1、 本科 毕业设计 船舶推进电机在线监测系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着海洋经济的进一步发展，企业对于船舶的要求越来越高，尤其是对船舶电机性能的要求日益提高。但在不断加强其性能的同时，对电机进行 检测保护的仪器相对来说还比较落后，至今仍没有相对成熟的产品运用到船舶电机检测当中去。本文结合船舶推进电机的自身特点和船舶在海上可能遇到的各种环境以及各种情况，运用单片机 AT89S51 的强大功能和温度传感器 DS18B20 以及电流霍尔传感器等检测元件，初步的构建一个电机检测系统对电机进行一个实时检测。本系统由参数的检
2、测、收集以及处理， LED 显示等部分组成。 参数检测、收集和处理主要包括传感器的选取，单片机的选取以及检测电路软件编程，等部分。 LED 显示包括 LED 的选型，软件编程以及调试等部分。 LED 可以实时显 示船舶电机的具体状态参数以及是否超过正常值。 关键词 ：船舶电机；单片机；传感器； LED；电机参数 II Abstract With the further development of Marine economy, enterprises demand of the ships, especially the performance of the ships motor is i
3、ncreasing day by day. But when it continuously strengthened its performance, the instruments for motor monitors protection are still relatively outdated, and there is no molding products applied into ships tests .Based on the characteristics of ship propulsion motor, this dissertation use the strong
4、 function of AT89S51 SCM and temperature sensors DS18B20 detection technology and Hall sensor-based, to preliminary build a motor testing system of motors temperature for testing. Parameters examination, collection and processing mainly include the selection of sensors and microcontroller, the softw
5、are programming of the testing circuit, serial port circuit etc. Considering the motor parameters collected may be too small it will be added by amplifying circuit. The LED display includes its selection, programming and debugging, etc. LED can real-time display a ships motors specific state paramet
6、ers and whether it has exceeded the normal or not. Key words: Ship motor microcontroller; sensor; Motor parameters; LED III 目 录 前 言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 选题背景及意义 . 2 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.3 研究的基本内容，研究步骤、方法及措施 . 3 第 2 章 船舶推进电机监测系统参数与结构 . 5 2.1 电机参数检测方法介绍 . 5 2.2 传感器的选取 . 6 2.2.1 传感器的分类 . 6 2.2.2 电流传感
7、器的选取 . 6 2.2.3 温度传感器的选取 . 7 2.3 单片机的选取 . 8 2.4 LED 显示 . 8 2.4.1 LED 简介 . 8 2.4.2 LED 数码管 . 9 第 3 章 温度信号的采集和处理 . 10 3.1 系统性能要求 . 10 3.2 硬件总体结构 . 10 3.3 单片机最小系统电路 . 11 3.4 温度信号的采集电路设计 . 12 3.5 温度信号的显示电路设计 . 12 3.6 复位电路和时钟电路 . 13 3.7 电源设计 . 14 3.8 总设计图 . 15 3.9 结果预测 . 16 第 4 章 软件设计 . 17 4.1 数据采集程序设计 .
8、17 4.2 软件程序 . 17 IV 4.2.1 Protel99se . 17 4.2.2 Keil . 18 4.3 软件程序介绍 . 18 小结 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 1 前 言 船舶电机在线监控是为了保障船舶能够更安全的行驶，保证电机能正常运行的系统。是近几年国内外探讨的热点之一。 大家知道当你的心脏出现问题时，它是会有一些先兆的，例如疼痛等。电机亦如此，当它发生故障前，都会有些征兆，如不正常的震动等。但是在海上各种噪音充斥着大家的耳朵，电机的一些微小变化不容易引起大家的注意，当故障进一步扩大时往往为时已晚。这样一来对船舶及人来说都是非常危险。
9、但是如果此时有一台船舶电机在线监测系统的存在，人们就可以通过仪器来随时观察电机的运行状态，大大减少了安全隐患和经济损失。 本课题正 是基于以上所分析的内容，以船舶推进电机为对象，对监测系统的运行可能性进行研究并加以实现，旨在提高电机故障的可预见性，保障船舶的安全运行和人员的人身安全，减少海上出现事故的可能性，降低运行费用，提高经济效益。 2 第 1 章 绪论 1.1 选题背景及意义 船舶电机在线监控和保护是为了保障船舶在行驶过程中电机能够正常运行的系统。是近几年国内外探讨的热点之一。 众所周知，电机是各种设备的核心部分，有了它设备才能运行并进行各种复杂的工作。电机好比人类的心脏，心脏停止跳动了
10、，人这整个系统也就处于了停滞状态。但是有时候心脏虽然 在跳动，但是它也有可能存在一些不安因素，影响到了整个系统正常快速的运行。各种机械设备也如此，当电机中的一些小元件或者电路出现了微小的变化，都可能影响到整台设备的正常运行。特别是一些贵重的电机，如发电机，逆变设备等，若定子或者转子发生故障，经济损失就相当大了。而作为船舶上使用的各种电机，当发生故障时，由于船上没有完整的维修设备，一般都必须运送到船厂进行维修。这样一来对船舶的安全和经济效益都有很大的损失。如果在船舶上有一套能对船舶发电机进行实时监控的设备，能够立即分析出电机状态及发生的是什么类型的故障就能方便进 行及时的维修，减少经济损失。 本
11、课题正是基于以上所分析的内容，以船舶推进电机为对象，对监测系统的运行可能性进行研究并加以实现，保障船舶的安全运行和人员的生命财产安全，减少海上出现事故的可能性，降低运行费用，提高经济效益。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1987 年，特纳提出了电机状态监测的概念。 21 世纪以来，在船舶电机中状态监测技术已成了电机进一步发展的最重要任务之一。具体有两方面原因促成了这种需要：首先，应该说船舶电机设备是船舶的心脏，它的正常运行时保障船舶以及人身安全的的首要条件，如果电机发生故障， 尤其是正在海上运行的时候发生故障，其后果将是不堪设想的。这在当前竞争日趋激烈的环境下尤为显著，而设备本身价格就十分
12、昂贵并需要消耗大量维护费用，而电机状态监测技术的运用就可以大大降低意外事件的发生，减少损失，为延长机器运行寿命和保障运行安全提供了大量有参考和利用价值的信息。另外，计算机技术、传感器技术、信号处理技术以及各种新科技的发展使得对电机设备实施有效的状态监测成为可能。随着状态监测系统在可靠性、实时性、经济性和智能性方面的进一步提高，状态监测技术将在电力系统中获得广泛应用。然而，我们对状态监测的很多方面 仍了解不深，研究工作主要还是集中在监测系统的实时性、可靠性和灵敏度等方面。 所谓 状态监测可定义为一种监测机器运行特性的技术或过程，通过提取故障特征信号，分析被监测特性的变化或趋势，并发出预警是否有维
13、护需要。而对船舶电机的状态监测就是在船舶运行过程中，对船体中的电机进行实时监控，对其异常状况加以分析，及时地发出预警，告知船员和维修人员，保障安全，降低经济损失。从各种文献上可以知道，一个状态监测系统应该包括以下几个方面： 一、传感器，它用于把物理量转换成电信号。它的选择取决于监控方法和监控对象的选取。 二、数据 获取，获取的数据单元用于对来自传感器的信号进行放大和预处理。 三、故障检测和分析，故障检测的主要目的是发现电机内部预知的故障，以便给出报警信号并作进一步的分析和控制。当前有两种不同的故障检测方法：模型参考方法和特征提取。 3 四、 故障诊断 对已经确定的故障信号需要进一步处理以给出明
14、确的维护指示。 一般来说，状态监测可分为三个基本步骤：第一，数据采集；第二，数据分析及特征提取；第三，状态评估或故障诊断及分类。近 20 多年来，电机状态监测与故障诊断技术得到了快速的发展，国际大电网会议自 20 世纪 80 年代以来的历届年会中 ，也将电机的状态的监测和诊断列为旋转电机委员会的中心议题之一。国内外广大科研工作者纷纷致力于电机状态监测与故障诊断这一课题的研究。电机状态检测与故障诊断为电机维修工作提供了强大的技术支持，为实现电机预测维修提供了必要的前提条件和技术手段，在技术层面上使传统的预防维修上升到了预测维修的高度。 但电机状态检测与故障诊断研究尽管已经取得了一定的成就，而仍然
15、主要是以传统的陆用电机为主。而由于船舶电机工作的环境要比一般陆地条件恶劣得多，船舶存在着连续机械振动和冲击，经常处于倾斜和摇摆状态。而船体内部普遍温度高、湿度 大，空气中又含有盐雾、油雾等腐蚀和污染气体，特别是远洋船舶的环境气温变化更大，这些环境条件是一般陆用电机难以承受的。 在船舶电机领域，目前国内外对于船舶电机状态监测与诊断研究的应用相对少，并且受制于实船工作环境的限制，其研究结果一般仅限于实验平台上的短期演示，距离实用化的预测性维修还有一定距离，因此在具有更大应用前景上的研究才刚刚开始。 本课题研究的主要目的，正是从实用化的角度出发，深入地探讨和分析上述推进电机预测性维修所必须解决的关键
16、技术问题，研制面向过程、旨在保障安全运行的集中管理式推进电机在线状态 监测与诊断系统，实现船舶电机预测性维修，满足实际船舶电机运行的要求。 1.3 研究的基本内容，研究步骤、方法及措施 本课题主要研究内容为：以船 舶推进电机为对象，通过单片机对监测系统的运行可能性进行研究并加以实现，意在加强电机故障的可预见性，实行船舶推进电机预测性维修，保障船舶的安全运行，降低运行费用，提高经济效益。 研究内容一、船舶推进电机参数的监测 状态监测的方法依据状态检测手段的不同而分成：振动分析法、噪声监测法、 轴承回油温度及瓦块温度的监测 、压力监测法、油液分析法、轴位移监测法 等。课题将针对推进电机开展深入研究
17、，选择合适的监测方法，对温度等重要运行参数实行在线检测，并将就最佳参数条件的获得开展深入的基础研究。 （ 1）、电机周围环境的状态监测 从各种文献上可以知道，与陆用电机不同，船用电机所处的环境恶劣的多。它是处在高温、高湿 、有盐雾、油雾和霉菌、 易腐蚀、多震荡的环境中的。根据 我国钢质海船入级与建造规范规定 ,船舶电机应按环境温度为 45 ( 安装在机器处所的电机为 50 ) 来进行设计制造。特别是船用电机的绝缘层要采用耐潮湿、耐高温、耐油污等材料进行处理 ,并应加强绝缘处理 ,使电机在恶劣环境下仍有良好 的绝缘性能。另外规定还提到要对铭牌和电机的零部件等采用防腐蚀措施。船用电机必须能适应船舶
18、在恶劣海况下的倾斜、摇摆 ,能承受船舶正常营运所产生的振动和冲击 。因此对电机周围环境的监测是预测电机是否会发生故障的基础。 （ 2）、对电机的安全保护的状态检测 船舶电机由于处于比陆用电机更复杂和多变的环境，因此对它的保护就与陆用电机的保护大不相同。比如有对人身安全进行的保护接地和保护接零和使设备正常工作的工作保护等。4 综合所述 ,船舶电气系统接地的作用是 :保证人身安全和设备安全 ;减少电气干扰 ,保证电气设备正常工作 ;简化电网 ,节 约电缆。在这里监测系统所要监测的一般包括：接地电阻的变化 ,接地电极的腐蚀 ,接地系统各连接处的松动、脱离、接地线的折断。 （ 3）、电机内部故障和监测
19、方法 1、定子故障 ： 电机定子故障主要是由于绝缘破坏引起绕组匝间短路造成的。以及由于定子铁心过热，造成的铁心故障。 2、转子故障 ： 转子故障主要有转子导条断裂，转子绕组故障，这将引起转矩跳动，转速波动，转子振动以及过热等。 3、 轴承故障：电动机可靠性研究表明，轴承故障占所有机器故障的 40%以上。 4、气隙不均匀：气隙不均匀必须控制在一个可接受的水平上。 目前对于这 些故障的监测的方法一般有振动监测和电流监测。其中 振动监测可以发现电机内部的定子绕组或转子故障，三相电源不对称以及各种机械故障等问题。目前的研究表明定子电流监测能提供和振动监测一样多的检测信息。研究发现，对已知的振动频率而言
20、，定子电流的变化直接与振动幅度的变化有关。除了以上两种方法，近几年还产生了几种新的监测方法如导纳法、模式识别法和频谱分析法。 以上所述都是对即将展开的船舶推进电机状态监测系统研究方向的总结和概括，这方便研究人员把握总体方向，了解研究内容。 研究内容二、船舶推进电机运行故障诊断 按照诊断的方 法原理，目前常用的故障诊断可分为：时频诊断法、统计诊断法、信息理论分析法及其它人工智能法、模糊诊断、灰色系统理论诊断及集成化诊断。诊断结果将直接影响到后续的预测性维修决策。课题将编写参数计算软件得到功率、功率因数和力矩等参数，输出诊断结果，并通过显示模块在线显示出电机运行状态，为预测性维修提供实施依据。 研
21、究内容三、船舶推进电机故障可预见性维修 根据参数所显示的数据进行分析整理，诊断运行中出现的故障，评估电机当前运行的状态及将来可能产生的状态，并以此制定维修计划。 随着陆地上的资源开发殆尽，海洋这个占了地球 总面积 70%的地域便成了大家关注的焦点。 21 世纪是海洋的时代，人们想要开发海洋，船只是必不可少的。船体坚固，性能优良的船只，可以在勘探，运输，采集各方面发挥更好的作用。因此保障船只性能的优良成了关键。如何在浩瀚的大海中，不会因为一点小小的船只故障，造成重大损失成了人们关注的焦点。而电机作为每艘船只的核心部分，它的性能好坏，直接影响到了船只的整体。电机故障的监测和预警势在必行。因此国内外
22、越来越多的个人和团队加入到了监测系统的推行和研究当中，及时有效地知晓船舶电机的故障，对减少经济损失，夺得海上主动权有着决定性 的意义。 5 第 2 章 船舶推进电机监测系统参数与结构 2.1 电机参数检测方法介绍 船舶电机需要检测的参数主要有三个：电流，电压和温度。一般将这三个参数控制下正常的范围内，电机就不会出现故障。接下来介绍几种检测这些参数的新方法。 方法一、频谱分析法 船舶电机在发生某些故障前，在定子电流中都会伴有某种特定的频率故障特征信号，因此如果能检验出这些信号，就有可能判定电机隐藏的某种故障。如当鼠笼式异步电机的转子断条时，在定子电流中就会伴有（ 1-2S） f1 的信号分量。但
23、由于电网频率 f1 的窗函数分量泄漏很大，滑差 S 却 又很小，故障特征信号频率与噪声的频率就相差很小。因此，用一般的频谱分析方法，是检测不出的，但若将这一信号注入被测信号，前者的幅值、频率和初相角调整就可以刚好抵消大部分噪声，即频率为电网频率 f1 的分量，则显现在频谱上的故障特征信号就会非常清晰。 被检测的电机定子电流信号可用下列函数关心表示： ( ) ( ) ( )s t f t n t 其中： 2( ) sinf t F w t 为故障特征信号； 11( ) sin ( )n t N w t 为噪声信号。 为了抑制噪声，在频谱 图中清除显示故障信号，可以另外加入一个信号 m(t)，其是
24、与噪声信号具有相同频率的正弦信号。从而用来消除噪声信号。 方法二、模式识别法 一般从理论上说，电机正常运行时的频谱与带有故障征兆的频谱是不同的，如果将两者加以比较，就能检测到电机的某些故障。但是，这种直接比较的方法，就需要同时具备电机正常运行时的频谱和带有故障征兆时的频谱。要从纷杂的频谱图中辨别出某频率分量变化了多少也不是件容易的事情。因此，必须借助模式识别的数学方法来处理这些信号。然后，由计算机来判断电机是否出现了故障征兆。例如，异步电动机的 转子有静止的偏心时，定子电流中高频齿谐波的强度大大增加，这是因为转子每转一周齿槽导不均的缘故。同时引起定子机壳振动信号中高频分量有所增加。其中，机壳振
25、动信号可以作为在线监测异步电动机转子有无偏心的判据，判别的方法之一就是模式识别法。 为了进行模式识别，首先应将某异步电动机，在不同运行条件时有无偏心的机壳振动信号的若干组记录下来，再将这些信号经 A/D 转换后送到计算机中，通过一带通滤波器，得到某个频段振动信号的离散值 nL 。滤波器的频带与异步电机的齿槽数有关，可根 据文献提供的方法确定。 nL 是一种系统响应，为原始噪声 nX 激励系统模型所致，表达式为 总之，模式识别法是根据先验的数据后，将需要检验电机有无偏心的诺干机壳振动信号加以处理后，然后用决策阈值作为判据，判别电动机转子有无偏心的一种方法。 方法三、互感器测量法 互感器分为 电压互感器 和 电流互感器 两大类，其主要作用有： 将系统设备的电压、电流信息准确的传送到相关的设备当中去，并将大电压和大电流转变成为标准的电压和电流 值，使测量、计量仪表和继电器等装置标准化 ,并降低了对设备的绝缘要求； 这样做的目的是将设备与高电压和高电流隔离开来，从而更方便的进行下一步的工作。而测量用电流互感器 主要11mn i n n niL a I b X
