船舶動(dòng)力裝置可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉峻華 孟清正 楊 濤 張聘亭

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

船舶動(dòng)力裝置可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉峻華1孟清正1楊 濤2張聘亭2

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是許多船舶動(dòng)力裝置的核心設(shè)備，其設(shè)備狀態(tài)與安全性直接關(guān)系到船舶航行的安全。為了保障船舶安全正常航行，針對(duì)當(dāng)前船舶動(dòng)力裝置故障診斷系統(tǒng)的不足，研究開(kāi)發(fā)了基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及組態(tài)式軟件技術(shù)的船舶動(dòng)力裝置可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及特點(diǎn)。該故障診斷系統(tǒng)只需修改少量配置文件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同船舶動(dòng)力裝置的監(jiān)測(cè)診斷，具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械；可組態(tài)；故障診斷；船舶動(dòng)力裝置

1 引言

隨著船舶動(dòng)力裝置大型化、自動(dòng)化、高速化和復(fù)雜化程度的不斷提高，故障診斷和維修難度日益加大，傳統(tǒng)的依靠艦上人員力量進(jìn)行檢測(cè)和故障診斷的方式已不能滿足實(shí)際需要。因此，運(yùn)用先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)對(duì)船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行全面的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷，對(duì)于降低事故、保障船舶動(dòng)力裝置運(yùn)行安全具有重要作用。目前，已有部分故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用到了船舶動(dòng)力裝置上，但通常都是只針對(duì)某一個(gè)特定的診斷對(duì)象 （多以柴油機(jī)為主）［1－5］，且使用的診斷方法也比較單一，如文獻(xiàn)［6－9］是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船舶動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行故障診斷，文獻(xiàn)［10］將專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用到了船舶輔機(jī)設(shè)備的故障發(fā)現(xiàn)和處置中。而船舶動(dòng)力裝置因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類(lèi)繁多，造成了現(xiàn)有故障診斷系統(tǒng)使用上的局限性，即當(dāng)診斷對(duì)象改變或需要改變?cè)\斷方法時(shí)，就需要重新開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，造成了人力和財(cái)力上的極大浪費(fèi)。因此，本文設(shè)計(jì)了船舶動(dòng)力裝置可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了船用故障診斷通用平臺(tái)，可解決當(dāng)前診斷系統(tǒng)上的弊端。

2 可組態(tài)在線系統(tǒng)需求分析

對(duì)船舶動(dòng)力裝置的運(yùn)動(dòng)特性和故障表現(xiàn)進(jìn)行深入分析，便可知可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：

1）軟、硬件分離。對(duì)于一個(gè)可組態(tài)系統(tǒng)，軟、硬件是要求系統(tǒng)軟件功能不受終端硬件平臺(tái)的變化影響，用戶更換硬件后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的安裝和配置即可重新運(yùn)行本系統(tǒng)。

2）系統(tǒng)分析診斷功能可定制。由于船舶動(dòng)力裝置設(shè)備繁多，不同的設(shè)備其振動(dòng)分析診斷手段也不盡相同，因此，系統(tǒng)允許用戶添加刪除連接在系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)目，同時(shí)，可對(duì)連接在系統(tǒng)中的設(shè)備的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)以及工藝測(cè)點(diǎn)進(jìn)行更改配置，可以選擇相應(yīng)的分析診斷模塊進(jìn)行組態(tài)。完成組態(tài)工作后，可對(duì)系統(tǒng)打包再發(fā)布。

3）海量數(shù)據(jù)優(yōu)化管理。對(duì)于大型船舶而言，其振動(dòng)測(cè)點(diǎn)較多，且需要長(zhǎng)時(shí)間地保存 （至少一年）數(shù)據(jù)以了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)并正確進(jìn)行故障診斷。因此，需要對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化管理。

4）系統(tǒng)權(quán)限管理。包括系統(tǒng)登錄和密碼管理，此功能能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)按照最終使用方的管理要求對(duì)不同的崗位、用戶授以不同的權(quán)限，以方便各個(gè)不同崗位的操作人員能方便地使用該系統(tǒng)。

5）系統(tǒng)免維護(hù)或少維護(hù)。系統(tǒng)自身是可靠的，能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在出現(xiàn)軟件故障后能自動(dòng)重啟，出現(xiàn)硬件故障后能自動(dòng)提示運(yùn)行人員更換硬件。

6）系統(tǒng)可擴(kuò)展。

7）遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能。授權(quán)用戶可以在船舶局域網(wǎng)內(nèi)或任何能訪問(wèn)Internet的地方，通過(guò)Web方式進(jìn)入振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，以監(jiān)視診斷船舶動(dòng)力裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用Internet廣域網(wǎng)技術(shù)在船舶內(nèi)部組建局域網(wǎng)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與internet相連接。圖1為本監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。可組態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)分布于圖中的數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)器之上。服務(wù)器位于船舶局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)采集工作站從船舶動(dòng)力設(shè)備中布置的傳感器內(nèi)采集各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，并按照需求進(jìn)行整理，然后，通過(guò)高速局域網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器，分別存放于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)使用。

3.2 數(shù)據(jù)采集器

采集器的硬件如圖2所示。數(shù)據(jù)采集器采用跟蹤抗混濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。跟蹤抗混濾波技術(shù)采用的是特殊設(shè)計(jì)的八階橢圓低通濾波器，該濾波器的拐點(diǎn)頻率f0可通過(guò)改變時(shí)鐘脈沖頻率fc任意設(shè)定 （濾波器的拐點(diǎn)頻率可在10 Hz和500 kHz之間任意設(shè)置）。

3.3 緩沖接口

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件緩沖接口的主要目的是為了保證數(shù)據(jù)采集器（下位機(jī)）和應(yīng)用服務(wù)器（上位機(jī)）之間的無(wú)縫連接，因此，緩沖接口的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)采集器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并在收到數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。該緩沖接口需保證實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)完整性要求。

本文系統(tǒng)依照基于TCP／IP協(xié)議的SOCKET編程的基本原理，使用Delphi自帶的TClientSocket模型設(shè)計(jì)了該緩沖接口層，滿足了診斷數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性和完整性要求。在緩沖接口層設(shè)計(jì)中，上位機(jī)作為客戶端（Client）在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)向下位機(jī)請(qǐng)求建立連接，而下位機(jī)作為SOCKET通訊的服務(wù)器，在接收到上位機(jī)的請(qǐng)求后向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 分析診斷功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了Web子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、診斷處置子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)伺服子系統(tǒng)及系統(tǒng)組態(tài)和再發(fā)布子系統(tǒng)。Web子系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面。監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)提供FFT，SFFT、軸心軌跡、趨勢(shì)分析、起停分析和小波分析等分析診斷模塊，以供用戶分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行超限報(bào)警。診斷處置子系統(tǒng)幫助用戶確定設(shè)備故障的性質(zhì)、程度、類(lèi)別和部位，并指明故障發(fā)展的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)庫(kù)伺服子系統(tǒng)為上述功能模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)之間提供安全可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)組態(tài)和再發(fā)布子系統(tǒng)提供最終的系統(tǒng)組態(tài)和打包。

圖3所示為系統(tǒng)各模塊功能圖，包括基本監(jiān)測(cè)分析工具（主監(jiān)測(cè)圖、振動(dòng)棒圖、時(shí)域波形、頻譜分析、相關(guān)分析、軸心軌跡、軸心位置等）、啟停分析工具（BODE圖、瀑布圖（三維譜圖））、滾珠軸承和齒輪箱分析工具（幅值域指標(biāo)、倒譜分析和包絡(luò)分析等）、非穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析工具（小波分時(shí)尺度矩、Wigner分析、短時(shí)FFT變換）以及矢量分析工具（包括矢量譜、進(jìn)動(dòng)譜、矢功率譜）。另外，還包括報(bào)警模塊、專(zhuān)家系統(tǒng)和動(dòng)平衡模塊。所提供的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)能夠完成旋轉(zhuǎn)機(jī)械基本故障的分析和初步診斷，包括不平衡、不對(duì)中、支座松動(dòng)、動(dòng)靜摩擦、軸裂紋、軸瓦損壞、熱變形以及油膜渦動(dòng)等。動(dòng)平衡計(jì)算附帶配重分解、試重參考、結(jié)果優(yōu)化等工具，最多可支持6平面11測(cè)點(diǎn)的平衡。

4.2 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

在船舶動(dòng)力裝置中有大量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，對(duì)于每一臺(tái)設(shè)備的監(jiān)測(cè)要求以及診斷手段，都不完全相同，因此，對(duì)于船舶動(dòng)力設(shè)備的智能化故障診斷系統(tǒng)，要求其對(duì)于不同的設(shè)備可以提供不同的監(jiān)測(cè)方案以及分析診斷工具。傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)是針對(duì)某一具體的設(shè)備，其測(cè)點(diǎn)的布置、數(shù)據(jù)采集和管理工作與硬件密切相關(guān)，不能完全適應(yīng)船舶動(dòng)力裝置中復(fù)雜多變的情況。而工控組態(tài)軟件在工控領(lǐng)域的成功應(yīng)用則為組態(tài)式監(jiān)測(cè)診斷軟件的開(kāi)發(fā)提供了很好的思路。組態(tài)軟件與其它應(yīng)用軟件的區(qū)別在于，其工作部件是可以選擇的，且部件的參數(shù)也是可以選擇的，用這種“柔性化”方法開(kāi)發(fā)的工控軟件具有很好的開(kāi)發(fā)效率，并且能很好地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。目前，工控組態(tài)軟件的組態(tài)方式主要有表格法、階梯圖法和組態(tài)字法。組態(tài)表格法簡(jiǎn)單直觀，是采用人機(jī)對(duì)話填寫(xiě)有提示的表格來(lái)生成滿足用戶需求的功能。階梯圖法開(kāi)發(fā)的難度較高，其是以繪圖的方式來(lái)生成應(yīng)用系統(tǒng)，如MATLAB、LABVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等均是采用這種方法。相比而言，組態(tài)字法就難以掌握和交流，它是以填寫(xiě)對(duì)每位都有特定含義的二進(jìn)制字節(jié)來(lái)進(jìn)行組態(tài)，這種方法不是中間轉(zhuǎn)換，只是將這些二進(jìn)制組態(tài)字節(jié)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上來(lái)實(shí)現(xiàn)組態(tài)功能。

考慮到三種方法實(shí)現(xiàn)的難易程度以及船舶動(dòng)力裝置可組態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)組態(tài)過(guò)程中需要人工交互，本文系統(tǒng)采用組態(tài)表格法與階梯圖法相結(jié)合的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，其組態(tài)工作流程如圖4所示。本系統(tǒng)以相同生產(chǎn)流程的設(shè)備組為一個(gè)單元，對(duì)設(shè)備組的監(jiān)測(cè)功能集中管理。組態(tài)過(guò)程中，首先需對(duì)單元進(jìn)行組態(tài)，添加、修改或刪除相應(yīng)的機(jī)組設(shè)備，生成最終用戶的機(jī)組設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)表交付最終用戶。然后，再對(duì)設(shè)備測(cè)點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)。設(shè)備測(cè)點(diǎn)組態(tài)允許對(duì)該臺(tái)設(shè)備的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和工藝測(cè)點(diǎn)進(jìn)行添加、修改或刪除，最終生成供用戶使用的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表。工藝測(cè)點(diǎn)組態(tài)過(guò)程與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)組態(tài)過(guò)程類(lèi)似。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)并已投入運(yùn)行。通過(guò)這樣一套系統(tǒng)，可以將船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)中的若干重要設(shè)備，如主推進(jìn)汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組、汽輪給水機(jī)組等關(guān)系到船舶安全運(yùn)行的核心設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)管理，這不僅有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，而且還可長(zhǎng)期存儲(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，用以分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步評(píng)估，從而對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行起保障作用。圖5為本系統(tǒng)應(yīng)用于艦船蒸汽輪機(jī)的主監(jiān)視圖。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)船舶動(dòng)力裝置監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，采用基于Web的三層分布式應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了船舶動(dòng)力裝置可組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)基于組態(tài)軟件技術(shù)，無(wú)需編程改動(dòng)，只需修改少量配置文件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的船舶動(dòng)力裝置的監(jiān)測(cè)診斷。

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Design of the Configurable Intelligent Fault Diagnosis System of Marine Power Plant

Liu Jun－h(huán)ua1 Meng Qing－zheng1 Yang Tao2 Zhang Pin－ting2

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

2 School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

The rotating machines，whose status and performance will have direct connection with the security of ship navigation，are the key components of many marine power plants.Because of deficiency of present fault diagnosis system，a configurable intelligent fault diagnosis system of marine power plant was developed to insure the security of ship navigation.The system combined monitoring and diagnosis of rotating machine with database，network and configurable software technologies.The architecture，hardware，software and the networks of system were introduced.Presenting high flexibility and extensibility，the system can achieve the monitoring and diagnosis of different marine power plants，only by modifying some configuration files.

rotating machinery；configurable；fault diagnosis；marine power plant

U664.1

A

1673－3185（2011）02－77－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.016

2010-03-17

“十一·五”預(yù)研項(xiàng)目

劉峻華（1966－），男，博士，工程師。研究方向：船舶動(dòng)力裝置研究與設(shè)計(jì)。E-mail：liujh73＠sina.com