專利名稱:船舶機艙安全保護模塊的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及船舶機艙自動化領域,尤其涉及一種船舶柴油機安全保護裝置。
背景技術:
船用柴油機是船舶的動力心臟,也是船舶機械系統中故障最多的設備,它是船舶 安全運行的基本保障。由于其結構復雜、工作條件惡劣、持續工作時間長,發生故障的可能 性極大,一旦發生故障,不僅影響整個船舶動力裝置的正常工作,造成巨大經濟損失,甚至 危及人身安全,造成重大事故。過去由于監測手段落后,主要靠人工憑經驗對船舶柴油機的運行狀態進行評判和 故障診斷。由于柴油機結構復雜,故障種類繁多,很容易發生錯判或漏判。這種傳統的故 障檢測方法不僅可靠性差,勞動強度大,而且診斷周期長,從而增加了柴油機維護費用,降 低了船舶系統安全性和可靠性。因此,開發具有智能化、網絡化、通用化的柴油機安全保護 裝置,及時掌握柴油機的工作狀態,發現和排除故障,對保障柴油機的安全運行具有重要意 義。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種船舶機艙安全保護模塊,其可在船 舶柴油機運行過程中對其進行實時監護,判別運行狀態,一旦發現故障,及時采取處理措 施。本實用新型所采用的技術方案是一種船舶機艙安全保護模塊,包括開關量輸 入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信號輸入電路、脈沖信號輸入電路、繼電器輸出電路、 模擬量輸出電路、嵌入式微控制器模塊和電源電路;其中嵌入式微控制器模塊,用于接收 開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信號輸入電路和脈沖信號輸入電路輸出的 信號,并對所接收的信號進行分析運算,以及通過現場總線與外部進行雙向通信;該嵌入式 微控制器模塊根據分析運算結果或從現場總線接收的外部控制指令,通過繼電器輸出電路 和模擬量輸出電路向船舶柴油機的執行機構輸出安全控制信號;電源電路,用于向開關量 輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信號輸入電路、脈沖信號輸入電路、繼電器輸出電 路、模擬量輸出電路和嵌入式微控制器模塊供電。本實用新型可實時監控船舶柴油機的運行狀態,判別緊急停車條件、安全保護停 車條件和降速條件各種故障的條件,一旦發現故障,及時通過輸出電路采取處理措施。本實 用新型還可靈活適應不同柴油機的參數指標。
圖1是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的原理框圖。圖2是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的嵌入式微控制器模塊的原理框圖。圖3是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的電源模塊的電路原理圖。[0010]圖4是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的開關量輸入電路的電路原理路。圖5和圖6分別是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的模擬量輸入電路的原理 框圖和電路原理圖。圖7是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的熱電偶測量信號輸入電路的電路 原理圖。圖8是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的脈沖信號輸入電路的電路原理圖。圖9是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的繼電器輸出電路的電路原理圖。圖10和圖11分別是本實用新型的船舶機艙安全保護模塊的模擬量輸出電路的原 理框圖和電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做出進一步說明。如圖1所示,本實用新型的船舶機艙安全保護模塊,包括嵌入式微控制器模塊1、 電源電路2、開關量輸入電路3、模擬量輸入電路4、熱電偶測量信號輸入電路5、脈沖信號 輸入電路6、繼電器輸出電路7和模擬量輸出電路8。對船舶柴油機進行熱力參數監測所獲得監測參數信號被分別輸入到開關量輸入 電路3、模擬量輸入電路4、熱電偶測量信號輸入電路5和脈沖信號輸入電路6中進行調理 和變換。上述的熱力參數包括排氣溫度、轉速、滑油溫度、冷卻水進出口溫度、滑油壓力、滑 油壓差等。開關量輸入電路3、模擬量輸入電路4、熱電偶測量信號輸入電路5和脈沖信號 輸入電路6的輸出端與嵌入式微控制器模塊1的輸入端電連接,繼電器輸出電路7和模擬 量輸出電路8的輸入端與嵌入式微控制器模塊1的輸出端電連接。嵌入式微控制器模塊1用于接收開關量輸入電路3、模擬量輸入電路4、熱電偶測 量信號輸入電路5和脈沖信號輸入電路6輸出的信號,并對所接收的信號進行分析運算,以 及通過現場總線與外部進行雙向通信。該嵌入式微控制器模塊1根據分析運算結果或從現 場總線接收的外部控制指令,通過繼電器輸出電路7和模擬量輸出電路8向船舶柴油機的 執行機構輸出安全控制信號。在本實用新型的一種優選實施方式中,嵌入式微控制器模塊1采用了 32位通用 嵌入式ARM處理器LPC2129。如圖1所示,開關量輸入電路3的輸出信號輸出到ARM處理器 LPC2129的GPIO接口 101,模擬量輸入電路4和熱電偶測量信號輸入電路5的輸出信號輸 出到ARM處理器LPC2U9的ADC接口 102,脈沖信號輸入電路6輸出的信號輸出到ARM處理 器LPC2129的計數器103。ARM處理器LPC2U9通過GPIO接口 104輸出信號給繼電器輸出 電路7,通過SPI串行105接口輸出信號給模擬量輸出電路8。如圖2所示,嵌入式微控制器模塊1包括安全保護停車及恢復單元11、可越控安 全保護停車單元12、安全保護降速及恢復單元13、可越控安全保護降速單元14、緊急停車 控制單元15和冗余CAN總線通信單元16。冗余CAN總線通信單元16用于通過CAN總線實現安全保護停車及恢復單元11、可 越控安全保護停車單元12、安全保護降速及恢復單元13、可越控安全保護降速單元14和緊 急停車控制單元15與外部的雙向通信。安全保護停車及恢復單元11用于對從開關量輸入電路3、模擬量輸入電路4、熱電偶測量信號輸入電路5和脈沖信號輸入電路6接收到的信號進行分析運算,根據分析運算 結果判斷是否需要安全保護停車,如需要安全保護停車,則通過繼電器輸出電路7向船舶 柴油機的執行機構輸出安全保護停車控制信號;在輸出安全保護停車控制信號后,經維修 檢查不再需要進行安全保護停車,則外部人員可向該安全保護停車及恢復單元11輸入一 復位請求信號,安全保護停車及恢復單元11在接收到由外部輸入的復位請求信號時,復位 安全保護停車控制信號。在發生超速、滑油壓力低、淡水溫度高等安全保護停車故障時,安 全保護停車及恢復單元11能夠自動執行安全保護停車功能,通過繼電器輸出電路7觸發停 車電磁閥動作,以保證柴油機的安全。并且還可以通過CAN網絡和I/O線向其他系統發送 柴油機停車故障信號。停車檢查無誤后,需對船舶機艙安全保護模塊進行停車復位,主機才 可重起動。判斷是否需要進行安全保護停車共設置了 15個參數,它們不僅可以是通過各輸 入電路輸入的信號,還可以是通過CAN總線接收的數據。可越控安全保護停車單元12用于在接收到一可越控安全保護停車請求信號時, 控制安全保護停車控制信號延時輸出。可越控安全保護停車是在特定的情況下,為保護船 舶的安全時,禁止柴油機安全保護停車的一種極端措施,一般不建議使用。當可越控安全保 護停車單元12接收到可越控安全保護停車請求信號時,在一定的延時期間內,可以取消安 全保護停車操作。對每個安全保護停車控制信號可分別調節延時時間。安全保護降速及恢復單元13用于對從開關量輸入電路3、模擬量輸入電路4、熱電 偶測量信號輸入電路5和脈沖信號輸入電路6接收到的信號進行分析運算,根據分析運算 結果判斷是否需要安全保護降速,如需要安全保護降速,則通過繼電器輸出電路7向船舶 柴油機的執行機構輸出安全保護降速控制信號;在輸出安全保護降速控制信號后,經維修 檢查不再需要進行安全保護降速,則外部人員可向該安全保護降速及恢復單元13輸入一 停止降速請求信號,安全保護降速及恢復單元13在接收到由外部輸入的停止降速請求信 號時,復位安全保護降速控制信號。如根據分析運算結果判斷不需要安全保護降速,則對該 安全保護降速控制信號進行取消復位。如果發生滑油壓力低、淡水溫度高等降速故障時,安 全保護降速及恢復單元13可自動執行柴油機降速功能,輸出安全保護降速控制信號,同時 還可將安全保護降速控制信號通過CAN網絡和I/O線送至其他系統。當降速故障消除后,需 對船舶機艙安全保護模塊進行降速復位,才能取消降速輸出。判斷是否需要進行安全保護 降速共設置了 15個參數,它們不僅可以是通過各輸入電路輸入的信號,還可以是通過CAN 總線接收的數據。可越控安全保護降速單元13用于在接收到一可越控安全保護降速請求信號時, 控制安全保護降速控制信號延時輸出。可越控降速是在特定的情況下,為保護船舶的安全 時,禁止柴油機安全保護降速的一種極端措施,一般不建議使用。當可越控安全保護降速單 元13接收到可越控降速請求信號時,在一定的延時期間內,可以取消安全保護降速操作。 對每個安全保護降速控制信號可分別調節延時時間。緊急停車控制單元15用于在接收到緊急停車請求信號時,通過繼電器輸出電路7 向船舶柴油機的執行機構輸出一緊急停車控制信號。緊急停車是在系統發生緊急故障時, 由操作人員按下緊急停車按鈕,使緊急停車電磁閥直接動作,確保系統安全的緊急措施。當 收到緊急停車控制單元15緊急停車請求信號時,可自動執行緊急停車功能,觸發停車電磁 閥動作,同時向其他系統發送緊急停車控制信號。緊急停車請求信號可以是通過開關量輸
6入電路輸入的信號,也可以是通過CAN總線接收的數據。安全保護停車及恢復單元11、可越控安全保護停車單元12、安全保護降速及恢復 單元13、可越控安全保護降速單元14和緊急停車控制單元15可通過軟件實現。電源電路 2用于向開關量輸入電路3、模擬量輸入電路4、熱電偶測量信號輸入電路5、脈沖信號輸入 電路6、繼電器輸出電路7、模擬量輸出電路8和嵌入式微控制器模塊1供電。圖3示出了電 源電路2的原理示意圖。電源電路2使用DC-DC模塊H(C12 (圖2中的Ul)可以提供+15V 和-15V兩路DC電源。+15V電源通過三端穩壓器7809、7805產生+5V電源,-15V電源通過 三端穩壓器7909、7905產生-5V電源。為了使模擬和數字電源互不干擾又沒有壓降,電路 中使用了電感隔離。M5V是由可調參考基準電壓芯片TL431產生,單獨給熱電阻橋路供電。 這是因為熱電阻是模擬小信號,為避免雜波干擾所以單獨供電。開關量輸入電路3的電路如圖4所示。開關量輸入電路3的輸入信號是MVDC電 壓信號,嵌入式微控制器模塊的通用I/O 口可承受5V電壓,因此開關量輸入電路3采用了 型號為PS^01-4的光電耦合器對輸入信號隔離降壓。PNP管BC847的Vbe可以承受50V電 壓,輸入信號的大部分電壓降在PNP管BC847的集電極和基極之間。穩壓二級管MMBD7000 將電壓穩定在1. 2V左右,這樣流入光電耦合器PS^01-4中二級管的電流在5mA左右,符 合元件特性。當二級管導通時,光電耦合器PS^01-4輸出5V高電平,當二級管不導通時, 光電耦合器PS^01-4輸出OV低電平。輸出接入嵌入式微控制器模塊的通用I/O 口。結合圖5和圖6所示,模擬量輸入電路4包括電流信號采樣電路41、電流至電壓 信號變換電路42、一對多路模擬開關單元43、電壓差分放大單元44和分壓電路45。電流信號采樣電路41采樣4_20mA電流信號,其主要采用了一個500 Ω取樣電阻對4-20mA電流信號進行采樣。電流至電壓信號變換電路42的輸入端與電流信 號采樣電路41的輸出端電連接,用于將4-20mA電路信號轉換為2-10V電壓信號后輸出給 一對多路模擬開關單元43。該一對多路模擬開關單元43采用了型號為ADG508的芯片,對 從電流至電壓信號變換電路42輸入的2-10V電壓信號進行選通。電壓差分放大單元44的 輸入端與一對多路模擬開關單元43的輸出端電連接,用于對一對多路模擬開關單元43輸 出的電壓信號進行差分放大。該電壓差分放大單元主要采用的是差分運放INA117。分壓電 路45的輸入端與電壓差分放大單元44的輸出端電連接,用于將電壓差分放大單元44輸出 的2-10V電壓信號轉換成0. 5-2. 5V電壓信號后輸出給嵌入式微控制器模塊的ADC輸入引 腳,轉換成數字信號。該分壓電路45主要是利用電阻實現分壓。如圖7所示,熱電偶測量信號輸入電路5主要由熱電偶放大器芯片組成,用于將熱 電偶傳感器兩個信號端輸出的信號進行放大,將放大后的電壓信號被輸入到嵌入式微控制 器模塊的ADC引腳。本實用新型優選采用的熱電偶放大器芯片AD595是AD公司生產的一 款熱電偶放大器,它將儀表器放大器和熱電偶冷端補償器全部集成在一塊單片芯片上,產 生一個10 mV/°C的輸出。如圖8所示,脈沖信號輸入電路6包括光耦隔離電路和整形電路。光耦隔離電路采 用了高速光電耦合隔離模塊TLP113,用于將接收的脈沖信號進行光耦隔離后輸出。TLP113 的5腳和6腳間接上拉電阻,當NPN管導通時5腳為OV ;當NPN管斷開時5腳被上拉到5V。 TLP113的兩個電容是起到濾去雜波作用的。整形電路的輸入端與光耦隔離電路的輸出端電 連接,用于對光耦隔離電路的輸出信號進行整形后輸出給嵌入式微控制器模塊。該整形電路可采用型號為74HC14的史密特觸發器,為了除去雜波,使信號沿陡直,把光耦隔離后的 信號進行史密特整形。在一種優選實施方式中,脈沖量采集采用了雙CPU技術。即嵌入式 微控制器模塊1包括主CPU (型號為LPC2129)和從CPU (型號為LPC2102),經過整形后的 脈沖量信號首先輸入給從CPU,然后由該從CPU通過SPI串口 105傳輸給主CPU。繼電器輸出電路7的原理如圖9所示。當嵌入式微控制器模塊1的通用I/O 口輸 出5V高電平,PNP管BC847導通,繼電器線包帶電,Gl和DOl連接;當嵌入式微控制器模塊 1的通用I/O 口輸出OV低電平,PNP管BC847不導通,繼電器線包失電,Gl和DOl斷開。如圖10和圖11所示,模擬量輸出電路8包括數模轉換電路81、電壓變換電路82 和電壓至電流信號變換電路83。數模轉換電路81用于將從嵌入式微控制器模塊1接收的數字信號轉換為0-5V電 壓信號。該數模轉換電路81主要采用了型號為AD5320的數模轉換芯片。嵌入式微控制器 模塊1通過SPI串口向AD5320傳輸兩個字節數據,其中包含12個二進制位的電壓輸出碼 值。AD5320可以根據算式按照輸入寄存器中的數字碼輸出相應的電壓信號,電壓信號范圍 是0-5V。電壓變換電路82的輸入端與數模轉換電路的輸出端電連接,用于將從數模轉換電 路81接收的0-5V電壓信號變換為0-10V電壓信號后輸出。該電壓變換電路82主要采用 了運放。電壓至電流信號變換電路83輸入端與電壓變換電路82的輸出端電連接,將從電 壓變換電路82接收的0-10V電壓信號轉換為4-20mA電流信號后輸出。在圖11所示的實 施方式中,采用了型號為AD694的電壓電流變換芯片。上述實施例是提供給本領域普通技術人員來實現或使用本實用新型的,本領域普 通技術人員可在不脫離本實用新型的發明思想的情況下,對上述實施例做出種種修改或變 化,因而本實用新型的保護范圍并不被上述實施例所限制,而應該是符合權利要求書提到 的創新性特征的最大范圍。
權利要求1.一種船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,包括開關量輸入電路、模擬量輸入電 路、熱電偶測量信號輸入電路、脈沖信號輸入電路、繼電器輸出電路、模擬量輸出電路、嵌入 式微控制器模塊和電源電路;其中嵌入式微控制器模塊,用于接收所述開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信 號輸入電路和脈沖信號輸入電路輸出的信號,并對所接收的信號進行分析運算,以及通過 現場總線與外部進行雙向通信;該嵌入式微控制器模塊根據分析運算結果或從現場總線接 收的外部控制指令,通過所述繼電器輸出電路和模擬量輸出電路向船舶柴油機的執行機構 輸出安全控制信號;電源電路,用于向所述開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信號輸入電路、 脈沖信號輸入電路、繼電器輸出電路、模擬量輸出電路和嵌入式微控制器模塊供電。
2.如權利要求1所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述嵌入式微控制器模 塊包括安全保護停車及恢復單元,用于對從所述開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測 量信號輸入電路和脈沖信號輸入電路接收到的信號進行分析運算,根據分析運算結果判斷 是否需要安全保護停車,如需要安全保護停車,則通過所述繼電器輸出電路向船舶柴油機 的執行機構輸出安全保護停車控制信號;在輸出安全保護停車控制信號后,該安全保護停 車及恢復單元在接收到由外部輸入的復位請求信號時,復位所述安全保護停車控制信號;可越控安全保護停車單元,用于在接收到一可越控安全保護停車請求信號時,控制所 述安全保護停車控制信號延時輸出;安全保護降速及恢復單元,用于對從所述開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測 量信號輸入電路和脈沖信號輸入電路接收到的信號進行分析運算,根據分析運算結果判斷 是否需要安全保護降速,如需要安全保護降速,則通過所述繼電器輸出電路向船舶柴油機 的執行機構輸出安全保護降速控制信號;在輸出安全保護降速控制信號后,該安全保護降 速及恢復單元在接收到由外部輸入的停止降速請求信號時,復位所述安全保護降速控制信 號;可越控安全保護降速單元,用于在接收到一可越控安全保護降速請求信號時,控制所 述安全保護降速控制信號延時輸出;緊急停車控制單元,用于在接收到緊急停車請求信號時,通過所述繼電器輸出電路向 船舶柴油機的執行機構輸出一緊急停車控制信號;冗余CAN總線通信單元,用于通過CAN總線實現所述安全保護停車及恢復單元、可越 控安全保護停車單元、安全保護降速及恢復單元、可越控安全保護降速單元和緊急停車控 制單元與外部的雙向通信。
3.如權利要求1所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述模擬量輸入電路包括電流信號采樣電路,采樣4-20mA電流信號;電流至電壓信號變換電路,輸入端與所述電流信號采樣電路的輸出端電連接,用于將 4-20mA電路信號轉換為2-10V電壓信號后輸出;一對多路模擬開關單元,該一對多路模擬開關單元的輸入端與所述電流至電壓信號變 換電路的輸出端電連接,用于對從電流至電壓信號變換電路輸入的2-10V電壓信號進行選通;電壓差分放大單元,輸入端與所述一對多路模擬開關單元的輸出端電連接,用于對一 對多路模擬開關單元輸出的電壓信號進行差分放大;分壓電路,輸入端與電壓差分放大單元的輸出端電連接,用于將電壓差分放大單元輸 出的2-10V電壓信號轉換成0. 5-2. 5V電壓信號后輸出給所述嵌入式微控制器模塊。
4.如權利要求1所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述熱電偶測量信號輸 入電路包括一熱電偶放大器芯片。
5.如權利要求1所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述脈沖信號輸入電路 包括光耦隔離電路,用于將接收的脈沖信號進行光耦隔離后輸出; 整形電路,輸入端與所述光耦隔離電路的輸出端電連接,用于對所述光耦隔離電路的 輸出信號進行整形后輸出給所述嵌入式微控制器模塊。
6.如權利要求5所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述整形電路由史密特 觸發器組成。
7.如權利要求1所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述模擬量輸出電路包括數模轉換電路,用于將從所述嵌入式微控制器模塊接收的數字信號轉換為0-5V電壓信號;電壓變換電路,輸入端與所述數模轉換電路的輸出端電連接,用于將從所述數模轉換 電路接收的0-5V電壓信號變換為0-10V電壓信號后輸出;電壓至電流信號變換電路,輸入端與所述電壓變換電路的輸出端電連接,用于將從所 述電壓變換電路接收的0-10V電壓信號轉換為4-20mA電流信號后輸出。
8.如權利要求1所述的船舶機艙安全保護模塊,其特征在于,所述嵌入式微控制器模 塊包括主CPU和從CPU,所述主CPU和所述從CPU通過SPI串口通信。
專利摘要本實用新型公開了一種船舶機艙安全保護模塊,包括開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信號輸入電路、脈沖信號輸入電路、繼電器輸出電路、模擬量輸出電路、嵌入式微控制器模塊和用于供電的電源電路。其中,嵌入式微控制器模塊用于接收開關量輸入電路、模擬量輸入電路、熱電偶測量信號輸入電路和脈沖信號輸入電路輸出的信號,并對所接收的信號進行分析運算,以及通過現場總線與外部進行雙向通信;該嵌入式微控制器模塊根據分析運算結果或從現場總線接收的外部控制指令,通過繼電器輸出電路和模擬量輸出電路向船舶柴油機的執行機構輸出安全控制信號。本實用新型可對船舶柴油機運行狀態進行實時監護,一旦發現故障,及時采取處理措施。
文檔編號F02B77/08GK201865770SQ201020635880
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者蘭峰, 吳帆, 張平, 徐百靈, 朱龍彪, 李弘 , 李晶, 臧軍, 陳嘉雄 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所