船舶動力裝置可組態智能故障診斷系統設計

劉峻華 孟清正 楊 濤 張聘亭

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074

船舶動力裝置可組態智能故障診斷系統設計

劉峻華1孟清正1楊 濤2張聘亭2

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074

旋轉機械是許多船舶動力裝置的核心設備，其設備狀態與安全性直接關系到船舶航行的安全。為了保障船舶安全正常航行，針對當前船舶動力裝置故障診斷系統的不足，研究開發了基于旋轉機械監測診斷技術、數據庫技術、網絡技術以及組態式軟件技術的船舶動力裝置可組態智能故障診斷系統，介紹了該系統的體系結構、硬件結構、軟件功能、網絡技術及特點。該故障診斷系統只需修改少量配置文件即可實現對不同船舶動力裝置的監測診斷，具有較高的靈活性和可擴展性。

旋轉機械；可組態；故障診斷；船舶動力裝置

1 引言

隨著船舶動力裝置大型化、自動化、高速化和復雜化程度的不斷提高，故障診斷和維修難度日益加大，傳統的依靠艦上人員力量進行檢測和故障診斷的方式已不能滿足實際需要。因此，運用先進的狀態監測和故障診斷技術對船舶動力裝置進行全面的在線監測和故障診斷，對于降低事故、保障船舶動力裝置運行安全具有重要作用。目前，已有部分故障診斷系統應用到了船舶動力裝置上，但通常都是只針對某一個特定的診斷對象 （多以柴油機為主）［1－5］，且使用的診斷方法也比較單一，如文獻［6－9］是使用神經網絡對船舶動力設備進行故障診斷，文獻［10］將專家系統應用到了船舶輔機設備的故障發現和處置中。而船舶動力裝置因結構復雜，種類繁多，造成了現有故障診斷系統使用上的局限性，即當診斷對象改變或需要改變診斷方法時，就需要重新開發系統，造成了人力和財力上的極大浪費。因此，本文設計了船舶動力裝置可組態智能故障診斷系統，開發了船用故障診斷通用平臺，可解決當前診斷系統上的弊端。

2 可組態在線系統需求分析

對船舶動力裝置的運動特性和故障表現進行深入分析，便可知可組態智能故障診斷系統應具有如下功能：

1）軟、硬件分離。對于一個可組態系統，軟、硬件是要求系統軟件功能不受終端硬件平臺的變化影響，用戶更換硬件后，經過簡單的安裝和配置即可重新運行本系統。

2）系統分析診斷功能可定制。由于船舶動力裝置設備繁多，不同的設備其振動分析診斷手段也不盡相同，因此，系統允許用戶添加刪除連接在系統中的設備數目，同時，可對連接在系統中的設備的振動測點以及工藝測點進行更改配置，可以選擇相應的分析診斷模塊進行組態。完成組態工作后，可對系統打包再發布。

3）海量數據優化管理。對于大型船舶而言，其振動測點較多，且需要長時間地保存 （至少一年）數據以了解設備的運行狀況，進而實現設備的狀態監測并正確進行故障診斷。因此，需要對海量數據進行優化管理。

4）系統權限管理。包括系統登錄和密碼管理，此功能能保證系統的穩定運行以及數據安全。系統按照最終使用方的管理要求對不同的崗位、用戶授以不同的權限，以方便各個不同崗位的操作人員能方便地使用該系統。

5）系統免維護或少維護。系統自身是可靠的，能長時間運行，在出現軟件故障后能自動重啟，出現硬件故障后能自動提示運行人員更換硬件。

6）系統可擴展。

7）遠程訪問功能。授權用戶可以在船舶局域網內或任何能訪問Internet的地方，通過Web方式進入振動監測和故障診斷系統，以監視診斷船舶動力裝置的運行狀態。

3 系統體系結構

3.1 系統網絡拓撲結構

本系統采用Internet廣域網技術在船舶內部組建局域網，并通過無線網絡與internet相連接。圖1為本監測診斷系統的網絡結構圖。可組態監測診斷系統分布于圖中的數據和應用服務器之上。服務器位于船舶局域網內，數據采集工作站從船舶動力設備中布置的傳感器內采集各種運行數據，并按照需求進行整理，然后，通過高速局域網發送至服務器，分別存放于實時數據庫和歷史數據庫中，以供遠程監測診斷系統使用。

3.2 數據采集器

采集器的硬件如圖2所示。數據采集器采用跟蹤抗混濾波技術對信號進行低通濾波。跟蹤抗混濾波技術采用的是特殊設計的八階橢圓低通濾波器，該濾波器的拐點頻率f0可通過改變時鐘脈沖頻率fc任意設定 （濾波器的拐點頻率可在10 Hz和500 kHz之間任意設置）。

3.3 緩沖接口

設計系統軟硬件緩沖接口的主要目的是為了保證數據采集器（下位機）和應用服務器（上位機）之間的無縫連接，因此，緩沖接口的主要任務是實現采集器與數據庫服務器之間可靠的數據傳輸，并在收到數據包后對數據包進行解析。該緩沖接口需保證實時性和數據完整性要求。

本文系統依照基于TCP／IP協議的SOCKET編程的基本原理，使用Delphi自帶的TClientSocket模型設計了該緩沖接口層，滿足了診斷數據傳遞的實時性和完整性要求。在緩沖接口層設計中，上位機作為客戶端（Client）在需要傳輸數據時向下位機請求建立連接，而下位機作為SOCKET通訊的服務器，在接收到上位機的請求后向上位機傳遞數據。

4 系統軟件功能的設計實現

4.1 分析診斷功能設計

根據系統體系結構，設計了Web子系統、監測子系統、診斷處置子系統、數據庫伺服子系統及系統組態和再發布子系統。Web子系統提供人機交互界面。監測子系統提供FFT，SFFT、軸心軌跡、趨勢分析、起停分析和小波分析等分析診斷模塊，以供用戶分析機組的運行狀態并進行超限報警。診斷處置子系統幫助用戶確定設備故障的性質、程度、類別和部位，并指明故障發展的趨勢。數據庫伺服子系統為上述功能模塊與數據庫之間提供安全可靠的數據服務。系統組態和再發布子系統提供最終的系統組態和打包。

圖3所示為系統各模塊功能圖，包括基本監測分析工具（主監測圖、振動棒圖、時域波形、頻譜分析、相關分析、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、倒譜分析和包絡分析等）、非穩態過程分析工具（小波分時尺度矩、Wigner分析、短時FFT變換）以及矢量分析工具（包括矢量譜、進動譜、矢功率譜）。另外，還包括報警模塊、專家系統和動平衡模塊。所提供的專家診斷系統能夠完成旋轉機械基本故障的分析和初步診斷，包括不平衡、不對中、支座松動、動靜摩擦、軸裂紋、軸瓦損壞、熱變形以及油膜渦動等。動平衡計算附帶配重分解、試重參考、結果優化等工具，最多可支持6平面11測點的平衡。

4.2 系統組態設計

在船舶動力裝置中有大量的旋轉機械設備，對于每一臺設備的監測要求以及診斷手段，都不完全相同，因此，對于船舶動力設備的智能化故障診斷系統，要求其對于不同的設備可以提供不同的監測方案以及分析診斷工具。傳統的狀態監測和故障診斷系統是針對某一具體的設備，其測點的布置、數據采集和管理工作與硬件密切相關，不能完全適應船舶動力裝置中復雜多變的情況。而工控組態軟件在工控領域的成功應用則為組態式監測診斷軟件的開發提供了很好的思路。組態軟件與其它應用軟件的區別在于，其工作部件是可以選擇的，且部件的參數也是可以選擇的，用這種“柔性化”方法開發的工控軟件具有很好的開發效率，并且能很好地適應外部環境的變化。目前，工控組態軟件的組態方式主要有表格法、階梯圖法和組態字法。組態表格法簡單直觀，是采用人機對話填寫有提示的表格來生成滿足用戶需求的功能。階梯圖法開發的難度較高，其是以繪圖的方式來生成應用系統，如MATLAB、LABVIEW開發系統等均是采用這種方法。相比而言，組態字法就難以掌握和交流，它是以填寫對每位都有特定含義的二進制字節來進行組態，這種方法不是中間轉換，只是將這些二進制組態字節送到現場設備上來實現組態功能。

考慮到三種方法實現的難易程度以及船舶動力裝置可組態監測診斷系統組態過程中需要人工交互，本文系統采用組態表格法與階梯圖法相結合的方法對系統進行組態，其組態工作流程如圖4所示。本系統以相同生產流程的設備組為一個單元，對設備組的監測功能集中管理。組態過程中，首先需對單元進行組態，添加、修改或刪除相應的機組設備，生成最終用戶的機組設備數據庫表交付最終用戶。然后，再對設備測點進行組態。設備測點組態允許對該臺設備的振動測點和工藝測點進行添加、修改或刪除，最終生成供用戶使用的振動測點數據表。工藝測點組態過程與振動測點組態過程類似。

5 系統實現

本系統已實現并已投入運行。通過這樣一套系統，可以將船舶動力裝置系統中的若干重要設備，如主推進汽輪機、汽輪發電機組、汽輪給水機組等關系到船舶安全運行的核心設備進行統一監測管理，這不僅有利于及時發現設備故障，而且還可長期存儲設備的運行數據，用以分析設備的運行趨勢，對設備運行狀態進行初步評估，從而對設備的安全穩定運行起保障作用。圖5為本系統應用于艦船蒸汽輪機的主監視圖。

6 結束語

本文根據船舶動力裝置監測診斷系統的發展趨勢，采用基于Web的三層分布式應用程序實現了船舶動力裝置可組態遠程監測和診斷系統。該監測診斷系統基于組態軟件技術，無需編程改動，只需修改少量配置文件即可實現對不同的船舶動力裝置的監測診斷。

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［2］ 李宏坤，馬孝江，蔡悅，等.柴油機在線監測與故障診斷系統［J］.起重運輸機械，2003（3）：25－28.

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［9］ 竇金生，湯天浩.基于知識的故障診斷技術及其在船舶上的應用［J］.船舶工程，2007，29（4）：72－74，27.

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

Liu Jun－hua1 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”預研項目

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