船舶柴油机滑油在线监测预警系统设计

刘学强，郭军武，窦培松



船舶柴油机滑油在线监测预警系统设计

刘学强，郭军武，窦培松

(上海海事大学 商船学院，上海 200135)

为了提高柴油机的可靠性、延长柴油机的使用寿命，设计了一种基于单片机的船舶柴油机滑油在线监测预警系统。介绍了该系统的测试原理、系统硬件及系统软件设计。该系统通过处理分析监测反馈数据来判断滑油的品质状况，在滑油完全变质前分级别向轮机人员提示预警，从而降低柴油机故障率，保证船舶的正常运营。

单片机 滑油品质 传感器 监测预警

0 引言

船机故障模式主要有磨损、腐蚀和断裂等，其中磨损失效所占的比例为80%。大量统计数字表明，柴油机故障的85%以上与润滑有关。润滑油中的金属磨粒成分、颗粒大小和多少与摩擦副的工作情况密切相关。因此采用滑油油液监测故障诊断技术，实时监测设备的润滑与磨损状况，预测磨损过程的发展，及时发现故障征兆及查明产生故障的原因，并采取相应的解决措施是一件很有意义的工作[1]。本文设计了基于单片机的船舶柴油机滑油在线监测预警系统，采用多传感器融合技术，利用传感器采集的参数对滑油状态情况做出综合评价，从而实现对滑油品质的实时监测，降低了因滑油品质问题引发的柴油机内部各零部件之间异常磨损而导致严重故障出现的概率。

1 测试原理分析

滑油失效主要包括滑油被氧化、柴油稀释滑油、水稀释滑油等。滑油在使用过程中受温度和大气环境的影响不可避免地发生氧化，氧化产生的酸性物质使得滑油的介电常数和粘度发生变化。介电常数与滑油含水率、铁磨粒含量以及总酸度有相同的变化趋势[2]。采用介电常数法电容传感器可以辅助完成滑油品质的监测。

在滑油众多理化指标中，黏度是油品最重要的指标，它能衡量滑油的润滑能力。黏度越大，油膜厚度也越大，润滑性能就越好。但黏度过大，不仅增加摩擦阻力，而且浪费能源。反之，过低的粘度也不能形成足够的油膜而导致摩擦增大，损坏机械。滑油的黏度是否合适，不仅要看某一温度的黏度，还要看黏度随温度变化的性质，即滑油的黏温特性。柴油机在工作过程中，随着滑油温度升高，滑油的黏度大幅下降。例如：当滑油流经运动副表面时，局部的高温、高压会使滑油氧化。同样，各种杂质的掺入也会降低滑油的流动性，最终导致黏度升高。因此，实时监测滑油的黏度变化也能反映出滑油的品质状态。

基于以上原理分析，监测预警将采用多传感器融合技术，通过测量滑油的电容值、粘度及温度综合评判滑油品质，从而为轮机人员判别柴油机故障和维护机器提供保障。

2 系统硬件设计

测试系统主要由信号采集模块、信号处理模块、中心控制模块、显示预警模块及外围电路等构成。通过传感器所采集的数据为整个系统监测做铺垫；采集的数据经过专用参数变送器转化为标准信号。单片机将采集处理的信号进行分析，并控制系统使其正常运行，同时也将分析结果传送至相应的输出设备；显示模块将分析结果输出到显示屏展现给用户，使其直观了解滑油的状态情况；预警模块是控制中心根据预设算法分析出滑油品质出现问题时驱动其报警，警示轮机人员需要对柴油机进行维护。该系统的总体结构图如图1所示。

图1 监测预警系统总体结构图

2.1信号采集模块

本系统选用FWS-4型在线液体黏度传感器[3]，该传感器主要用于在线实时监测液体粘度，因此是滑油黏度测定法应用的理想选择。FWS-4 型传感器采用新型超声振动方法[4]，其工作原理是当被测液体与探头敏感器件接触时，通过测量压电超声敏感器件的参数变化来感知液体黏度的变化。保证了在实时的测量范围内良好的精度与可重复性。电容传感器采用的型号为 MA-K19077-KW，该传感器输出的标准信号范围在4-20 mA。此传感器具有较好的刚性，较小的尺寸，环境适应性强等优点。Pt100 温度传感器[5]是一种用铂做成的电阻式温度传感器，其输出信号与温差之间有一连续的函数关系，是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。具有抗振动、稳定性好、高精度、耐高压等优点。

2.2信号处理模块

专用参数变送器[6]是具有RS-485通信的综合信号采集模块，可以采集温度传感器输出的电阻信号、黏度传感器输出的脉冲信号以及电容传感器输出的电压信号，并对采集到的原始数据进行计算。计算后的数据以及原始数据通过RS-485传输给单片机模块，串口通信采用标准的RS-485 的通信模式。RS-485 串口通信电路如图2所示。

图2 RS-485 串口通信电路

2.3中心控制及预警模块

根据单片机在监测系统的核心地位，本系统选用了ST公司基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103ZE作为控制核心，Cortex-M3内核是专门设计以满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求[7]。该芯片最高工作频率可达到72 MHz，具有512 K字节的闪存以及64 K字节的SRAM，丰富的片上资源大大简化了系统硬件，同时大大降低了系统功耗。显示屏主要目的是用以实现与轮机人员的交互，显示监测系统监测结果，如滑油温度值、滑油粘度和滑油品质监测预警结果等。STM32F103ZE 芯片内部带有专门的触摸显示屏与显示屏控制器。根据监测系统和控制器接口的要求，需要选择能够满足要求的型号。根据本文的研究，选择TFTLCD2.8寸液晶显示。如图 3所示为 STM32 单片机与 TFT-LCD 显示屏间信号控制和数据传输示意图。

TFT-LCD 显示屏的模块引脚相对比较复杂，并且接口连线较多，引脚示意图如图4所示。

本监测系统将采用显示与语音提醒两种预警方式。显示装置将利用2.8寸LCD显示屏来显示，语音提示装置将利用扬声器作为输出设备来提示。通常情况下的音频预警是把预警语句存储在数字录音芯片中，需要时通过主控制模块或者上位机启动语音扩音预警。预警系统采用的PCM1770高性能解码芯片是一款高性能、高集成度的实时低码率语音编解码芯片，编解码质量好，抗噪能力强。该芯片与 STM32 单片机连接图如图5所示，其中 JS 为音频输出。

图3 SMT32 与显示屏间信号控制与数据传输示意图

图4 TFT-LCD引脚示意图

图 5 语音装置连接图

2.4电源模块设计

所设计的滑油监测预警系统中，电容传感器供电电压为+12 V，单片机控制系统供电电压+3.3 V，RS-485串口通信模块供电电压+5 V。所以我们设计电源模块能输出“+12 V”、“+3.3 V”、“+5 V”和“GND”即可。所选择的DC/DC变压模块能够将+4 V~+40 V 的电压转变为“+12 V”、“+5 V”、“+3.3 V”和“GND”，并且该 DC/DC 变压模块的电路较为简单，所变电压输出稳定，为确保系统供电稳定，加装稳压模块可以提高系统运行的可靠性，如图6所示为变压稳压流程图。

图6 系统变压稳压流程图

3 系统软件

与硬件系统设计相似，系统的结构与功能决定了系统的软件设计。作为滑油品质监测预警系统，软件通过硬件实现，硬件受控于软件，因此对该软件系统的开发设计显得格外重要。本系统设计中，采用英蓓特公司和ARM公司最近联合推出的高效ARM开发环境Realview MDK[8]为开发平台。并在 STM32 上运行起来，实现在线调试程序，大大的提高系统开发的效率。单片机系统软件设计的主流程图如下图7所示。

图7单片机系统软件设计主流程图

4 结束语

船舶柴油机滑油在线监测预警系统实现了对柴油机滑油性能的综合检测；建立了一种快速、准确、稳定、方便并能适应长时间在线检测的方法，实现了对船舶柴油机滑油的实时监测，解决了因滑油品质问题而带来的柴油机故障。具有良好的理论研究意义和实际应用价值。

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The Design of Lubricating Oil Monitoring and Early Warning Online System for Marine Diesel Engine

Liu Xueqiang, Guo Junwu, Dou Peisong

(College of Merchant Marine, Shanghai Maritime University, Shanghai 20135, China)

In order to improve the reliability of diesel engine and prolong the service life of the diesel engine, an online monitoring and warning system for lubricating oil of marine diesel engine with single chip microcomputer are designed. The test principle, hardware and software are introduced. The system can judge the quality of the lubricating oil by analyzing the feedback data. It warns the fault in classification before the oil deteriorates that could reduce the fault rate of the diesel engine, and ensure the ship in the normal service.

single chip microcomputer; lubricating oil quality; sensor; monitoring and early warning

TP212.1

A

1003-4862（2016）04-0048-03

2015-12-03

刘学强（1992-），男，硕士研究生。研究方向：轮机设备。