摘 要:为了保障海洋平台柴油机和变矩器运行的可靠性、降低设备故障率,根据海洋平台柴油机和变矩器的运行特点和要求,设计了柴油机和变矩器故障监控系统。该系统通过定向设计的多参数采集模块,完成了柴油机和变矩器转速、压力、液位及温度等信号的采集,同时通过RS485总线将采集的信号传输给上位系统,完成信号数据的处理、储存、分析、显示及远传,为现场柴油机和变速箱的故障监控和运转状况分析提供了信息服务。
关键词:柴油机和变速箱 故障监控 单片机 RS485 数据采集
中图分类号:TN91文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(a)-0116-03
近年来,随着中海油渤海油田3000万吨油气当量的实现与海洋石油装备的迅速发展,柴油机和变矩器的海上应用数量也在迅猛增加。据统计,仅在渤海油田钻修机设备上就拥有120多套柴油机和变矩器设备,这对于柴油机和变矩器设备的运维工作提出了新的机遇与挑战。
为了进一步提高海洋平台柴油机和变矩器运行的可靠性、降低设备运行故障率,同时为了缩短设备故障处理周期,提高海洋平台的生产效率,中海油能源发展油田建设工程分公司针对美国卡特比勒34系列柴油机和艾里逊变矩器自主研制了一套柴油机和变矩器故障监控系统。该套监控系统不仅可以用于柴油机和变矩器动态数据的集中采集、处理、存储、显示、故障报警及远程传输,而且可以通过访问历史维修记录和常见故障处理手册来指导现场维修。
1 系统总体设计
本系统主要由本地处理显示箱、司钻监控箱、微控制器、信号调理电路、外部存储器、RS485通讯电路、多路A/D转换器、液晶显示器及外接传感器等部件组成。系统总体框架图如图1所示。
本系统利用温度、压力、转速等传感器采集柴油机和变矩器的各种信号,经过信号调理放大电路将信号输出到A/D转换电路,完成模拟信号到数字信号的转换;然后采用RS-485通讯接口实现AT89S52单片机与传感器集线箱之间的数据传输,输入的数据经过单片机处理后,将数据信号快速传送给监控系统;同时还可以利用以太网实现数据信号的远传。
2 系统硬件设计
2.1 采集模块设计
数据采集模块是连接最前端传感器和单片机的重要桥梁,能够将前端繁多通道的模拟信号转化到通用接口中的数字规约信号,将不易使用的模拟信号转化成单片机能处理的数字信号。
本系统的多参数采集模块是为柴油机和变矩器监控定向设计的,能够测量柴油机和变矩器的多种参数,具有高集成度,低功耗等性能,可以实现对同一种工业变量测量多个传感器。多参数采集模块能够充分满足测量柴油机转速、机油压力、燃油压力、空气增压压力、启动空气压力、机油温度、水温、排气温度、水箱水位和机油液位及变矩器主油压、油温、输出转速、变速箱闭锁压力、油位等。该采集模块具有两个RS485通讯接口和一个RS232接口。多参数采集模块结构图如图2所示。
2.1.1 多路选通开关的设计选型
根据柴油机和变矩器传感器输入的接口不同,可将传感器分为直接输入与差分输入两类。针对不同传感器输入的接口应该选择不同形式的多路选通开关。
本系统针对直接输入传感器,选用工业级8路选通芯片,其不仅减少了后续通道的数目,使放大电路、A/D转换通道得到充分的复用,增强了系统的集成度和可靠性,而且也降低了真个系统的开发成本。8路选通芯片硬件电路如图3所示。
针对差分输入传感器,多路开关选择低压CMOS模拟多路复用器,其具有低功耗、高开关速度、低导通电阻、低泄漏电流和高带宽等特性。CMOS模拟多路复用器电路如图4所示。
2.1.2 放大电路的设计选型
多参数采集模块的信号放大电路选用高精度微功耗仪表放大器,实现微小信号的线性放大,为系统的测量精度提供有利的前提。信号放大电路图如图5所示。
2.1.3 转换器的设计选型
多参数采集模块选用AD7908转换器,该转换器是高速、低功耗、8通道、逐次逼近型ADC,采用2.7V～5.25V单电源供电,最高吞吐量达1MSPS,其内置一个低噪声、宽带宽采样保持放大器,可处理8MHz以上的输入频率。转换器引脚图如图6所示。
2.2 显示模块及存储模块设计
本系统的显示是使用MAX7219实现的8位稳定静态显示,MAX7219串行共阴极数码管动态扫描显示驱动芯片,仅使用3线串行接口传送数据,可直接与单片机接口,用户还可以方便地修改其内部参数以实现多位LED显示,因此可以方便地使用单片机的通讯接口送出显示数据,并且其占用的时间少,方便编程及对信号的检测。
本系统的存储器扩展采用了8片、8K的6264芯片,他们通过地址所存芯片74LS373和译码芯片74LS138进行地址的所存和芯片的选择。采用A0-A12作为它们的地址线,采用A13-A15作为74LS138芯片的3个引脚,用来与8片6264的选通信号相连。
2.3 本地显示箱和司钻监控箱的设计
本地显示箱和司钻监控箱均由不锈钢防爆壳体附可触摸显示器,内置嵌入式计算机主板、报警控制模块、电源模块、通讯模块等组成。司钻监控箱屏幕尺寸选择为15″,本地显示箱屏幕尺寸选择为10″。
本地显示箱将采集测量的各参数进行处理后实时显示,同时具有设置各种参数报警上下限以及报警信息浏览的功能。在设备运行时,如果所测数据有越限,则立即报警提示,本地显示箱内置的FSG-103 24V/DC报警器会发出报警声音,屏幕则对报警数据进行突出显示,并会形成报警记录。报警记录功能可存储的记录数目不少于100条,报警信息包括报警类型和报警时间。
本地显示箱可以通过RS485总线与司钻监控箱进行通讯,通过司钻监控箱可对多个机组设备进行集中监控和管理。
3 监控系统软件设计
AT89S52单片机为柴油机、变矩器故障监控系统的核心器件,它是监控系统软件的载体。本系统软件设计采用C语言编写。监控系统软件的主要功能包括单片机功能配置、界面显示、信号采集处理、声光报警、信息储存及通信等。
3.1 软件主程序流程设计
本监控系统的软件主程序流程如图7所示。开机初始化后,即循环执行功能模块。此流程中只列出了一些主要的软件模块,另外一些软件模块再次不再赘述[1]。
3.2 系统软件界面设计
本监控系统的软件界面包括数据查看、报警查询、曲线分析、报表浏览、设备维护及用户维护等六个界面。数据查看界面总计采集、显示15个参数,主要包括柴油机转速、机油压力、燃油压力、空气压力、冷却水温、机油温度、机油液位、排气温度、冷却水为、启动空气压力、变矩器转速、变矩器油温、变矩器油位、变矩器主油压及闭锁压力。报警查询界面主要是实现柴油机、变矩器的声光报警及报警历史数据查询。当某一采集参数低于或超出设定范围值,系统发出声光报警,并对报警信号进行储存。曲线分析界面共显示15条曲线,通过这些曲线,维修人员可以清楚的了解设备运转工况,为分析故障原因提供支持。报表浏览界面主要是显示柴油机、变矩器的身份信息和使用操作手册,显示历史维修记录和更换的零备件,同时还显示设备保养记录。设备维护界面主要是现场维修人员通过用户登录口令,进入程序,修改相关的设备保养和维修记录。用户维护界面主要是专业工程师对本次监控系统进行维护。
4 结语
本文通过利用各种传感器采集柴油机、变矩器的油压、温度、转速等信号,并将采集的数据通过RS485总线模式传送给上位机,实现对柴油机、变矩器运行的监控;根据获得的数据判断柴油机、变矩器运行是否正常,并伴有声光报警功能。同时,该系统还具有历史数据存储功能和现场故障指导维修功能,且系统操作、使用方便。实验证明,本系统运行稳定,达到了设计要求,为现场柴油机、变速箱的故障监控提供了有效手段。
参考文献
[1] 徐品政,罗益民.新型污垢热阻在线检测仪的研制[J].自动化仪表,2011(8):81～84.
[2] 张志刚.常用A/D、D/A器件手册.1版[M].北京:电子工业出版社,2008.
[3] 韦禄民.一种工业级数据采集监控系统的设计与实现[J].工业电子,2009.
[4] 闫学琴,陈志军,程志江.无机房电梯的振动信号远程监测系统[J].自动化仪表,2011(8):47～49.
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