淺談船舶機艙監視與報警系統

杜興

摘 要：該文主要介紹船舶機艙集中監視與報警系統的組成和功能，對系統各組成單元分類、信號采集到信號輸出流程、模擬量和開關量的相互轉換等進行了簡單介紹。

關鍵詞：機艙 監視和報警系統 開關量 模擬量

中圖分類號：U665 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0069-02

1 監測報警系統的功能和組成

1.1 監視報警系統的功能

監測報警系統對全船重要電氣和機械設備的運行參數和安全信息進行監測，及時發現設備運行故障，并進行故障報警，便于輪機管理人員及時排除故障。對于不同的監視報警系統，由于其具體的組成和工作原理不同，在功能上也會存在一定的差異，但作為監視與報警系統一般都應該具備以下幾種功能：（1）數據采集和轉換。（2）聲光報警。（3）參數與狀態顯示。（4）打印報警記錄。（5）報警延時。（6）延伸報警。

此外監視與報警系統還應有3 min的失職報警、值班呼叫、自檢、備用電源的自動投入等功能。

1.2 監視報警系統的組成

一個完善的監視與報警系統由三大部分組成：（1）分布在機艙各監視點的傳感器。（2）安裝在集中控制室內的控制柜和監視儀表或監視屏。（3）安裝在駕駛臺、公共場所、輪機長和輪機員居室的延伸報警箱。

2 機艙監視與報警系統的分類介紹

2.1 監視參數的分類

機艙內需要監視的參數可分為兩類：一類是開關量；另一類是模擬量。

開關量是指只有兩個狀態的量，這兩個狀態通常表現為開關的斷開和閉合。在船舶機艙中開關量可以反映設備的運行狀態。監視與報警系統能對這些開關量進行顯示，需要報警的則發出聲光報警。就船舶機艙而言，開關量往往來自操作臺工控制箱的按鈕、轉換開關、繼電器或是來自現場設備的行程開關、液位開關等。

模擬量是指連續變化的量，例如溫度、液位、壓力和轉速等參數。監視與報警系統應能對這些模擬量進行實時顯示，如果參數超過預定的范圍，則應發出聲光報警。

2.2 監測方法的分類

監視與報警系統的各類很多，但所采用的監視方法無非有兩類：一類是采用連續的監測方法；另一類是采用掃描的監測方法。

連續監測是指機艙中的所有監測點的參數并行的送入監視與報警系統，并對所有的監測點的狀態及參數進行連續監測。系統的核心元件是報警控制單元。每個監測點需要一個獨立的電路進行測量和產生報警信號，測量結果和報警信息送至公共的顯示和報警電路，但在設計上通常將多個類型的參數的電路制成一塊電路板。采用這種監測方法的監視與報警系統，各監視點之間的相互影響較小，但所需硬件較多，造價較高。

掃描監測是以一定的時間間隔依次對各個監視點的參數和狀態進行掃描，將監視點信息逐一送入監視與報警系統進行分時處理。掃描監測方法可采用常規的集成電路和微型計算機來實現。目前大多數的船舶均采用基于微機技術的監視與報警系統。

3 機艙的數據采集

監視與報警系統工作的第一步便是進行數據采集。監視與報警系統的數據采集是由安裝在機艙內的各監測點的傳感器來完成的。測量單元是監視與報警系統的重要組成部分，它對監測點的運行參數進行測量，并將轉換成系統可以識別的信號送入系統。

3.1 傳感器

傳感器的功能是將機艙內各種設備的運行狀態和參數轉換成便于報警裝置處理的標準信號。在機艙中，傳感器的各類多種多樣，其原理也各不相同。機艙內常用的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、轉速傳感器和轉矩傳感器等。

3.2 變送器

測量單元是反饋控制系統的重要組成部分，它通常由各種各樣的測量傳感器和信號變送器組成，變送器的作用就是將傳感器采集的信號進一步轉換成標準的氣壓信號或者電信號。

4 監視與報警系統的微機控制

4.1 開關量信號與模擬量信號的相互轉換

4.1.1 開關量轉換成模擬量

開關量轉換模擬量是由D/A轉換器來實現的。

D/A轉換器的性能指標。

（1）分辨率。分辨率是指D/A轉換器能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸入數字量的二進制位數。例如，滿量程為10 V的8位DAC芯片的分辨率位39 mV。

（2）轉換精度。如果不考慮D/A轉換的誤差，DAC轉換精度就是分辨率的大小，因此，要獲得高精度的D/A轉換結果，首先要選擇有足夠高分辨率的DAC。

D/A轉換精度分為絕對和相對轉換精度，一般是用誤差大小表示。DAC的轉換誤差包括零點誤差、漂移誤差、增益誤差、噪聲和線性誤差、微分線性誤差等綜合誤差。

絕對轉換精度是指滿刻度數字量輸入時，模擬量輸出接近理論值和程度。它和標準電源的精度、權電阻的精度有關。相對轉換精度指在滿刻度已經校準的前提下，整個刻度范圍內，對應任一模擬量的輸出與它的理論值之差。它反映了DAC的線性度。通常，相對轉換精度比絕對轉換精度更有實用性。

相對轉換精度一般用絕對轉換精度相對于滿量程輸出的百分數來表示，有時也用最低位（LSB）的幾分之幾表示。例如，設VFS為滿量程輸出電壓5 V，n位DAC的相對轉換精度為±0.1%，則最大誤差為±0.1%VFS=±5mV。

（3）非線性誤差。D/A轉換器的非線性誤差定義為實際轉換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數度量。轉換器電路設計一般要求非線性誤差不大于±1/2LSB。

（4）轉換速率/建立時間。轉換速率實際是由建立時間來反映的。建立時間是指數字量為滿刻度值（各位全為1）時，DAC的模擬輸出電壓達到某個規定值（比如，90%滿量程或±1/2LSB滿量程）時所需要的時間。endprint

建立時間是D/A轉換速率快慢的一個重要參數。很顯然，建立時間越大，轉換速率越低。不同型號DAC的建立時間一般從幾個毫微秒到幾個微秒不等。若輸出形式是電流，DAC的建立時間是很短的；若輸出形式是電壓，DAC的建立時間主要是輸出運算放大器所需要的響應時間。

4.1.2 模擬量轉換成開關量

在監視與報警系統中需要將傳感器所采集的模擬量信號轉換成計算機可以識別的開關量信號。模擬量轉換成開關量是由A/D轉換器來完成的。

A/D轉換器的性能指標。

（1）轉換速度。轉換速度是指完成一次A/D轉換所需時間的倒數，是一個很重要的指標。ADC型號不同，轉換速度差別很大。

（2）轉換精度。轉換精度由模擬誤差和數字誤差組成。模擬誤差是比較器、解碼網絡中電阻值以及基準電壓波動等引起的誤差。數字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差，前者屬于非固定誤差，由器件質量決定，后者和ADC輸出數字量位數有關，位數越多誤差越小。

4.2 監視與報警系統信號的輸入

4.2.1 開關量信號的輸入

在監視與報警系統中常用的開關量輸入方法是將某個開關量信號通過電平轉換后送至某個字節中，計算機通過判斷該字節位是“0”還是“1”來識別其開關狀態。這就是開關量輸入的基本原理。開關量的輸入首先必須經過電平轉換電路將觸點的通斷轉換成計算機電路能夠識別的邏輯電平，同時還要考慮濾波、去抖動以及信號隔離等措施。然后再接到并行接口的輸入端口，由計算機以字節為單位進行輸入。

4.2.2 模擬量信號的輸入

在船舶機艙中，柴油機的排煙溫度、缸套水溫度、燃油壓力、流量、艙室液位和轉速等非電物理量都是先通過傳感器轉換成電信號，經放大和處理后得到標準的電壓模擬量，在經過A/D轉換電路轉換成計算機能夠識別和處理的數字量并由計算機讀入系統。

模擬量的信號采集、模擬量向數字量的轉換以及信號向計算機的送入都是由模擬量的輸入通道來完成的。對于不同的應用場合，不同系統有著不同的輸入通道結構形式。對于船舶機艙而言普遍采用的是多用通道共用一個A/D轉換器的結構形式。

4.3 監視與報警系統信號的輸出

監視與報警系統對輸入電路的模擬量和開關量等數據進行分析和處理后，還需要對信息進行輸出。數字量的輸出信息有三類：二進制編碼數字、脈沖依賴和“1”或“0”的開關量信號。目前很多新型監視與報警系統都具有控制功能，已經超越傳統意義上的監視與報警系統而成為集監視與報警控制為一體的機艙監控系統。

在控制系統中，有一類執行機構有用脈沖來控制的，如步進電機等。脈沖輸出一般需要專門的脈沖發生和控制電路，輸出的脈沖頻率和脈沖個數則由計算機通過串行或并行輸出接口進行控制。另外，馬達的啟停、閥門的開關等控制要求CPU送出開關控制信號；系統的狀態應通過指示燈進行指示，出現報警時還應輸出報警信息。這些功能通過開關量的輸出電路來實現。

開關量的輸出通常有TTL電平邏輯信號輸出、電子無觸點開關輸出和繼電器輸出等幾種輸出形式。為了保證計算機安全、可靠的工作，輸出部分要加光電隔離電路。同時為驅動繼電器或其他執行部件，輸出通道一般要加功率放大電路。

5 結語

該文對該系統的功能組成、分類以及信號的采集和處理等進行了簡單的介紹，每個自動化控制系統都是按從信號采集、信號處理、信號輸出再到反饋控制的工作流程來進行工作的。當然一個完整的自動化監控系統為了采用硬件電路來完成某種特定任務，含必須編制相應的監控系統軟件來配合其硬件電路的工作。

參考文獻

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