CN102183674B - 一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置，及转速测量装置的高可靠性和低冗余度的设计方法，该测量装置由中央嵌入式控制器、三路并联专用转速测速通道、一路巡检各发电机转速的冗余测速通道、磁敏传感器、电控切换器、CAN总线控制器等组成；可以实现同时测量船舶电站三台发电机组转速，并能进行测量通道故障自诊断；中央嵌入式控制器一旦诊断出故障测量通道后将迅速自动屏蔽故障测量通道、切入后备冗余测量通道进行正常测量，并发出设备故障报警信号和故障代码；该装置以最小的冗余度和动态配置方式，降低了船舶发电机组转速测量系统的制造成本，极大地提高了船舶发电机组转速测量系统的可靠性和可维护性。

Description

一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置

技术领域

本发明涉及一种船舶电站多台发电机组转速智能化测量装置，尤其涉及一种低冗余高可靠性船舶发电机组智能测速装置，具有远程通信功能、可以同时测量船舶电站三台发电机组转速、并能自动诊断各转速测量通道是否正常；一旦诊断发现有转速测量通道发生故障，系统能自动屏蔽故障通道、把唯一冗余测速通道动态配备切入、取代原转速测量通道，可继续保障发电机组转速正常测量。本发明公开的这种船舶电站多台发电机组转速智能化测量装置以最小的冗余度和动态配置方式，降低了船舶发电机组转速测量系统的制造成本，极大地提高了船舶发电机组转速测量系统的可靠性和可维护性。

背景技术

运行于大江、大海的船舶，无论何种船型和大、小，主机遥控系统、电站自动控制系统、通用监控系统这三大自动化基本系统都是必需的。电站自动控制系统的作用是能够对柴油发电机组进行自动测速、电子调速并自动稳速，实现电站功率的自动管理、保障外供电压、频率的稳定输出，以及实现柴油发电机组的自起动、并车，解列等各项智能化控制功能。当系统中有发电机组发生故障时，电站自动控制系统能自动地使处于备用状态的发电机组立即起动，自动准同步投入电网运行;并网成功后，发生故障的机组将负荷降低至不大于额定功率的10%时，自动脱离电网。

船舶尤其是海运和远洋运输船的用途与特点决定船用机电设备与自动化系统自动化和智能化水平要高，而最最重要的技术指标是可靠性要高、平均无故障时间要长，其次故障自诊断能力和报警功能要强、因为船舶一旦启航出港就无法与陆上车辆那样发生机电故障后可就地熄火待援而不必担心人、车发生新的危险和损失，海运和远洋运输船舶如在航行途中失去主动力或电力将是十分危险的，甚至将导致船毁人亡。

因此，船舶电站是船舶服役期间永不停止的动力源，负责对整条船舶所有机电、仪器设备和生活设施提供电能。船舶电站通常设置三台发电机组，其中两台发电机组正常运行，第三台作为备份使用。船舶电站发电机组转速测量的准确与否直接关系到发电机组之间能否成功的完成并网，因此对船舶电站发电机组测速系统的可靠性要求极高，目前，许多海船和远洋船舶的电站自动化系统通常采用冗余技术来提高测速系统的稳定性，即每一台发电机组都配置两台测速装置，一台正常工作，另一台作为热备份使用；但是这种冗余方法不仅提高了测速系统的制造成本和售价，而且不能通过同一台发电机组的两台测速装置测得的数据之间的比较而判定具体是哪一通道发生了故障。

发明内容

本发明的目的是为了有效地解决现有船舶电站多台发电机组测速装置常用的双备份冗余方案存在的系统复杂、制造成本高、在故障发生时无法准确定位的问题，为此本发明还提供了一种运用该发明装置进行各专用测速通道故障诊断和冗余测速通道动态配置方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置，对发电机组的转速测速，包括中央嵌入式控制器，第一路专用测速通道、第二路专用测速通道、第三路专用测速通道、冗余测速通道、磁敏传感器、电控切换器、CAN总线控制器，三路专用测速通道分别通过各自对应的磁敏传感器和各自对应的发电机组相连，输出接中央嵌入式控制器；冗余测速通道经电控切换器分别与各发电机组对应的磁敏传感器相连，输出接中央嵌入式控制器；中央嵌入式控制器通过CAN总线控制器与外部信号连接。

所述三路专用测速通道分别包括匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路，每一路专用测速通道的匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路依次电气连接；所述磁敏传感器工作频率范围为0~300Hz，与各自对应的发电机组相连，发电机组转速转换为与转速成比例的正弦波电信号输出给对应的匹配阻抗与放大电路。

所述电控切换器设置为三选一型式，为3选1型电切换器，公共触点与冗余测量通道相连后接受中央嵌入式控制器控制，其它三路触点分别与第一路、第二路和第三路的专用测速通道对应的磁敏传感器相连。

冗余测量通道包括依次电气连接的匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路，匹配阻抗与放大电路和公共触点相连接。

本发明还提供了一种运用该装置进行各专用测速通道故障诊断和冗余测速通道动态配置方法，通过冗余测速通道在中央嵌入式控制器控制下巡回检测三台发电机组的转速，自行诊断各专用测速通道故障状态、故障通道定位及实现冗余测速通道动态配置，具体方法步骤为：

1、由中央嵌入式控制器将冗余测速通道切换至第一路专用测速通道对应的发电机组磁敏传感器输出端；

2、冗余测速通道和第一路专用测速通道分别测出对应发电机的实际转速；

3、再由中央嵌入式控制器将冗余测速通道切换至第二路专用测速通道对应的发电机组磁敏传感器输出端；

4、冗余测速通道和第二路专用测速通道分别测出对应发电机的实际转速；

5、再由中央嵌入式控制器将冗余测速通道切换至第三路专用测速通道对应的发电机组磁敏传感器输出端；

6、冗余测速通道和第三路专用测速通道分别测出对应发电机的实际转速；

7、将冗余测速通道测量到的三台发电机组的转速数据分别与三路专用测速通道各自测得的转速数据进行比较，如果冗余测速通道测得转速数据和各路专用测速通道测得转速数据分别对比，符合两者偏差≤专用测速通道示值允许误差值的两倍的条件，则表明冗余测速通道和三路专用测速通道都正常、均无故障；如果冗余测速通道测得转速数据和任意两路专用测速通道测得转速数据分别对比，一组数据符合条件，而另一组数据不符合条件、且重复3次均不符合条件，则认为该组数据对应的专用测速通道发生故障；如果冗余测速通道和各路专用测速通道测量到的转速数据对比后均不符合条件，则表明冗余测速通道自身发生了故障。

当中央嵌入式控制器诊断并确认某路专用测速通道存在故障后，立即屏蔽该路专用测速通道、迅速切入后备的冗余测速通道进行正常测量，并通过CAN总线控制器把设备故障报警信号和故障代码发送给远程监控计算机；当中央嵌入式控制器诊断出冗余测速通道发生故障后，控制器通过CAN总线控制器把冗余测速通道设备故障报警信号和故障代码发送给远程监控计算机。

本发明的有益效果是采用一路冗余测速通道取代了传统的三路双冗余测速通道，系统复杂性和制造成本大为降低；且通过本发明提供的测速通道故障诊断方法，任何测速通道一旦发生故障时，均能准确判断与对应故障通道明确定位，并通过现场总线进行远程实时故障报警；同时，系统能自动把动态配备的唯一最低配置的冗余测速通道切入、取代故障通道，继续保障此发电机组转速的正常测量。

本装置以最小的冗余度和动态配置方式，相比每一台机组都进行双冗余的方案，使船舶发电机组转速测量装置简化和减少了测量电路、减少了制造成本，却使系统可维性大为提高；相比无冗余方案，仅增加不到1/3硬件，且不需增加磁敏传感器的电路开销，却可使船舶发电机组转速测量装置和转速测量的可靠性获得成倍提高，而且可使系统可维性大为提高。

附图说明

图1为本发明实施例的船舶电站发电机组测速系统架构示意图。

图2为本发明实施例的测速通道示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例：

本实施例如图1、图2所示，包括中央嵌入式控制器、第一路专用测速通道、第二路专用测速通道、第三路专用测速通道、冗余测速通道、磁敏传感器、电控切换器和CAN总线控制器，三路专用测速通道和冗余测速通道分别包括依次电连接的匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路。

三路专用测速通道与各自对应的发电机磁敏传感器相连，输出接中央嵌入式控制器；冗余测速通道输入端经电控切换器分别与三路专用测速通道分别对应的发电机磁敏传感器相连，输出接中央嵌入式控制器，电控切换器受中央嵌入式控制器控制，采用三选一型电控切换器，电控切换器的公共触点与冗余测速通道中的匹配阻抗与放大电路相连，其它三路动触点分别与三路专用测速通道各自对应的磁敏传感器对应相连；中央嵌入式控制器通过CAN总线控制器与船舶自动化控制系统连接。

所述磁敏传感器对发电机组测速后，将转速信号送至各自对应的专用测速通道中的匹配阻抗与放大电路和电控切换器的动触点，磁敏传感器工作频率范围为0~300Hz，将发电机组转速转换为与转速成比例的正弦波电信号。

将冗余测速通道测量到的三台发电机组的转速数据分别与三个专用测速通道各自测得的转速数据进行比较，如果冗余测速通道测得转速数据和各专用测速通道测得转速数据分别一致（这里的 “一致”是指两者偏差≤转速测量通道示值允许误差的2倍，下同），则表明三路专用测速通道和一路冗余测速通道都正常、均无故障；如果冗余测速通道测得转速数据和两路专用测速通道测得转速数据分别一致，而另一路专用测速通道的数据不一致、且重复3次均不一致，则认为该路专用转速通道发生故障，中央嵌入式控制器一旦诊断出故障测速通道后将迅速屏蔽故障测速通道、切入后备的冗余测速通道进行正常测量，并通过CAN总线控制器把设备故障报警信号和故障代码发送给远程监控计算机；如果冗余测速通道和各专用测速通道测量到的转速数据均不一致，则表明冗余测速通道自身发生了故障，中央嵌入式控制器通过CAN总线控制器把冗余测速通道设备故障报警信号和故障代码发送给远程监控计算机。

上述实施例以最小的冗余成本，极大地提高了船舶发电机组转速测量系统的可靠性和可维护性。

Claims (5)

1.一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置，对发电机组的转速测速，其特征在于：包括中央嵌入式控制器，第一路专用测速通道、第二路专用测速通道、第三路专用测速通道、冗余测速通道、磁敏传感器、电控切换器、CAN总线控制器，三路专用测速通道分别通过各自对应的磁敏传感器和各自对应的发电机组相连，输出接中央嵌入式控制器；冗余测速通道经电控切换器分别与各发电机组对应的磁敏传感器相连，输出接中央嵌入式控制器；中央嵌入式控制器通过CAN总线控制器与外部信号连接；

所述三路专用测速通道分别包括匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路，每一路专用测速通道的匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路依次电气连接；所述磁敏传感器工作频率范围为0～300Hz，与各自对应的发电机组相连，发电机组转速转换为与转速成比例的正弦波电信号输出给对应的匹配阻抗与放大电路。

2.根据权利要求1所述的一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置，其特征在于：所述电控切换器设置为三选一型式，为3选1型电切换器，公共触点与冗余测量通道相连后接受中央嵌入式控制器控制，其它三路触点分别与第一路、第二路和第三路的专用测速通道对应的磁敏传感器相连。

3.根据权利要求2所述的一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置，其特征在于：冗余测量通道包括依次电气连接的匹配阻抗与放大电路、低通滤波电路和施密特比较电路，匹配阻抗与放大电路和公共触点相连接。

4.一种根据权利要求1所述的一种低冗余度高可靠性船舶发电机组智能测速装置进行的专用测速通道故障诊断和冗余测速通道动态配置方法，其特征在于：通过冗余测速通道在中央嵌入式控制器控制下巡回检测三台发电机组的转速，自行诊断各专用测速通道故障状态、故障通道定位及实现冗余测速通道动态配置，具体方法步骤为，

1）由中央嵌入式控制器将冗余测速通道切换至第一路专用测速通道对应的发电机组磁敏传感器输出端；

2）冗余测速通道和第一路专用测速通道分别测出对应发电机的实际转速；

3）再由中央嵌入式控制器将冗余测速通道切换至第二路专用测速通道对应的发电机组磁敏传感器输出端；

4）冗余测速通道和第二路专用测速通道分别测出对应发电机的实际转速；

5）再由中央嵌入式控制器将冗余测速通道切换至第三路专用测速通道对应的发电机组磁敏传感器输出端；

6）冗余测速通道和第三路专用测速通道分别测出对应发电机的实际转速；

7）将冗余测速通道测量到的三台发电机组的转速数据分别与三路专用测速通道各自测得的转速数据进行比较，如果冗余测速通道测得转速数据和各路专用测速通道测得转速数据分别对比，符合两者偏差≤专用测速通道示值允许误差值的两倍的条件，则表明冗余测速通道和三路专用测速通道都正常、均无故障；如果冗余测速通道测得转速数据和任意两路专用测速通道测得转速数据分别对比，一组数据符合条件，而另一组数据不符合条件、且重复3次均不符合条件，则认为该组数据对应的专用测速通道发生故障；如果冗余测速通道和各路专用测速通道测量到的转速数据对比后均不符合条件，则表明冗余测速通道自身发生了故障。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当中央嵌入式控制器诊断并确认某路专用测速通道存在故障后，立即屏蔽该路专用测速通道、迅速切入后备的冗余测速通道进行正常测量，并通过CAN总线控制器把设备故障报警信号和故障代码发送给远程监控计算机；当中央嵌入式控制器诊断出冗余测速通道发生故障后，控制器通过CAN总线控制器把冗余测速通道设备故障报警信号和故障代码发送给远程监控计算机。

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