秦 珩

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船舶主機(jī)主軸承溫度數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦 珩

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連116018）

船舶主機(jī)（柴油機(jī)）主軸承的溫升直接影響著主機(jī)的工作性能和運(yùn)行安全，利用多個(gè)溫度傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合單片機(jī)形成高精度溫度采集檢測(cè)系統(tǒng)，分布在船舶主機(jī)各主軸承監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主機(jī)主軸承溫度多點(diǎn)溫度檢測(cè)。這種檢測(cè)系統(tǒng)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好。本文針對(duì)主機(jī)的特點(diǎn)，構(gòu)建主軸承溫度測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)主軸承溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警，為主軸承的工作狀態(tài)提供使用管理依據(jù)。該系統(tǒng)在主機(jī)溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其船舶機(jī)艙自動(dòng)化方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，此項(xiàng)技術(shù)也可作為船舶機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)的重要手段。

主機(jī)主軸承溫度檢測(cè)

0 引言

船舶主機(jī)（柴油機(jī)）主軸承與曲軸主軸頸摩擦副，在高速運(yùn)行中的發(fā)熱是影響主機(jī)性能的重要因素。一旦主軸承溫度超過允許范圍，會(huì)造成主機(jī)主軸承和主軸頸的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至造成整機(jī)報(bào)廢。如果主軸承的較高溫度長(zhǎng)期運(yùn)行，將會(huì)加劇主軸承的老化，壽命大大縮短。所以有必要對(duì)主軸承進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

對(duì)船舶主機(jī)主軸承進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè),測(cè)量點(diǎn)多，工作環(huán)境惡劣，溫度范圍大。超出許多單總線傳感器的測(cè)量范圍，宜采用模擬傳感器，同時(shí)設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電路,最后把傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)去處理。

本文闡述了這種溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。從理論和實(shí)驗(yàn)2個(gè)方面對(duì)船舶主機(jī)主軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析。

1 主軸承溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

本文研究的對(duì)象主機(jī)為12V-PC25型中速大功率四沖程增壓柴油機(jī)，12缸V型排列，6道主軸頸，共7道主軸承。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共設(shè)置7個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每道主軸承設(shè)置1個(gè)傳感器即1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。主軸承測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、溫度采集處理單元、顯示單元、按鍵和開關(guān)輸入單元、報(bào)警輸出單元、主控制單元、外部通信單元組成。

圖1溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖

溫度采集單元連接7路溫度傳感器PT100，通過電子多路開關(guān)電路將采集進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行切換，再經(jīng)過放大電路，調(diào)理整形電路后，送入TLC1549進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送主控制單元進(jìn)行計(jì)算處理。

控制器采用STC12C5A60S2單片機(jī)，外圍電路包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路。

功能需求分析：

·設(shè)定時(shí)間間隔，自動(dòng)輪詢7路溫度。

·可以設(shè)置溫度報(bào)警閾值，報(bào)警閾值分為一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警。

·自動(dòng)報(bào)警功能，超過報(bào)警閾值自動(dòng)輸出警報(bào)，包括本地聲光報(bào)警，遠(yuǎn)程報(bào)警輸出。

·使用按鍵開關(guān)可以任意切換顯示1路溫度。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基本工作原理

溫度輸入電路同時(shí)接入7路PT100，每一路由3個(gè)100歐姆精密電阻和外部的PT100組成惠斯通電橋。當(dāng)溫度為0℃時(shí)，PT100的阻值接近100歐姆，電橋平衡，輸出為0V；當(dāng)溫度升高，PT100阻值變大，電橋失去平衡，產(chǎn)生壓差，輸出上正下負(fù)的電壓信號(hào)；當(dāng)溫度下降，低于0℃時(shí)，PT100的阻值小于100歐姆，電橋失去平衡，輸出上負(fù)下正的電壓信號(hào)。通過測(cè)量惠斯通電橋的輸出電壓，可以計(jì)算出PT100的阻值，通過查找分度表，獲取對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.2 電源電路

輸入電壓采用船舶發(fā)電機(jī)的輸出電壓直流24 V，經(jīng)高性能的DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)換為直流+5 V和-5 V，供主控電路使用。另外使用LM317降壓型穩(wěn)壓電源將+5 V轉(zhuǎn)換為+1.25 V，為溫度采集單元的PT100提供電源。

2.3 溫度采集電路

溫度采集電路如圖2所示。溫度采集單元分為溫度輸入電路、多路開關(guān)切換電路、信號(hào)放大調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換電路。

由圖2（部分電路原理圖）可以看出，惠斯通電橋的電源電壓為1.25V，使用2個(gè)100歐姆的電阻分壓后得到0.625V的比較電壓。另一條電臂的電壓可以通過PT100的分度表計(jì)算得出。

外部接入的7路溫度信號(hào)分別進(jìn)入2片CD4052切換電路，CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)雙刀四擲開關(guān)，通過單片機(jī)IO程序控制，同一時(shí)間只有一路溫度信號(hào)被選中，進(jìn)入后級(jí)信號(hào)處理。

2.4 溫度信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路由AD620完成。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10000，外圍配置電路十分簡(jiǎn)單。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設(shè)計(jì)，并且功耗更低。AD620具有高精度（最大非線性度40 ppm）、低失調(diào)電壓（最大50 μV）和低失調(diào)漂移（最大0.6 μV/℃）特性。

由于其輸入級(jí)采用Superβeta處理，因此可以實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz時(shí)具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲峰峰值為0.28 μV，輸入電流噪聲為0.1 pA/Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時(shí)，AD620的0.01%建立時(shí)間為15 μs，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實(shí)現(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)。

由圖2可以看出，PT100的信號(hào)是以差分方式輸入到AD620，其后級(jí)ADC轉(zhuǎn)換電路TLC1549使用了精密基準(zhǔn)電壓芯片MC1403作為參考電壓源，LM1403的輸出電壓為2.5V。由表1可以看出，輸入的最大電壓為0.1392V。為避免滿幅超限溢出，經(jīng)放大后進(jìn)入TLC1549的最大電壓應(yīng)小于2.5V。

（1）

（2）

式中—AD620的增益倍數(shù)；—增益電阻。

公式（1）用于計(jì)算AD620的增益倍數(shù)，公式(2)用于計(jì)算增益配置電阻的阻值。設(shè)定增益倍數(shù)=15，使用公式2計(jì)算得出R=3.528 kΩ。通過調(diào)節(jié)電位器，達(dá)到設(shè)定的阻值。

2.5 信號(hào)調(diào)理電路

經(jīng)過AD620放大的電壓信號(hào)，進(jìn)入TLE2062組成的電壓跟隨器。這樣，可以將輸入阻抗變得很高，對(duì)于輸入信號(hào)的影響可以做到很小，同時(shí)，輸出阻抗變得很低，AD輸入阻抗對(duì)輸入信號(hào)的影響可以做到很小。電壓跟隨器在這里的作用是阻抗變換作用。

2.6 ADC轉(zhuǎn)換電路

TLC1549是10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSB Max(4.8mV)等特點(diǎn)。

TLC1549的工作溫度范圍內(nèi)（自然通風(fēng)）極限參數(shù)如下：

電源電壓范圍：-0.5～6.5 V

輸入電壓范圍：-0.3～VCC+0.3 V

輸出電壓范圍：-0.3～VCC+0.3 V

正基準(zhǔn)電壓：VCC+0.1 V

峰值輸入電流（任何輸入端）：±20 mA

峰值總輸入電流（所有輸入端）：±30 mA

溫度信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后送入TLC1549進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

由前面的計(jì)算可知，輸入的最大電壓為：

max = 0.1392×15 = 2.088 (V)

10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程值為1024，據(jù)此計(jì)算溫度分辨率為：

150×(2.088/2.50/1024) = 0.175(℃)

如此高的分辨率，完全滿足船舶主機(jī)主軸溫度場(chǎng)檢測(cè)的需求。

2.7 報(bào)警輸出電路

設(shè)備的前面板上設(shè)計(jì)有7個(gè)報(bào)警指示燈，分別指示7路溫度報(bào)警狀態(tài)，通過單片機(jī)的IO進(jìn)行控制。同時(shí)，設(shè)計(jì)有1路繼電器輸出，可以驅(qū)動(dòng)外部大功率的聲光報(bào)警設(shè)備。

2.8 遠(yuǎn)程控制電路

STC12C5A60S2的串口2連接MAX485芯片，可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，與外部RS485設(shè)備進(jìn)行通訊。

通過RS485與計(jì)算機(jī)相連，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程報(bào)警、溫度數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)保存功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 基本工作流程

程序主流程圖如圖3所示。

為提高設(shè)備的可靠性，程序上采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)大量采樣，過濾掉離散性大的數(shù)據(jù)，并對(duì)多次采樣數(shù)據(jù)取平均值。以避免因外界干擾，造成溫度數(shù)據(jù)的跳動(dòng)。

3.2 溫度轉(zhuǎn)換子程序

根據(jù)PT100的分度表，在程序中建立一張“溫度-電壓”對(duì)應(yīng)關(guān)系表。單片機(jī)通過查表方式獲取溫度值，能夠減少數(shù)據(jù)計(jì)算量，節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)溫度快速轉(zhuǎn)換。

圖4溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖

4 結(jié)論

本文闡述了一種應(yīng)用廣泛的船舶主機(jī)主軸承溫度的檢測(cè)設(shè)備的工作原理和設(shè)計(jì)過程，硬件設(shè)計(jì)上，采用高性能的單片機(jī)及其電子元器件組成溫度采集電路，并采用多路開關(guān)分時(shí)切換的方式簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，節(jié)省了成本。采用普通的數(shù)碼管顯示和按鍵輸入的方法體現(xiàn)了實(shí)用的設(shè)計(jì)理念。

該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、溫度轉(zhuǎn)換速度快、準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定，性能可靠，是一種技術(shù)性、實(shí)用性很強(qiáng)的設(shè)備監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。已在船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用，取得十分良好的使用效果。

[1] 鄭學(xué)普. 航空發(fā)電機(jī)主軸_軸承系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析[D]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2004.

[2] 梁偉. 船舶機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 大連理工大學(xué)碩士論文, 2002.

[3] 王瑜. 數(shù)控機(jī)床主軸及主軸電機(jī)溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)[D]. 煤礦機(jī)械, 2010.

[4] 龔玉林. 船舶機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[D]. 大連海事大學(xué)碩士論文, 2008:1-4.

Design of Digital Detection System for Temperature Field of Ship Engine Spindle

Qin Heng

（PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018, Liaoning, China）

TP 391

A

1003-4862（2017）11-0032-04

2017-08-15

秦珩（1975-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：輪機(jī)工程。