0 引言

船舶主機運行中有大量的壓力參數需要實時監測，如主機滑油壓力、燃油壓力、淡水壓力、海水壓力、增壓壓力（掃氣壓力），啟動空氣壓力、控制空氣壓力等，這些壓力反映了主機運行狀況，對于管理操縱主機十分重要。目前壓力參數監測技術日趨完善，壓力變送器絕大部分采用二線制4～20mA電流型。此種傳感器工作穩定，線路簡單，工作電源與輸出電流共用2線，故稱二線制。此類壓力測量系統中，電路測量部分是一組DC5V電源，壓力傳感器供電又是另一組DC24V電源，兩組電源共地。這樣監測電路與傳感器之間沒有智能差壓變送器，一旦傳感器內部故障或外部線路故障（如接地、絕緣下降等），會立即影響監測電路及系統的工作，嚴重時會造成監測系統損壞。為了提高系統可靠性，防止外部局部故障造成更大的系統故障，有必要在壓力傳感器與監測電路之間進行電氣全隔離。

 

1 主機壓力參數確定

以某船主機為例，主機型號為 18V390 二沖程增壓中冷大功率中速柴油機，包含主機滑油壓力、啟動空氣壓力等 12 個壓力參數，這些壓力測點均采用 4～20 mA 二線制壓力變送器。

 

2 壓力采集系統硬件設計

2.1 硬件框圖

壓力參數監測系統硬件組成見圖 1。

 

對圖 1 中的符號說明如下：

1—帶故障保護的 8 路電子模擬開關

2—隔離放大器 ISO122P（輸入級）

3—隔離放大器 ISO122P（輸出級）

4—光電耦合器 TLP521-4 

5—緩沖放大器 2062 

6—A/D 轉換器 TLC1549 

7—單片機 AT89S52 

8—RS485 通訊接口 MAX483。

2.2 原理圖設計

根據該主機壓力參數采集要求，設計的原理圖見圖 2。

2.3 電路原理分析

2.3.1 壓力采集電路

由圖 2 可見，外部壓力變送器 4～20 mA 電流經 100? 電阻后，形成 0.4～2.0 V 電壓，輸入到 MAX354 芯片的 8 路模擬多路器輸入端，由CPU 控制其選中某一通道接通至輸出端。MAX354 是帶故障保護的單端 8 通道多路器（多路模擬電子開關），由于輸入通道采用了 N 溝道、P 溝道、N 溝道結構，使其具有非常優秀的性能：

 

1）當供電電源全部斷開時，其通道全部斷開

2）如果發生過壓，接通的通道會轉為斷開，能夠承受連續±35V的過電壓

3）在故障條件下，輸入電流只有納安級

4）工作電源可自±4.5V至±18V

5）數字量輸入電平都與TTL兼容2.3.2模擬信號隔離放大及緩沖電路ISO122P是一款性能優良的隔離放大器，輸入模擬電壓信號與輸出模擬電壓信號全部智能差壓變送器。輸入級與輸出級分別獨立±5V電源供電，其隔離電壓高達500V，滿足工業領域的強干擾場合，其隔離放大比為1。2062是高輸入阻抗和低輸出阻抗的運算放大器，作為緩沖放大器，將輸入信號進行1:1放大，提高信號輸出能力。

2.3.3數字控制隔離電路為了保證模擬信號與數字信號全隔離，其數字電路部分采用了TLP521-4型4路光電耦合器，由CPU的4條數字控制信號，經TLP521-4隔離后控制MAX354多路器的通道選擇。

2.3.4A/D轉換電路TLC1549是10位模數轉換器。它采用CMOS工藝，具有內在的采集和保持，采用差分基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，總不可調整誤差達到±1LSB。

 

 

其工作參數如下：

1）電源電壓：+5V

2）輸入電壓范圍：-0.3～VCC+0.3V

3）正基準電壓：2.5V

4）輸入較大電壓：2.5V

5）10位分辨率，滿量程值1024D

 

2.3.5CPU電路

CPU采用常見的INTEL系列的8051單片機，具體選型為AT89S52，其基本特性如下：

1）8位CPU

2）256B片內RAM

3）8KB片內EPRAM

4）32根雙向I/O口

5）3個16位定時日/計數器

6）5個具有優先級別的中斷源

7）全雙工異步通信

8）128kB外部程序和數據存儲器

9）256個位尋址單元

10）基本指令執行時間1?s

2.3.6數據通訊電路

為了將采集的壓力數據進行遠程傳輸，系統采用MAX483作為數據傳送芯片，其特點如下：

1）傳輸協議：RS485（二線）

2）用于無誤差數據傳送的限斜率

3）-7V～+12V普通輸入電壓范圍

4）三態輸出

5）全雙工和半雙工模式可選擇

6）工作電源為單一+5V

7）總線可接128個收發器

8）限流和熱敏控制電路為驅動提供過載保護

 

2.3.7電源電路

由于智能差壓變送器的需要，本系統設置了3組互相獨立的電源，一組DC24V/DC±5V電源供CPU及其輔助電路，一組DC24V/DC±5V供隔離放大器（ISO122P）和壓力采集通道多路轉換器（MAX354），一組電源DC24V/DC24V供電壓力變送器，三組電源輸入均由艦電DC24V提供。單片機、傳感器、MAX354供電完全隔離。

 

2.3.8壓力采集過程分析

隔離的DC24V（+24VS）電源正極經壓力傳感器正極后，再由傳感器負極經采集電路上100?電阻到DC24V負級，形成完整回路。并在100?電阻上形成0.4～2.0V電壓（對應4～20mA電流），此電壓對應相應的壓力，經MAX354帶故障保護的電子模擬開關后，進入ISO122P隔離放大器，此放大器輸入與輸出電氣完全隔離，輸入獨立一組工作電源，輸出獨立一組工作電源，其隔離電壓高達500V，放大倍數1:1。ISO122隔離放大后，輸出到2062緩沖放大器，再輸入到TLC1549A/D轉換器，將電壓模擬信號轉換成10位數字信號。由TLC1549三線串口與89S52單片機進行交換數據，89S52（CPU）收到此串行數據，經綜合處理后，再經MAX483芯片的RS485通訊接口將數據送往上位機。

上述是單通道的采集工作流程，要采集多通道，則由單片機通過P2.0～P2.3發出通道切換指令，經74LS244驅動，TLP521-4光電隔離后，驅動器MAX354切換采集通道。

 

3抗干擾故障保護分析

3.1傳感器等外部故障保護

MAX354不論電源+V和-V是否加上，都能對高達±35V的連續輸入電壓提供完全的故障保護。這些器件使用一個“串聯FET”保護方式，這種方式不僅對多路器輸出端進行過電壓保護，而且把輸入電流限制到低于微安級。

圖3和圖4說明串聯FET電路是如何對過壓情況進行保護的。當電源是關斷時，三個FET的“門”端是接地的。如有一-25V輸入，N溝道FETQ1由于+25V的“門至源”電源VGS而導通。而P溝道器件（Q2）則由于有+25V的VGS而關斷，這樣就避免了輸入信號達到輸出端。如果輸入電壓是+25V，則Q1有一負的VGS而關斷。同樣地，由于任何電壓都會使Q1或Q2關斷，因而由輸礎端回流到輸入端的漏電流也是低于微安級的。

 

 

圖 5 示出了當+V 和-V 存在時，一個關斷通道的情況。如同圖 8 和 9，對任何從-35 V 到+35 V的輸入電壓總有一個N溝道的或是一個P溝道的器件產關斷的。在25℃時，負的過壓所引起的漏電流將立即跌落到幾個納安（nA）。對正的過壓，一開始將有10或20?A，在幾秒以后也將衰減到納安級。這個衰減的時常數是由于內部節點所貯存的電荷入電而引起，它不影響故障保護方案。

 

 

圖6示出了當+V（+5V）和–V（-5V）存在時，一個接通通道的情況。當輸入電壓小于±5V，所有三個FET都接通而輸入信號出現在輸出端。如果輸入電壓超過+V減去N溝道的門限電壓（VTN）則N溝道FET將關斷。對更負于–V減去P溝道的門限（VTP）的電壓，P溝道器件將關斷。由于VTN的典型值是1.5V而VTP的典型值是3V，因而電子模擬開關的輸出電壓范圍被限制在約-2V至+3.5V間（對電源電壓為±5V時）。

 

 

從原理圖 2 和圖 7 可看出，系統的智能差壓變送器原理。電路上分成電氣完全隔離的三個部分，一是在艦電輸入DC24V電源，二是CPU及其外圍電路的DC5V電源，三是傳感器DC24V電源、模擬開關、隔離放大器初級的DC5V電源。這三部分電氣上完全隔離，電源部分由DC/DC轉換后隔離，外部傳感器由光電耦合器和隔離放大器與CPU的電路在電氣上完全隔離，光耦與隔離放大器初級和次級能經受500V以上電壓沖擊。

由此可知，DC24V及其地線干擾、外部傳感器故障及其線路和地線干擾均不能產生對核心CPU及其電路的干擾和影響，保證壓力測量系統的可靠穩定工作，并對外部故障進行徹底隔離，外部出現故障不會影響CPU監測電路的工作，也不會造成CPU及其后續電路的故障。

 

4 軟件設計

本系統軟件用 8051 匯編語言完成

程序主流程圖如圖 8 所示。

 

 

為了提高設備的可靠性，程序上采用數字濾波技術，對壓力進行連續多次采樣，過濾掉離散性大的數據，并對多次采樣數據取平均值。以避免因外界干擾，造成壓力數據的跳動。

通道故障判斷基本原理，當外部出現故障時，如傳感器斷線等外部原因造成輸入過壓，此時MAX354對應的通道N溝道、P溝道、N溝道全部關斷，則采集該通道電壓值為0V，正常應為0.4～2.0V電壓，依據此0V電壓可判斷該通道有故障。

 

標度變換程序，對于所有壓力范圍的對應電壓均為 0.4～2.0 V 對管理者應直觀顯示實際壓力值，則由標度變換程序完成，以 1.0 MPa 壓力變送器為例，其變換公式為顯示值=（采集值-0.4 V 電壓值）×819.2/1000

 

5 結論

本文闡述了智能差壓變送器及其故障保護技術，應用于船舶主機壓力監測的工作原理和設計過程，此技術方法已在多艘艦船上應用。使用運行效果十分穩定，未出現故障，有效提高了監測系統的可靠性。此技術可顯著提高工業環境下監測系統的抗干擾、抗故障能力，可廣泛應用于船舶機艙惡劣環境下的監測與控制。