航标船机电设备远程监测与故障诊断系统开发
段原昌
摘 要： 本文针对当前机电设备的监测现状，提出了机电设备远程监测与故障诊断系统的总体结构，介绍了需要采集的参数以及信号采集系统的硬件设计。航标船机电设备远程监测与故障诊断系统实现了对主要机电设备的状态进行实时监测和对机电设备运行故障进行诊断的一套完整的系统，利用该系统可以大大提高对航标船机电设备的监测诊断效果，减少了大量不必要的检修工作。
关键词： 机电设备； 远程监测； 故障诊断；开发研究
中图分类号：U674.28 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）09-0050-04
传统的船舶监测管理方式存在着船舶与监测中心脱节现象，以及信息滞后、监测不力、反应迟缓等弊端。船舶监测系统的出现，在一定程度上克服了传统船舶监测管理方式的不足，实现了对船舶信息动态、及时、全面的监测管理。而船舶动力机械作为船舶航行的“心脏”，直接影响到船舶的安全航行，因此加强对船舶动力机械监测系统的研究显得尤为重要。研究结果表明，船舶动力机械监测系统可以帮助船舶工作人员及时掌握船舶动力机械设备的运行规律，分析船舶的实时运行状况，而且远程技术人员可以通过系统发送的动力机械运行参数，辅助现场进行初步的故障诊断，对于提高经济效益、社会效益具有重要的意义。
1 系统总体设计
本文设计的船舶动力机械监测系统需要综合考虑船岸通信特点，充分利用现有的网络和通信资源，力求信息传递准确、安全、可靠，系统使用要求简洁实用、方便操作、维护简单。根据船岸通信特点，船舶动力机械监测系统分为三部分：现场信号采集处理、无线网络通信和远程监测中心三部分，系统总体框架如图1所示。
1.1 现场信号采集处理
现场信号采集处理部分作为整个系统的数据来源，硬件包括船舶现场的传感器、信号采集模块、RS-485总线和工控机。其中传感器采集温度、压力、液位等模拟量信号，采集模块采集上述传感器的电流或者电压信号，将其转化成数字信号，并通过RS485通信发送到计算机中。左右主机监控仪、数据采集模块都采用Modbus协议，由RS-485总线传递信号，现场RS-485设备组成星型总线结构，采用轮询机制，由工控机发送指令读取总线上各设备的数据。运行在工控机上的监测系统软件队对采集的数据进行相应的处理，并显示在程序前面板上，同时对左右主机的主要运行参数进行判断，若超出报警界限值，则发出警报。
1.2 无线网络通信
无线网络通信部分作为现场信号采集处理部分与远程监测中心的链接纽带，其作用是将现场监测系统的数据发送到远程监控中心。工控机通过RS-232通信接口将处理后的数据发送到3G网络无线通信模块DTU，DTU获取数据后由3G模块封装成数据包，发送至3G网络与 Internet 网络上。
1.3 远程监测中心
远程监测中心位于航道管理部门监测中心，通过ADSL与Internet连接，接收DTU传输的数据，存入数据库。现场信号采集处理部分通过3G网络将船舶动力机械工况监测参数发送至远程监测中心服务器的不同端口，远程监测中心通过侦听不同的端口实现对多个船舶的同时监测。
2 机电设备信号采集
信号采集是实现远程监测和故障诊断的基础，通过这些参数，管理人员才能掌握机电设备的运行状况，而故障诊断模块才能对机电设备进行故障诊断，发现机电设备发生的存在的危险。航标船的主要机电设备主要包括柴油发动机、发电机、舵机、辅机等。需要监测的参数如表1所示：
机电设备远程监测硬件主要包括：传感器、信号采集模块、数据通信模块、工控机和DTU等。通信模块的作用是将监控仪的RS485通信接口转换成RS232通信接口，从而将监控仪监测到的信号参数采集到工控机中。工控机的作用是对监测到的信号进行分析、处理，存储和显示状态信息和故障信息，并且通过DTU将船上设备信息发送到远程数据端。
左右主机为柴油发动机，并且已有YPH-P 型柴油机控制箱对柴油发动机的运行参数，如柴油机转速、冷却水温等进行了监测，因此对于控制箱已经监测了的参数本系统不再另外增加传感器进行信号采集，而是直接从控制箱中读取。控制箱通过串口线连接控制箱和工控机，根据控制箱协议发送通信命令，获取发动机状态参数。
发电机为 MDKBR-1200133E 型柴油发电机，发电机监测仪采用的是 CAN 通讯。由于发电机监测仪对所需监测的发电机运行参数都已进行了监测，因此本系统只需要从发电机监测仪预留的通讯接口中读取数据。发电机监测仪预留的 CAN 通信接口通过 CAN 转 USB 模块转换成 USB 通信接口与工控机相连。使用J1939协议对获取的数据进行解析，即可得到发电机的状态参数。
本文还需要对排气温度、舵机压力进行监测，排气温度使用热电偶采集排气口处的温度，后接热电偶变送器将热电偶采集到的信号变换成4-20ma的电流信号，舵机压力使用压力传感变送器采集，压力传感变送器输出的也是4-20ma的电流信号。工控机上没有模拟量信号接口不能和这些设备直接相连，需要通过ADAM4117进行模拟量转换成，ADAM4117使用RS485连接到工控机，即可得到舵机和排气口的状态参数。
3 机电设备故障诊断设计
航标船的机电设备故障主要包括柴油机故障和发电机故障，其中发电机由于自身使用J1939协议进行通信，该协议在传输数据中不仅发电机状态参数，同时也包含了发电机的故障，通过对数据的解析我们可以得到发电机的故障情况。而柴油机使用的监控仪只传输了柴油发动机的状态参数，故障情况需要使用故障诊断方法监测，主要过程包括：信号监测、特征提取、状态识别和诊断决策等过程。
3.1 信号监测
柴油機故障诊断的第一步是利用传感器采集柴油机的状态参数和振动信号等参数。因为柴油机内部结构复杂，构件互相影响，柴油机的故障表现和故障原因之间存在复杂的模糊对应关系，因此进行柴油机故障诊断的过程中需要监测的参数很多，主要可以分为状态参数和振动参数。柴油机故障诊断所需监测的参数及相应的传感器如表1所示。
柴油机转速数据通过给监控仪发送命令码可以获取。而柴油机缸盖振动信号和缸体振动信号通过在柴油机缸盖和缸体上安装加速度传感器来得到。
3.2 特征提取
柴油机的状态参数可以直接反映柴油机的当前状态，而无需进行特征提取。而非状态参数并不能直接反映出柴油机的运行状态、故障及故障原因，但其特征参数包含着重要的运行状态信息和故障信息。因此，在进行柴油机故障诊断时需对柴油机的非状态参数进行特征提取。主要的非状态参数主要有：瞬时转速信号和振动信号。由于柴油机振动激励源多，监测的振动信息包括有各种成份和干扰，噪声夹杂在信号中。因此，在利用局域波对振动信号进行特征提取之前必须对振动信号进行去噪处理，提高信噪比和时频分析的准确性。而小波去噪是一种实现复杂信号信噪分离的理想工具。因此对振动信号进行局域波法的特征提取之前需先对信号进行小波去噪处理。
综上所述，对柴油机振动信号的处理主要步骤是先对信号进行小波去噪处理，然后利用局域波法对振动信号进行特征提取，根据提取的特征参数判断出柴油机的故障信息。
3.3 状态识别
状态识别指的是根据传感器监测到的柴油机状态参数判断出柴油机当前的运行状态，这是利用神经网络进行信息融合，从而判断柴油机故障的前提。柴油机的状态参数指的是可以直接反映柴油机运行状态而不需要进行特征提取的参数，如油温、油压、冷却水温等参数。柴油机的状态参数在出厂前都经过测试，形成了性能指标。因此，可以将测试值作为参考值，在进行状态识别时将实际监测值与参考值相比较，识别出相应的故障。
3.4 诊断决策
柴油机是一个十分复杂的非线性动力系统，激励和响应具有非线性和非平稳性。从系统的角度看，柴油机系统又可细分为多個小的子系统：燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动系统和进排气系统等五大系统。这些子系统之间是相互联系相互影响的。由于零部件很多，一个故障源的故障在传播路径上会遇到其他故障源的干扰和故障叠加；另一方面，同一个故障源的故障会沿着不同的传播路径传播。因此造成了柴油机故障源与故障的表现形式并不是一对一的简单映射关系，不仅存在着一个故障源多个故障表现形式（一对多）的现象。正是由于柴油故障源与故障表现形式之间的这种复杂对应关系，如何通过机电设备的状态参数，识别故障类型，分析故障原因，是柴油机故障诊断系统的关键所在。由于柴油机故障诊断需采集的信号参数很多，因此必须采用一种合适的信息融合方法提高信息融合的速度和准确性。因此，本文采用基于模糊神经网络方法实现故障诊断。
基于模糊神经网络方法的基本思想是首先n个传感器各自分别对多个目标进行监测。然后将采集到的状态参数与标准值进行比较，对信号进行特征提取，分别得到各参数的故障信息估计值。将第一个传感器的估计值x1与第二个传感器的估计值x2进行融合，得出融合结果 x12。再把 x12与第三个传感器的估计值 相融合得到融合结果x123 。以此类推，直到实现 n个传感器估计值的融合，从而得出最终的故障诊断结果。其具体过程如图3所示。
4 远程监控中心系统设计
远程监测中心系统软件对接收到的数据进行解析，并对数据保存和处理，为管理人员掌握航标船机电设备运行状态提供依据。系统设计主要包括界面设计以及数据的处理和存储。主界面上需要显示的信息包括：设备运行状态、故障报警、数据走势、历史数据查询和专家系统。因此，人机界面上分为五大显示模块，通过标签页实现不同显示模块间的划分，通过点击相应的按钮实现标签页的切换。在每一个界面模块上又分为各子区域。其中，设备运行状态页面包括左右主机和柴油发电机的主要运行参数显示，包括转速、油温、油压、水温等参数。故障报警模块包括报警指示灯显示、故障信息和维修建议。数据走势界面以曲线的形式显示设备转速、油压和冷却水温的运行趋势。历史数据查询提供根据日期和时间进行数据查询和报表打印的功能。报表打印功能使程序可以通过与工控机相连的打印机将查询到的数据打印出来。在专家系统界面用户可以通过手工输入或从文件中导入数据，专家系统根据输入或导入的数据结合专家知识库进行故障诊断，并将诊断的结果显示在界面。系统功能图如图4所示。
航标船机电设备远程监测与故障诊断系统运行主界面如图5所示，主界面是机电设备监测界面。在主界面的左上方显示有当前接收数据的时间，在主界面的右下方是功能切换按钮，通过选择可以切换到状态监测界面、故障报警界面、查询打印界面。
在主界面中，当机电设备运行正常的情况下，“运行”指示灯显示绿色；当机电设备发生故障时，“运行”指示变暗，“故障”指示灯显示红色。主界面中包含了主机、发电机、舵机等机电设备的状态参数，通过仪表控件显示。
用户切换到“故障报警”界面时，可以查看详细的故障信息，如图6所示。该界面中包含主机的故障信息，并给出故障原因以及维修建议。
5 结 论
航标船机电设备远程监测与故障诊断系统实现了对主要机电设备的状态进行实时监测和对机电设备运行故障进行诊断的一套完整的系统，利用该系统可以大大增强对航标船机电设备的监测诊断效果，减少了大量不必要的检修工作。
参考文献：
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（本文作者为长江泸州航道局局长）
