一種船舶動(dòng)力裝置監(jiān)控系統(tǒng)診斷儀的研制

朱增輝，郭文勇，孫云嶺，吳新躍

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

一種船舶動(dòng)力裝置監(jiān)控系統(tǒng)診斷儀的研制

朱增輝，郭文勇，孫云嶺，吳新躍

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

0 引言

艦船動(dòng)力裝置擔(dān)負(fù)著為艦船提供各種形式動(dòng)力的重任，一旦動(dòng)力裝置出現(xiàn)故障，對(duì)艦船整體性能的正常發(fā)揮會(huì)造成重大的影響［1］。因此，現(xiàn)代船舶的動(dòng)力裝置全部都配置有相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，動(dòng)力裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息通過傳感器，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊，傳遞給計(jì)算機(jī)。若傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)通道發(fā)生故障，傳遞出錯(cuò)誤的信息，就會(huì)對(duì)動(dòng)力裝置的運(yùn)行狀態(tài)做出錯(cuò)誤的評(píng)估，從而造成誤動(dòng)作，引發(fā)故障甚至危險(xiǎn)。許多船舶監(jiān)控系統(tǒng)自身帶有一定的自檢測(cè)、自診斷功能，但動(dòng)力裝置不工作或者監(jiān)控系統(tǒng)本身存在重大故障時(shí)，自帶的檢測(cè)診斷功能就無能為力了。因此，船舶監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)隨船配有相應(yīng)的診斷儀器。但診斷儀器的研制又存在著動(dòng)力裝置復(fù)雜、監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)繁多、信號(hào)檢測(cè)及處理困難等難點(diǎn)，且鮮有類似的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。因此，重點(diǎn)以某型船舶動(dòng)力裝置監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊為對(duì)象，完成監(jiān)控系統(tǒng)診斷儀的研制。

1 功能需求分析

船舶動(dòng)力裝置監(jiān)控系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)采集模塊有開關(guān)量模塊、模擬量模塊、熱電偶模塊、熱電阻模塊和脈沖量模塊。各模塊均由前端信號(hào)采集板與相同的CAN板構(gòu)成，將采集的數(shù)據(jù)通過下層現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸給路由器，由路由器通過上層現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。基于對(duì)模塊特點(diǎn)的分析，以上述5種數(shù)據(jù)采集模塊為對(duì)象，通過模擬相應(yīng)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集模塊前端信號(hào)采集板的輸入端，截取數(shù)據(jù)采集模塊CAN網(wǎng)輸出端輸出的信號(hào)，與模擬的傳感器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，即用特征比較法［2］來完成數(shù)據(jù)采集模塊的故障診斷。在判斷數(shù)據(jù)采集模塊健康的情況下，通過截取船舶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊CAN網(wǎng)輸出端輸出的傳感器信號(hào)，與標(biāo)準(zhǔn)的傳感器信號(hào)對(duì)比來判斷傳感器“健康”狀況。各模塊檢測(cè)的信號(hào)形式與采集數(shù)據(jù)部位如表1所示［3-4］。

表1 模塊類型及數(shù)據(jù)采集部位

綜合以上分析，提出診斷儀的主體功能需求為：

a.根據(jù)各模塊的特點(diǎn)，應(yīng)能模擬傳感器的信號(hào)，包括通斷信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)熱電阻信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)，并能根據(jù)需要調(diào)整模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的值。

b.具備傳感器數(shù)據(jù)采集模塊綜合診斷功能。

c.與數(shù)據(jù)采集模塊建立通信。

d.具備數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示及故障定位、報(bào)警的功能。

e.系統(tǒng)功能清晰，操作方便。

2 診斷儀硬件設(shè)計(jì)

診斷儀由硬件部分和軟件部分組成。檢測(cè)程序通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡，控制模擬傳感器信號(hào)電路工作。模擬傳感器信號(hào)電路所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，由模塊的CAN網(wǎng)輸出端向診斷儀的CAN通訊卡傳遞數(shù)據(jù)并反饋回工控主板，經(jīng)程序?qū)Ρ确治龊?，顯示診斷結(jié)果。

診斷儀硬件部分包括工控主板、液晶屏、觸摸屏、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、模擬傳感器信號(hào)電路、CAN通訊卡以及電源管理模塊。診斷儀硬件部分的模塊如圖1所示。

圖1 診斷儀硬件模塊

2.1 PCM-5830工控主板

PCM-5830采用的是嵌入式低功耗處理器（與Intel X86處理器兼容），充分考慮應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性，綜合多種措施而設(shè)計(jì)的一款能在多種應(yīng)用環(huán)境中安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的PC／104主板，是診斷儀進(jìn)行檢測(cè)、分析工作的硬件核心。PCM-5830板載有Intel X86 CPU，主頻800 MHz，256 MB DDR內(nèi)存，1個(gè)IDE和1個(gè)CF卡適配器接口，4個(gè)串口和4個(gè)USB2.0接口，1個(gè)LCD平板顯示器接口和1個(gè)CRT顯示器接口。

2.2 D／A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡

D／A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡按照程序設(shè)定輸出相應(yīng)電壓的模擬信號(hào)，提供給相應(yīng)模擬傳感器信號(hào)的模塊使用。這里選用USB5932數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡。USB5832是一種基于USB總線的12位、擁有8路模擬量輸出通道、6路數(shù)字量輸入通道、6路數(shù)字量輸出通道和1個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡。通過深入分析，結(jié)合診斷儀需求，取5路模擬量輸出通道作為5種傳感器模擬電路的信號(hào)源，取2路數(shù)字量輸出通道為報(bào)警、運(yùn)行指示燈提供信號(hào)。

2.3 開關(guān)量輸出電路

開關(guān)量輸出電路用于模擬開關(guān)量傳感器的通斷信號(hào)。模擬開關(guān)量電路如圖2所示，程序控制DA卡輸出電壓信號(hào)到IO01處。當(dāng)IO01輸入5 V電壓信號(hào)時(shí)，三極管8050處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器線圈得電，10腳和6腳導(dǎo)通，S201和S202之間輸出高電平；若IO01無信號(hào)輸入時(shí)，線圈失電，繼電器10腳和6腳斷開，輸出低電平。

圖2 模擬開關(guān)量電路原理

2.4 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻電路

標(biāo)準(zhǔn)熱電阻電路用于模擬熱電阻傳感器的輸出電路。如圖3所示，程序控制DA卡輸入電壓信號(hào)到IO00處。當(dāng)IO00無信號(hào)輸入時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，S301和S302之間的總阻值為145Ω，對(duì)應(yīng)于PT100的溫度為117.5℃［5］；若IO00輸入5 V電壓信號(hào)，繼電器線圈得電，6腳和10腳導(dǎo)通，S301和S302之間總阻值為120Ω，對(duì)應(yīng)于PT100的溫度為52.8℃。

圖3 模擬熱電阻電路原理

2.5 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路

電壓頻率轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，用于模擬轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)。LM331用作V／F轉(zhuǎn)換電路，其基本原理如圖4所示。電壓信號(hào)VF，經(jīng)V／F轉(zhuǎn)換電路后，從fout端輸出，輸出頻率fout隨輸入電壓VF的變化而變化，且存在如下關(guān)系：fout＝VFRs／（2.09RLRtCt）。式中電路轉(zhuǎn)換增益調(diào)整電阻阻值的表達(dá)式為Rs＝R16＋R15［6］，Rt、Ct分別為定時(shí)電阻和定時(shí)電容的值，RL為負(fù)載電阻阻值。

圖4 模擬頻率信號(hào)電路原理

2.6 模擬熱電偶信號(hào)電路

［5］可知，船舶設(shè)備常用的K型熱電偶，在1 200℃時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為50 m V左右。對(duì)于熱電偶模塊，采用直接將DA卡輸出信號(hào)源分壓來模擬熱電偶信號(hào)，接LM324構(gòu)成電壓跟隨電路。其基本原理如圖5所示。

圖5 模擬熱電偶信號(hào)電路

2.7 模擬壓力傳感器信號(hào)電路

壓力傳感器分為電流型和電壓型，常見的信號(hào)類型主要有0～5 V、4～20 m A等。通過調(diào)查分析，船用模擬量模塊采集的信號(hào)類型為4～20 m A電流，可通過加取樣電阻的方法轉(zhuǎn)換成電壓來檢測(cè)［7］。故本文只模擬電壓型的壓力傳感器。模擬壓力傳感器信號(hào)電路與圖5相似，去掉電阻R37、R38、R39，將DA卡輸出信號(hào)直接接入R21的左端。

3 診斷儀程序設(shè)計(jì)

本診斷儀的操作系統(tǒng)為Windows XP，檢測(cè)程序采用VC＋＋6.0進(jìn)行開發(fā)。此處以熱電阻模塊為例，對(duì)程序的設(shè)計(jì)流程做簡要說明。診斷儀的檢測(cè)程序包括自檢程序和數(shù)據(jù)采集模塊的檢測(cè)程序。

作為診斷設(shè)備，診斷儀不僅要對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行檢測(cè)，還應(yīng)具備開機(jī)自檢的功能，以防止診斷儀自身故障造成數(shù)據(jù)讀取失敗。自檢程序包括對(duì)CAN卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、工控主板液晶屏和觸摸屏等設(shè)備工作狀態(tài)的檢查，以確保診斷儀的正常運(yùn)行。

進(jìn)入檢測(cè)程序后，選擇熱電阻模塊。選擇參數(shù)118℃或者52℃，此時(shí)程序控制DA卡輸出不同的參數(shù)，以避免單一數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果精度的影響。對(duì)于熱電阻模塊，DA卡輸出0 V和5 V 2個(gè)參數(shù)。DA卡輸出參數(shù)通過模擬熱電阻信號(hào)電路后，電阻信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊的下層CAN網(wǎng)傳遞到診斷儀的CAN通訊卡，程序讀取CAN通訊卡數(shù)據(jù)，顯示采集的溫度值，并將該參數(shù)下模擬熱電阻信號(hào)電路電阻值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值與選擇的參數(shù)對(duì)比，并顯示結(jié)果。若對(duì)比結(jié)果不一致，程序控制DA卡輸出信號(hào)給報(bào)警指示燈報(bào)警。程序流程如圖6所示。

圖6 診斷儀程序流程

對(duì)于其他模塊，檢測(cè)程序流程基本相同，唯有模塊參數(shù)設(shè)置不同。對(duì)于開關(guān)量模塊設(shè)置“通”、“斷”2個(gè)參數(shù)。熱電偶模塊設(shè)置100℃、300℃、500℃3個(gè)參數(shù)；脈沖量設(shè)置100 r／min、300 r／min、500 r／min 3個(gè)參數(shù)；模擬量模塊設(shè)置1 V、2 V、3 V 3個(gè)參數(shù)。

4 結(jié)束語

從船舶監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷的實(shí)際需求出發(fā)，深入分析診斷儀的功能需求，提出了船舶動(dòng)力裝置數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)診斷儀的設(shè)計(jì)方案，并最終完成診斷儀的設(shè)計(jì)。測(cè)試表明，診斷儀的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。診斷儀運(yùn)行可靠、操作簡單、能快速并準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的短路、斷路等故障進(jìn)行診斷；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，攜帶方便，能很好地適應(yīng)船舶現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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Development of Diagnostic Instrument for Ship Propulsion Plant Monitoring System

ZHU Zenghui，GUO Wenyong，SUN Yunling，WU Xinyue
（College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

針對(duì)船舶動(dòng)力裝置監(jiān)控系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的診斷設(shè)備的問題，以監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊為對(duì)象，深入分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采集信號(hào)類型以及診斷儀的功能需求，提出了船舶動(dòng)力裝置監(jiān)控系統(tǒng)診斷儀的技術(shù)方案，并對(duì)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。最后，完成了對(duì)診斷儀的測(cè)試，結(jié)果表明該診斷儀對(duì)船舶監(jiān)控系統(tǒng)的診斷是可行且有效的。

船舶；動(dòng)力裝置；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集模塊；診斷儀

Based on the switch value module，analogue module，thermocouple module，thermal resistance module and impulse module of ship power plant monitoring system，after thorough analysis of signal types of modules and functional requirement of the instrument，a technical scheme of a diagnostic instrument is proposed and the hardware design of circuits and programming process analyzed and elaborated.Finally，a test is conducted on the instrument，and the result illustrates that the technical theme of the diagnostic instrument is feasible and effective.

ship；propulsion plant；monitoring system；data acquisition module；diagnose instrument

TP306.3

A

1001-2257（2015）09-0037-03

朱增輝（1988－），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事船舶機(jī)械故障診斷研究。

2015-05-11