷、60％负荷、75％负荷、90％负荷、100％
负荷下监测安全装置的几组有代表性反馈信号进
行采集，分别是淡水出机温度、进气温度、增压器
转速、第i缸排气温度及进气压力。在不断加大
柴油机负荷的情况下，要保持柴油机转速恒定，必
然要增加柴油机的供油培。随之而来的连串反应
是柴油机冷却淡水温度和排气温度升高、增压器
p
90
世80
赠
扩70
爿60
111
50
。，_60
暑50
未40
剖
菇30
螯20
磐
O 20 40 60 80 loo
负荷盯分数／％
a)淡水}．j进7 C温度
／／。
．、／
＼／．．．
O 20 40 60 80 loo
负衙百分数膨
b)二缸排气温度
{i
：l 2
蕈!
{封
负荷万分数／％
cl增堆器转速
／
／F ／
／
，∥一一■
贝衙百分数／％
d)进气压力
图5监测安全装置信号测试
中产生的膨胀功增大、增压器转速上升、进气压力
及进气温度升高。从图5中可以看出，除个别情
形外，各苗值符合上述变化趋势，这验证了监测安
全装置的可靠性，达到了测试目的。
4 结束语
研制的测试系统能模拟输出该型中速柴油机各
负荷丁况下的关键参数信号，并可对输出信号进行
设置渊整．在虚拟仪器平台上完成了新开发监测安
全装置的全面系统测试工作，避免了实机测试周期
长、人力物力浪费以及有可能因开发手段不完善而
造成的损失。测试系统以Ⅻ软硬件为背景。程序设
计直观．硬件搭配灵活，具有推广应用价值。
参考文献
[1]汤敏．通过I。abVlEw FPGA加速嵌入式系统原型
化的过程LJ]．今日电子。2006。(12)：72—75．
(下转第72页)
69
万方数据
第1期船海工程第40卷
图3应急发电机操纵面板
3 结束语
新一代轮机模拟器三维场景与真实机舱相仿，
学员町以通过三维模拟器对机舱设备进行全方位的
掌握，时瘫车启动、应急设备操作和机械故障的处理
有了全新的认识。随着虚拟现实技术和计算机图形
技术在轮机模拟器中应用的增加，虚拟控制台以及
仿真对象不断完善，物理控制台硬件设备将逐渐被
取代，轮机模拟器将进入完全软件操控的新时代。
参考文献
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2000(7)：34—35．
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’11 ‘T、r、+ 1
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
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(上接第69页)
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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聍’¨，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彻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钾凼：test system；Monitoring and Safcty I)evice；bb VlEW；FPGA

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