船舶动力装置可组态智能故障诊断系统设计

刘峻华 孟清正 杨 涛 张聘亭

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074

船舶动力装置可组态智能故障诊断系统设计

刘峻华1孟清正1杨 涛2张聘亭2

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074

旋转机械是许多船舶动力装置的核心设备，其设备状态与安全性直接关系到船舶航行的安全。为了保障船舶安全正常航行，针对当前船舶动力装置故障诊断系统的不足，研究开发了基于旋转机械监测诊断技术、数据库技术、网络技术以及组态式软件技术的船舶动力装置可组态智能故障诊断系统，介绍了该系统的体系结构、硬件结构、软件功能、网络技术及特点。该故障诊断系统只需修改少量配置文件即可实现对不同船舶动力装置的监测诊断，具有较高的灵活性和可扩展性。

旋转机械；可组态；故障诊断；船舶动力装置

1 引言

随着船舶动力装置大型化、自动化、高速化和复杂化程度的不断提高，故障诊断和维修难度日益加大，传统的依靠舰上人员力量进行检测和故障诊断的方式已不能满足实际需要。因此，运用先进的状态监测和故障诊断技术对船舶动力装置进行全面的在线监测和故障诊断，对于降低事故、保障船舶动力装置运行安全具有重要作用。目前，已有部分故障诊断系统应用到了船舶动力装置上，但通常都是只针对某一个特定的诊断对象 （多以柴油机为主）［1－5］，且使用的诊断方法也比较单一，如文献［6－9］是使用神经网络对船舶动力设备进行故障诊断，文献［10］将专家系统应用到了船舶辅机设备的故障发现和处置中。而船舶动力装置因结构复杂，种类繁多，造成了现有故障诊断系统使用上的局限性，即当诊断对象改变或需要改变诊断方法时，就需要重新开发系统，造成了人力和财力上的极大浪费。因此，本文设计了船舶动力装置可组态智能故障诊断系统，开发了船用故障诊断通用平台，可解决当前诊断系统上的弊端。

2 可组态在线系统需求分析

对船舶动力装置的运动特性和故障表现进行深入分析，便可知可组态智能故障诊断系统应具有如下功能：

1）软、硬件分离。对于一个可组态系统，软、硬件是要求系统软件功能不受终端硬件平台的变化影响，用户更换硬件后，经过简单的安装和配置即可重新运行本系统。

2）系统分析诊断功能可定制。由于船舶动力装置设备繁多，不同的设备其振动分析诊断手段也不尽相同，因此，系统允许用户添加删除连接在系统中的设备数目，同时，可对连接在系统中的设备的振动测点以及工艺测点进行更改配置，可以选择相应的分析诊断模块进行组态。完成组态工作后，可对系统打包再发布。

3）海量数据优化管理。对于大型船舶而言，其振动测点较多，且需要长时间地保存 （至少一年）数据以了解设备的运行状况，进而实现设备的状态监测并正确进行故障诊断。因此，需要对海量数据进行优化管理。

4）系统权限管理。包括系统登录和密码管理，此功能能保证系统的稳定运行以及数据安全。系统按照最终使用方的管理要求对不同的岗位、用户授以不同的权限，以方便各个不同岗位的操作人员能方便地使用该系统。

5）系统免维护或少维护。系统自身是可靠的，能长时间运行，在出现软件故障后能自动重启，出现硬件故障后能自动提示运行人员更换硬件。

6）系统可扩展。

7）远程访问功能。授权用户可以在船舶局域网内或任何能访问Internet的地方，通过Web方式进入振动监测和故障诊断系统，以监视诊断船舶动力装置的运行状态。

3 系统体系结构

3.1 系统网络拓扑结构

本系统采用Internet广域网技术在船舶内部组建局域网，并通过无线网络与internet相连接。图1为本监测诊断系统的网络结构图。可组态监测诊断系统分布于图中的数据和应用服务器之上。服务器位于船舶局域网内，数据采集工作站从船舶动力设备中布置的传感器内采集各种运行数据，并按照需求进行整理，然后，通过高速局域网发送至服务器，分别存放于实时数据库和历史数据库中，以供远程监测诊断系统使用。

3.2 数据采集器

采集器的硬件如图2所示。数据采集器采用跟踪抗混滤波技术对信号进行低通滤波。跟踪抗混滤波技术采用的是特殊设计的八阶椭圆低通滤波器，该滤波器的拐点频率f0可通过改变时钟脉冲频率fc任意设定 （滤波器的拐点频率可在10 Hz和500 kHz之间任意设置）。

3.3 缓冲接口

设计系统软硬件缓冲接口的主要目的是为了保证数据采集器（下位机）和应用服务器（上位机）之间的无缝连接，因此，缓冲接口的主要任务是实现采集器与数据库服务器之间可靠的数据传输，并在收到数据包后对数据包进行解析。该缓冲接口需保证实时性和数据完整性要求。

本文系统依照基于TCP／IP协议的SOCKET编程的基本原理，使用Delphi自带的TClientSocket模型设计了该缓冲接口层，满足了诊断数据传递的实时性和完整性要求。在缓冲接口层设计中，上位机作为客户端（Client）在需要传输数据时向下位机请求建立连接，而下位机作为SOCKET通讯的服务器，在接收到上位机的请求后向上位机传递数据。

4 系统软件功能的设计实现

4.1 分析诊断功能设计

根据系统体系结构，设计了Web子系统、监测子系统、诊断处置子系统、数据库伺服子系统及系统组态和再发布子系统。Web子系统提供人机交互界面。监测子系统提供FFT，SFFT、轴心轨迹、趋势分析、起停分析和小波分析等分析诊断模块，以供用户分析机组的运行状态并进行超限报警。诊断处置子系统帮助用户确定设备故障的性质、程度、类别和部位，并指明故障发展的趋势。数据库伺服子系统为上述功能模块与数据库之间提供安全可靠的数据服务。系统组态和再发布子系统提供最终的系统组态和打包。

图3所示为系统各模块功能图，包括基本监测分析工具（主监测图、振动棒图、时域波形、频谱分析、相关分析、轴心轨迹、轴心位置等）、启停分析工具（BODE图、瀑布图（三维谱图））、滚珠轴承和齿轮箱分析工具（幅值域指标、倒谱分析和包络分析等）、非稳态过程分析工具（小波分时尺度矩、Wigner分析、短时FFT变换）以及矢量分析工具（包括矢量谱、进动谱、矢功率谱）。另外，还包括报警模块、专家系统和动平衡模块。所提供的专家诊断系统能够完成旋转机械基本故障的分析和初步诊断，包括不平衡、不对中、支座松动、动静摩擦、轴裂纹、轴瓦损坏、热变形以及油膜涡动等。动平衡计算附带配重分解、试重参考、结果优化等工具，最多可支持6平面11测点的平衡。

4.2 系统组态设计

在船舶动力装置中有大量的旋转机械设备，对于每一台设备的监测要求以及诊断手段，都不完全相同，因此，对于船舶动力设备的智能化故障诊断系统，要求其对于不同的设备可以提供不同的监测方案以及分析诊断工具。传统的状态监测和故障诊断系统是针对某一具体的设备，其测点的布置、数据采集和管理工作与硬件密切相关，不能完全适应船舶动力装置中复杂多变的情况。而工控组态软件在工控领域的成功应用则为组态式监测诊断软件的开发提供了很好的思路。组态软件与其它应用软件的区别在于，其工作部件是可以选择的，且部件的参数也是可以选择的，用这种“柔性化”方法开发的工控软件具有很好的开发效率，并且能很好地适应外部环境的变化。目前，工控组态软件的组态方式主要有表格法、阶梯图法和组态字法。组态表格法简单直观，是采用人机对话填写有提示的表格来生成满足用户需求的功能。阶梯图法开发的难度较高，其是以绘图的方式来生成应用系统，如MATLAB、LABVIEW开发系统等均是采用这种方法。相比而言，组态字法就难以掌握和交流，它是以填写对每位都有特定含义的二进制字节来进行组态，这种方法不是中间转换，只是将这些二进制组态字节送到现场设备上来实现组态功能。

考虑到三种方法实现的难易程度以及船舶动力装置可组态监测诊断系统组态过程中需要人工交互，本文系统采用组态表格法与阶梯图法相结合的方法对系统进行组态，其组态工作流程如图4所示。本系统以相同生产流程的设备组为一个单元，对设备组的监测功能集中管理。组态过程中，首先需对单元进行组态，添加、修改或删除相应的机组设备，生成最终用户的机组设备数据库表交付最终用户。然后，再对设备测点进行组态。设备测点组态允许对该台设备的振动测点和工艺测点进行添加、修改或删除，最终生成供用户使用的振动测点数据表。工艺测点组态过程与振动测点组态过程类似。

5 系统实现

本系统已实现并已投入运行。通过这样一套系统，可以将船舶动力装置系统中的若干重要设备，如主推进汽轮机、汽轮发电机组、汽轮给水机组等关系到船舶安全运行的核心设备进行统一监测管理，这不仅有利于及时发现设备故障，而且还可长期存储设备的运行数据，用以分析设备的运行趋势，对设备运行状态进行初步评估，从而对设备的安全稳定运行起保障作用。图5为本系统应用于舰船蒸汽轮机的主监视图。

6 结束语

本文根据船舶动力装置监测诊断系统的发展趋势，采用基于Web的三层分布式应用程序实现了船舶动力装置可组态远程监测和诊断系统。该监测诊断系统基于组态软件技术，无需编程改动，只需修改少量配置文件即可实现对不同的船舶动力装置的监测诊断。

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［8］ 孟宪尧，韩新洁，孟松.优化的BP网络在船舶故障诊断中的应用［J］.中国航海，2007（2）：85－88.

［9］ 窦金生，汤天浩.基于知识的故障诊断技术及其在船舶上的应用［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”预研项目

刘峻华（1966－），男，博士，工程师。研究方向：船舶动力装置研究与设计。E-mail：liujh73＠sina.com