航標船機電設備遠程監測與故障診斷系統開發

段原昌

摘 要： 本文針對當前機電設備的監測現狀，提出了機電設備遠程監測與故障診斷系統的總體結構，介紹了需要采集的參數以及信號采集系統的硬件設計。航標船機電設備遠程監測與故障診斷系統實現了對主要機電設備的狀態進行實時監測和對機電設備運行故障進行診斷的一套完整的系統，利用該系統可以大大提高對航標船機電設備的監測診斷效果，減少了大量不必要的檢修工作。

關鍵詞： 機電設備； 遠程監測； 故障診斷；開發研究

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

傳統的船舶監測管理方式存在著船舶與監測中心脫節現象，以及信息滯后、監測不力、反應遲緩等弊端。船舶監測系統的出現，在一定程度上克服了傳統船舶監測管理方式的不足，實現了對船舶信息動態、及時、全面的監測管理。而船舶動力機械作為船舶航行的“心臟”，直接影響到船舶的安全航行，因此加強對船舶動力機械監測系統的研究顯得尤為重要。研究結果表明，船舶動力機械監測系統可以幫助船舶工作人員及時掌握船舶動力機械設備的運行規律，分析船舶的實時運行狀況，而且遠程技術人員可以通過系統發送的動力機械運行參數，輔助現場進行初步的故障診斷，對于提高經濟效益、社會效益具有重要的意義。

1 系統總體設計

本文設計的船舶動力機械監測系統需要綜合考慮船岸通信特點，充分利用現有的網絡和通信資源，力求信息傳遞準確、安全、可靠，系統使用要求簡潔實用、方便操作、維護簡單。根據船岸通信特點，船舶動力機械監測系統分為三部分：現場信號采集處理、無線網絡通信和遠程監測中心三部分，系統總體框架如圖1所示。

1.1 現場信號采集處理

現場信號采集處理部分作為整個系統的數據來源，硬件包括船舶現場的傳感器、信號采集模塊、RS-485總線和工控機。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，將其轉化成數字信號，并通過RS485通信發送到計算機中。左右主機監控儀、數據采集模塊都采用Modbus協議，由RS-485總線傳遞信號，現場RS-485設備組成星型總線結構，采用輪詢機制，由工控機發送指令讀取總線上各設備的數據。運行在工控機上的監測系統軟件隊對采集的數據進行相應的處理，并顯示在程序前面板上，同時對左右主機的主要運行參數進行判斷，若超出報警界限值，則發出警報。

1.2 無線網絡通信

無線網絡通信部分作為現場信號采集處理部分與遠程監測中心的鏈接紐帶，其作用是將現場監測系統的數據發送到遠程監控中心。工控機通過RS-232通信接口將處理后的數據發送到3G網絡無線通信模塊DTU，DTU獲取數據后由3G模塊封裝成數據包，發送至3G網絡與 Internet 網絡上。

1.3 遠程監測中心

遠程監測中心位于航道管理部門監測中心，通過ADSL與Internet連接，接收DTU傳輸的數據，存入數據庫。現場信號采集處理部分通過3G網絡將船舶動力機械工況監測參數發送至遠程監測中心服務器的不同端口，遠程監測中心通過偵聽不同的端口實現對多個船舶的同時監測。

2 機電設備信號采集

信號采集是實現遠程監測和故障診斷的基礎，通過這些參數，管理人員才能掌握機電設備的運行狀況，而故障診斷模塊才能對機電設備進行故障診斷，發現機電設備發生的存在的危險。航標船的主要機電設備主要包括柴油發動機、發電機、舵機、輔機等。需要監測的參數如表1所示：

機電設備遠程監測硬件主要包括：傳感器、信號采集模塊、數據通信模塊、工控機和DTU等。通信模塊的作用是將監控儀的RS485通信接口轉換成RS232通信接口，從而將監控儀監測到的信號參數采集到工控機中。工控機的作用是對監測到的信號進行分析、處理，存儲和顯示狀態信息和故障信息，并且通過DTU將船上設備信息發送到遠程數據端。

左右主機為柴油發動機，并且已有YPH-P 型柴油機控制箱對柴油發動機的運行參數，如柴油機轉速、冷卻水溫等進行了監測，因此對于控制箱已經監測了的參數本系統不再另外增加傳感器進行信號采集，而是直接從控制箱中讀取。控制箱通過串口線連接控制箱和工控機，根據控制箱協議發送通信命令，獲取發動機狀態參數。

發電機為 MDKBR-1200133E 型柴油發電機，發電機監測儀采用的是 CAN 通訊。由于發電機監測儀對所需監測的發電機運行參數都已進行了監測，因此本系統只需要從發電機監測儀預留的通訊接口中讀取數據。發電機監測儀預留的 CAN 通信接口通過 CAN 轉 USB 模塊轉換成 USB 通信接口與工控機相連。使用J1939協議對獲取的數據進行解析，即可得到發電機的狀態參數。

本文還需要對排氣溫度、舵機壓力進行監測，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。工控機上沒有模擬量信號接口不能和這些設備直接相連，需要通過ADAM4117進行模擬量轉換成，ADAM4117使用RS485連接到工控機，即可得到舵機和排氣口的狀態參數。

3 機電設備故障診斷設計

航標船的機電設備故障主要包括柴油機故障和發電機故障，其中發電機由于自身使用J1939協議進行通信，該協議在傳輸數據中不僅發電機狀態參數，同時也包含了發電機的故障，通過對數據的解析我們可以得到發電機的故障情況。而柴油機使用的監控儀只傳輸了柴油發動機的狀態參數，故障情況需要使用故障診斷方法監測，主要過程包括：信號監測、特征提取、狀態識別和診斷決策等過程。

3.1 信號監測

柴油機故障診斷的第一步是利用傳感器采集柴油機的狀態參數和振動信號等參數。因為柴油機內部結構復雜，構件互相影響，柴油機的故障表現和故障原因之間存在復雜的模糊對應關系，因此進行柴油機故障診斷的過程中需要監測的參數很多，主要可以分為狀態參數和振動參數。柴油機故障診斷所需監測的參數及相應的傳感器如表1所示。endprint

柴油機轉速數據通過給監控儀發送命令碼可以獲取。而柴油機缸蓋振動信號和缸體振動信號通過在柴油機缸蓋和缸體上安裝加速度傳感器來得到。

3.2 特征提取

柴油機的狀態參數可以直接反映柴油機的當前狀態，而無需進行特征提取。而非狀態參數并不能直接反映出柴油機的運行狀態、故障及故障原因，但其特征參數包含著重要的運行狀態信息和故障信息。因此，在進行柴油機故障診斷時需對柴油機的非狀態參數進行特征提取。主要的非狀態參數主要有：瞬時轉速信號和振動信號。由于柴油機振動激勵源多，監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行特征提取之前必須對振動信號進行去噪處理，提高信噪比和時頻分析的準確性。而小波去噪是一種實現復雜信號信噪分離的理想工具。因此對振動信號進行局域波法的特征提取之前需先對信號進行小波去噪處理。

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

3.3 狀態識別

狀態識別指的是根據傳感器監測到的柴油機狀態參數判斷出柴油機當前的運行狀態，這是利用神經網絡進行信息融合，從而判斷柴油機故障的前提。柴油機的狀態參數指的是可以直接反映柴油機運行狀態而不需要進行特征提取的參數，如油溫、油壓、冷卻水溫等參數。柴油機的狀態參數在出廠前都經過測試，形成了性能指標。因此，可以將測試值作為參考值，在進行狀態識別時將實際監測值與參考值相比較，識別出相應的故障。

3.4 診斷決策

柴油機是一個十分復雜的非線性動力系統，激勵和響應具有非線性和非平穩性。從系統的角度看，柴油機系統又可細分為多個小的子系統：燃油系統、冷卻系統、潤滑系統、啟動系統和進排氣系統等五大系統。這些子系統之間是相互聯系相互影響的。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。因此造成了柴油機故障源與故障的表現形式并不是一對一的簡單映射關系，不僅存在著一個故障源多個故障表現形式（一對多）的現象。正是由于柴油故障源與故障表現形式之間的這種復雜對應關系，如何通過機電設備的狀態參數，識別故障類型，分析故障原因，是柴油機故障診斷系統的關鍵所在。由于柴油機故障診斷需采集的信號參數很多，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確性。因此，本文采用基于模糊神經網絡方法實現故障診斷。

基于模糊神經網絡方法的基本思想是首先n個傳感器各自分別對多個目標進行監測。然后將采集到的狀態參數與標準值進行比較，對信號進行特征提取，分別得到各參數的故障信息估計值。將第一個傳感器的估計值x1與第二個傳感器的估計值x2進行融合，得出融合結果 x12。再把 x12與第三個傳感器的估計值 相融合得到融合結果x123 。以此類推，直到實現 n個傳感器估計值的融合，從而得出最終的故障診斷結果。其具體過程如圖3所示。

4 遠程監控中心系統設計

遠程監測中心系統軟件對接收到的數據進行解析，并對數據保存和處理，為管理人員掌握航標船機電設備運行狀態提供依據。系統設計主要包括界面設計以及數據的處理和存儲。主界面上需要顯示的信息包括：設備運行狀態、故障報警、數據走勢、歷史數據查詢和專家系統。因此，人機界面上分為五大顯示模塊，通過標簽頁實現不同顯示模塊間的劃分，通過點擊相應的按鈕實現標簽頁的切換。在每一個界面模塊上又分為各子區域。其中，設備運行狀態頁面包括左右主機和柴油發電機的主要運行參數顯示，包括轉速、油溫、油壓、水溫等參數。故障報警模塊包括報警指示燈顯示、故障信息和維修建議。數據走勢界面以曲線的形式顯示設備轉速、油壓和冷卻水溫的運行趨勢。歷史數據查詢提供根據日期和時間進行數據查詢和報表打印的功能。報表打印功能使程序可以通過與工控機相連的打印機將查詢到的數據打印出來。在專家系統界面用戶可以通過手工輸入或從文件中導入數據，專家系統根據輸入或導入的數據結合專家知識庫進行故障診斷，并將診斷的結果顯示在界面。系統功能圖如圖4所示。

航標船機電設備遠程監測與故障診斷系統運行主界面如圖5所示，主界面是機電設備監測界面。在主界面的左上方顯示有當前接收數據的時間，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監測界面、故障報警界面、查詢打印界面。

在主界面中，當機電設備運行正常的情況下，“運行”指示燈顯示綠色；當機電設備發生故障時，“運行”指示變暗，“故障”指示燈顯示紅色。主界面中包含了主機、發電機、舵機等機電設備的狀態參數，通過儀表控件顯示。

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

5 結 論

航標船機電設備遠程監測與故障診斷系統實現了對主要機電設備的狀態進行實時監測和對機電設備運行故障進行診斷的一套完整的系統，利用該系統可以大大增強對航標船機電設備的監測診斷效果，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