航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)

段原昌

摘 要： 本文針對當(dāng)前機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測現(xiàn)狀，提出了機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，介紹了需要采集的參數(shù)以及信號采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對主要機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障進(jìn)行診斷的一套完整的系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以大大提高對航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測診斷效果，減少了大量不必要的檢修工作。

關(guān)鍵詞： 機(jī)電設(shè)備； 遠(yuǎn)程監(jiān)測； 故障診斷；開發(fā)研究

中圖分類號：U674.28 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）09-0050-04

傳統(tǒng)的船舶監(jiān)測管理方式存在著船舶與監(jiān)測中心脫節(jié)現(xiàn)象，以及信息滯后、監(jiān)測不力、反應(yīng)遲緩等弊端。船舶監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，在一定程度上克服了傳統(tǒng)船舶監(jiān)測管理方式的不足，實(shí)現(xiàn)了對船舶信息動態(tài)、及時、全面的監(jiān)測管理。而船舶動力機(jī)械作為船舶航行的“心臟”，直接影響到船舶的安全航行，因此加強(qiáng)對船舶動力機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。研究結(jié)果表明，船舶動力機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助船舶工作人員及時掌握船舶動力機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律，分析船舶的實(shí)時運(yùn)行狀況，而且遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以通過系統(tǒng)發(fā)送的動力機(jī)械運(yùn)行參數(shù)，輔助現(xiàn)場進(jìn)行初步的故障診斷，對于提高經(jīng)濟(jì)效益、社會效益具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船舶動力機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)需要綜合考慮船岸通信特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和通信資源，力求信息傳遞準(zhǔn)確、安全、可靠，系統(tǒng)使用要求簡潔實(shí)用、方便操作、維護(hù)簡單。根據(jù)船岸通信特點(diǎn)，船舶動力機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)分為三部分：現(xiàn)場信號采集處理、無線網(wǎng)絡(luò)通信和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心三部分，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1.1 現(xiàn)場信號采集處理

現(xiàn)場信號采集處理部分作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，硬件包括船舶現(xiàn)場的傳感器、信號采集模塊、RS-485總線和工控機(jī)。其中傳感器采集溫度、壓力、液位等模擬量信號，采集模塊采集上述傳感器的電流或者電壓信號，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過RS485通信發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。左右主機(jī)監(jiān)控儀、數(shù)據(jù)采集模塊都采用Modbus協(xié)議，由RS-485總線傳遞信號，現(xiàn)場RS-485設(shè)備組成星型總線結(jié)構(gòu)，采用輪詢機(jī)制，由工控機(jī)發(fā)送指令讀取總線上各設(shè)備的數(shù)據(jù)。運(yùn)行在工控機(jī)上的監(jiān)測系統(tǒng)軟件隊(duì)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并顯示在程序前面板上，同時對左右主機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行判斷，若超出報(bào)警界限值，則發(fā)出警報(bào)。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信

無線網(wǎng)絡(luò)通信部分作為現(xiàn)場信號采集處理部分與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心的鏈接紐帶，其作用是將現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。工控機(jī)通過RS-232通信接口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到3G網(wǎng)絡(luò)無線通信模塊DTU，DTU獲取數(shù)據(jù)后由3G模塊封裝成數(shù)據(jù)包，發(fā)送至3G網(wǎng)絡(luò)與 Internet 網(wǎng)絡(luò)上。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測中心

遠(yuǎn)程監(jiān)測中心位于航道管理部門監(jiān)測中心，通過ADSL與Internet連接，接收DTU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)場信號采集處理部分通過3G網(wǎng)絡(luò)將船舶動力機(jī)械工況監(jiān)測參數(shù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心服務(wù)器的不同端口，遠(yuǎn)程監(jiān)測中心通過偵聽不同的端口實(shí)現(xiàn)對多個船舶的同時監(jiān)測。

2 機(jī)電設(shè)備信號采集

信號采集是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷的基礎(chǔ)，通過這些參數(shù)，管理人員才能掌握機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況，而故障診斷模塊才能對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障診斷，發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備發(fā)生的存在的危險。航標(biāo)船的主要機(jī)電設(shè)備主要包括柴油發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、舵機(jī)、輔機(jī)等。需要監(jiān)測的參數(shù)如表1所示：

機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測硬件主要包括：傳感器、信號采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、工控機(jī)和DTU等。通信模塊的作用是將監(jiān)控儀的RS485通信接口轉(zhuǎn)換成RS232通信接口，從而將監(jiān)控儀監(jiān)測到的信號參數(shù)采集到工控機(jī)中。工控機(jī)的作用是對監(jiān)測到的信號進(jìn)行分析、處理，存儲和顯示狀態(tài)信息和故障信息，并且通過DTU將船上設(shè)備信息發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)端。

左右主機(jī)為柴油發(fā)動機(jī)，并且已有YPH-P 型柴油機(jī)控制箱對柴油發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫等進(jìn)行了監(jiān)測，因此對于控制箱已經(jīng)監(jiān)測了的參數(shù)本系統(tǒng)不再另外增加傳感器進(jìn)行信號采集，而是直接從控制箱中讀取?？刂葡渫ㄟ^串口線連接控制箱和工控機(jī)，根據(jù)控制箱協(xié)議發(fā)送通信命令，獲取發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)。

發(fā)電機(jī)為 MDKBR-1200133E 型柴油發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)監(jiān)測儀采用的是 CAN 通訊。由于發(fā)電機(jī)監(jiān)測儀對所需監(jiān)測的發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)都已進(jìn)行了監(jiān)測，因此本系統(tǒng)只需要從發(fā)電機(jī)監(jiān)測儀預(yù)留的通訊接口中讀取數(shù)據(jù)。發(fā)電機(jī)監(jiān)測儀預(yù)留的 CAN 通信接口通過 CAN 轉(zhuǎn) USB 模塊轉(zhuǎn)換成 USB 通信接口與工控機(jī)相連。使用J1939協(xié)議對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，即可得到發(fā)電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。

本文還需要對排氣溫度、舵機(jī)壓力進(jìn)行監(jiān)測，排氣溫度使用熱電偶采集排氣口處的溫度，后接熱電偶變送器將熱電偶采集到的信號變換成4-20ma的電流信號，舵機(jī)壓力使用壓力傳感變送器采集，壓力傳感變送器輸出的也是4-20ma的電流信號。工控機(jī)上沒有模擬量信號接口不能和這些設(shè)備直接相連，需要通過ADAM4117進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換成，ADAM4117使用RS485連接到工控機(jī)，即可得到舵機(jī)和排氣口的狀態(tài)參數(shù)。

3 機(jī)電設(shè)備故障診斷設(shè)計(jì)

航標(biāo)船的機(jī)電設(shè)備故障主要包括柴油機(jī)故障和發(fā)電機(jī)故障，其中發(fā)電機(jī)由于自身使用J1939協(xié)議進(jìn)行通信，該協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)中不僅發(fā)電機(jī)狀態(tài)參數(shù)，同時也包含了發(fā)電機(jī)的故障，通過對數(shù)據(jù)的解析我們可以得到發(fā)電機(jī)的故障情況。而柴油機(jī)使用的監(jiān)控儀只傳輸了柴油發(fā)動機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，故障情況需要使用故障診斷方法監(jiān)測，主要過程包括：信號監(jiān)測、特征提取、狀態(tài)識別和診斷決策等過程。

3.1 信號監(jiān)測

柴油機(jī)故障診斷的第一步是利用傳感器采集柴油機(jī)的狀態(tài)參數(shù)和振動信號等參數(shù)。因?yàn)椴裼蜋C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件互相影響，柴油機(jī)的故障表現(xiàn)和故障原因之間存在復(fù)雜的模糊對應(yīng)關(guān)系，因此進(jìn)行柴油機(jī)故障診斷的過程中需要監(jiān)測的參數(shù)很多，主要可以分為狀態(tài)參數(shù)和振動參數(shù)。柴油機(jī)故障診斷所需監(jiān)測的參數(shù)及相應(yīng)的傳感器如表1所示。endprint

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過給監(jiān)控儀發(fā)送命令碼可以獲取。而柴油機(jī)缸蓋振動信號和缸體振動信號通過在柴油機(jī)缸蓋和缸體上安裝加速度傳感器來得到。

3.2 特征提取

柴油機(jī)的狀態(tài)參數(shù)可以直接反映柴油機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，而無需進(jìn)行特征提取。而非狀態(tài)參數(shù)并不能直接反映出柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障及故障原因，但其特征參數(shù)包含著重要的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息。因此，在進(jìn)行柴油機(jī)故障診斷時需對柴油機(jī)的非狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行特征提取。主要的非狀態(tài)參數(shù)主要有：瞬時轉(zhuǎn)速信號和振動信號。由于柴油機(jī)振動激勵源多，監(jiān)測的振動信息包括有各種成份和干擾，噪聲夾雜在信號中。因此，在利用局域波對振動信號進(jìn)行特征提取之前必須對振動信號進(jìn)行去噪處理，提高信噪比和時頻分析的準(zhǔn)確性。而小波去噪是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號信噪分離的理想工具。因此對振動信號進(jìn)行局域波法的特征提取之前需先對信號進(jìn)行小波去噪處理。

綜上所述，對柴油機(jī)振動信號的處理主要步驟是先對信號進(jìn)行小波去噪處理，然后利用局域波法對振動信號進(jìn)行特征提取，根據(jù)提取的特征參數(shù)判斷出柴油機(jī)的故障信息。

3.3 狀態(tài)識別

狀態(tài)識別指的是根據(jù)傳感器監(jiān)測到的柴油機(jī)狀態(tài)參數(shù)判斷出柴油機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，這是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息融合，從而判斷柴油機(jī)故障的前提。柴油機(jī)的狀態(tài)參數(shù)指的是可以直接反映柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而不需要進(jìn)行特征提取的參數(shù)，如油溫、油壓、冷卻水溫等參數(shù)。柴油機(jī)的狀態(tài)參數(shù)在出廠前都經(jīng)過測試，形成了性能指標(biāo)。因此，可以將測試值作為參考值，在進(jìn)行狀態(tài)識別時將實(shí)際監(jiān)測值與參考值相比較，識別出相應(yīng)的故障。

3.4 診斷決策

柴油機(jī)是一個十分復(fù)雜的非線性動力系統(tǒng)，激勵和響應(yīng)具有非線性和非平穩(wěn)性。從系統(tǒng)的角度看，柴油機(jī)系統(tǒng)又可細(xì)分為多個小的子系統(tǒng)：燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)等五大系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)之間是相互聯(lián)系相互影響的。由于零部件很多，一個故障源的故障在傳播路徑上會遇到其他故障源的干擾和故障疊加；另一方面，同一個故障源的故障會沿著不同的傳播路徑傳播。因此造成了柴油機(jī)故障源與故障的表現(xiàn)形式并不是一對一的簡單映射關(guān)系，不僅存在著一個故障源多個故障表現(xiàn)形式（一對多）的現(xiàn)象。正是由于柴油故障源與故障表現(xiàn)形式之間的這種復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系，如何通過機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，識別故障類型，分析故障原因，是柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。由于柴油機(jī)故障診斷需采集的信號參數(shù)很多，因此必須采用一種合適的信息融合方法提高信息融合的速度和準(zhǔn)確性。因此，本文采用基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)故障診斷。

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的基本思想是首先n個傳感器各自分別對多個目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。然后將采集到的狀態(tài)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，對信號進(jìn)行特征提取，分別得到各參數(shù)的故障信息估計(jì)值。將第一個傳感器的估計(jì)值x1與第二個傳感器的估計(jì)值x2進(jìn)行融合，得出融合結(jié)果 x12。再把 x12與第三個傳感器的估計(jì)值 相融合得到融合結(jié)果x123 。以此類推，直到實(shí)現(xiàn) n個傳感器估計(jì)值的融合，從而得出最終的故障診斷結(jié)果。其具體過程如圖3所示。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并對數(shù)據(jù)保存和處理，為管理人員掌握航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括界面設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的處理和存儲。主界面上需要顯示的信息包括：設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)走勢、歷史數(shù)據(jù)查詢和專家系統(tǒng)。因此，人機(jī)界面上分為五大顯示模塊，通過標(biāo)簽頁實(shí)現(xiàn)不同顯示模塊間的劃分，通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽頁的切換。在每一個界面模塊上又分為各子區(qū)域。其中，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)頁面包括左右主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)顯示，包括轉(zhuǎn)速、油溫、油壓、水溫等參數(shù)。故障報(bào)警模塊包括報(bào)警指示燈顯示、故障信息和維修建議。數(shù)據(jù)走勢界面以曲線的形式顯示設(shè)備轉(zhuǎn)速、油壓和冷卻水溫的運(yùn)行趨勢。歷史數(shù)據(jù)查詢提供根據(jù)日期和時間進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印的功能。報(bào)表打印功能使程序可以通過與工控機(jī)相連的打印機(jī)將查詢到的數(shù)據(jù)打印出來。在專家系統(tǒng)界面用戶可以通過手工輸入或從文件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，專家系統(tǒng)根據(jù)輸入或?qū)氲臄?shù)據(jù)結(jié)合專家知識庫進(jìn)行故障診斷，并將診斷的結(jié)果顯示在界面。系統(tǒng)功能圖如圖4所示。

航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖5所示，主界面是機(jī)電設(shè)備監(jiān)測界面。在主界面的左上方顯示有當(dāng)前接收數(shù)據(jù)的時間，在主界面的右下方是功能切換按鈕，通過選擇可以切換到狀態(tài)監(jiān)測界面、故障報(bào)警界面、查詢打印界面。

在主界面中，當(dāng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行正常的情況下，“運(yùn)行”指示燈顯示綠色；當(dāng)機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障時，“運(yùn)行”指示變暗，“故障”指示燈顯示紅色。主界面中包含了主機(jī)、發(fā)電機(jī)、舵機(jī)等機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，通過儀表控件顯示。

用戶切換到“故障報(bào)警”界面時，可以查看詳細(xì)的故障信息，如圖6所示。該界面中包含主機(jī)的故障信息，并給出故障原因以及維修建議。

5 結(jié) 論

航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對主要機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障進(jìn)行診斷的一套完整的系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以大大增強(qiáng)對航標(biāo)船機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測診斷效果，減少了大量不必要的檢修工作。

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（本文作者為長江瀘州航道局局長）endprint