關(guān)　念，王鴻鵬（. 中國船舶重工集團(tuán)公司，北京 00097；. 中船重工遠(yuǎn)舟（北京）科技有限公司，北京 0086）

船舶機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)研究

關(guān)念1，王鴻鵬2
（1. 中國船舶重工集團(tuán)公司，北京 100097；2. 中船重工遠(yuǎn)舟（北京）科技有限公司，北京 100861）

對我國船舶機(jī)艙自動化的發(fā)展歷程進(jìn)行全面闡述，根據(jù)現(xiàn)代船舶機(jī)艙自動化的特點來解析我國船舶機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題和矛盾。最后，對我國船舶機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)進(jìn)行全面解析，形成可行的故障自診斷方法。希望通過本文闡述，可以給相關(guān)領(lǐng)域研究提供一定思路。

監(jiān)控系統(tǒng)；故障自診斷；船舶機(jī)艙；機(jī)艙自動化

0　引　言

隨著船舶行業(yè)開始朝著自動化的方向發(fā)展，更多的船舶為了出行安全，開始在船舶中應(yīng)用電能實現(xiàn)對船舶進(jìn)行驅(qū)動和監(jiān)控。因此，為了保證船舶行業(yè)更好的發(fā)展，建立發(fā)電站非常必要。在船舶運輸中作為最重要的核心裝備——船舶自動化設(shè)備主要由 7 個部分組成：1）機(jī)艙自動化系統(tǒng)；2）航行自動化系統(tǒng)；3）船岸信息一體化系統(tǒng)；4）裝載自動化系統(tǒng)；5）液位遙測系統(tǒng)；6）閥門遙控系統(tǒng)；7）姿態(tài)平衡系統(tǒng)。由于船舶自動化設(shè)備涉及了這么多的操作系統(tǒng)，因此其具備一定的多學(xué)科交叉特性。本文將進(jìn)一步對船舶機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)進(jìn)行全面的解析。

1　船舶機(jī)艙自動化的發(fā)展歷程

20 世紀(jì) 50 年代末，反饋控制理論在船舶行業(yè)全面使用。這不僅給船舶實現(xiàn)自動控制提供了有利條件，同時也給船舶產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展打下了扎實的基礎(chǔ)。20世紀(jì) 60 年代，開始出現(xiàn)無人機(jī)艙。它的工作原理主要是借助計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)管和操控，這也標(biāo)志著自動化時代的來臨。船舶機(jī)艙自動化的發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了 3 個時期：1）全船采用單臺計算機(jī)進(jìn)行集中控制和管理；2）以微機(jī)技術(shù)為代表的分散控制；3）以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用為特征的網(wǎng)絡(luò)控制階段。

1.1全船采用單臺計算機(jī)進(jìn)行集中控制和管理

隨著時代的不斷進(jìn)步，計算機(jī)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，在船舶中應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，可以實現(xiàn)對船舶的操控和監(jiān)管，這也擴(kuò)大了機(jī)艙自動化管理的范圍。在船舶導(dǎo)航中，可以應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)對貨物情況以及通信設(shè)施進(jìn)行全面的管理和監(jiān)控。但是在 20 世紀(jì) 70 年代，雖然計算機(jī)系統(tǒng)可以實現(xiàn)集中控制和管理，但是由于價格昂貴，管理的技術(shù)也不完善，一旦計算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致整個船舶受到不同程度的影響。

1.2以微機(jī)技術(shù)為代表的分散控制

20 世紀(jì) 70 年代末期，在對船舶機(jī)艙進(jìn)行監(jiān)控時，一般采用的是集中型轉(zhuǎn)向分散方式，也就是應(yīng)用多臺計算機(jī)設(shè)備對船舶的各個系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控和管理。當(dāng)時，采用的計算機(jī)系統(tǒng)為微機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)。其具備 5 項優(yōu)勢，分別是：1）操作簡單；2）造價便宜；3）可靠性高；4）安全；5）維修方便。因此得到了船舶機(jī)艙監(jiān)管部門的廣泛應(yīng)用。微機(jī)控制具備 4 項功能，分別是：1）分油機(jī)自動監(jiān)控功能；2）燃油粘度監(jiān)控功能；3）主機(jī)控制功能；4）集中監(jiān)管空能。目前，我們國家大多數(shù)的船舶都選用這種方式對船舶機(jī)艙進(jìn)行自動化監(jiān)控。

1.3以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用為特征的網(wǎng)絡(luò)控制階段

分散型系統(tǒng)可以有效地處理集中型系統(tǒng)存在的不足，但是，因為各個系統(tǒng)中都具備一定的分散性質(zhì)，每個系統(tǒng)之間都不可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以，不能很好地實現(xiàn)對船舶機(jī)艙進(jìn)行實時的管理和監(jiān)控。根據(jù)目前的情況來看，雖然船舶機(jī)艙監(jiān)管依然設(shè)置了集中監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于各個系統(tǒng)不能進(jìn)行及時的數(shù)據(jù)交換，使得該系統(tǒng)只能對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行報警，但不能對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和監(jiān)控。到 20 世紀(jì) 80 年代末期，我國船舶行業(yè)開始將網(wǎng)絡(luò)型微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到船舶機(jī)艙的自動化管理中來。其工作原理主要是借助微機(jī)分布式控制的方式，對不同的系統(tǒng)進(jìn)行微機(jī)操控，進(jìn)而達(dá)到實時監(jiān)控、管理的目的。這個系統(tǒng)具備2 種優(yōu)勢：集中優(yōu)勢和分散優(yōu)勢。

2　現(xiàn)代船舶機(jī)艙自動化的特點

現(xiàn)代船舶機(jī)艙自動化具備 4 項特點，分別是：1）硬件積木化；2）軟件的模塊化設(shè)計和組態(tài)功能；3）可靠性提高；4）功能完備。

2.1硬件積木化

主要是應(yīng)用松耦合的多微機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分布，并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的模式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，進(jìn)而具有較強(qiáng)的可用性。通常情況下，客戶可以結(jié)合船舶實際情況來合理選擇應(yīng)用的模板，并采用積木式的方式進(jìn)行整合，進(jìn)而保證設(shè)備的靈活性。

2.2軟件的模塊化設(shè)計和組態(tài)功能

系統(tǒng)具備多種功能設(shè)備：控制設(shè)備，顯示設(shè)備，報表打印設(shè)備。客戶可以結(jié)合船舶實際的情況來來對這些功能設(shè)備進(jìn)行隨意搭配，這樣不僅可以實現(xiàn)控制功能，同時也有效提升了應(yīng)用靈活性。

2.3可靠性提高

集散型控制系統(tǒng)是由 3 項技術(shù)構(gòu)成：1）冗余技術(shù)；2）自動診斷技術(shù)；3）具備有可靠性較強(qiáng)的元器件。因此，其具備較強(qiáng)的可靠性。因為系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)具備一定的控制分散的特性，即使部分系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)受到一定的影響。因此，該系統(tǒng)具備較強(qiáng)的可靠性。

2.4功能完備

為了實現(xiàn)對船舶機(jī)艙進(jìn)行實時監(jiān)管和控制，需要將一些軟件技術(shù)應(yīng)用到自動化監(jiān)控系統(tǒng)中來。因此，為了給監(jiān)控系統(tǒng)提供一定的便利，需要通過一些控制方法對自動化監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行充分展現(xiàn)，進(jìn)而保證系統(tǒng)的功能完備性。

3　機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷方法

3.1傳感器的故障自檢方法

傳感器不僅可以通過外界的溫度來實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)中各個參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化功能，同時也可以根據(jù)外界的壓強(qiáng)、環(huán)境變化等因素來實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)中各個參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化功能。由此可以得知，傳感器是船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)不可或缺的一部分。傳感器的種類主要分為模擬量和開關(guān)量 2 種；模擬量傳感器主要是指根據(jù)信號的改變，來實現(xiàn)對電路的檢測。例如，對于種類是 PT100 的傳感器來說，當(dāng)它的阻值由幾歐姆上升到幾百歐姆時，若它的阻值類型是空則外部短路時，則其是無窮大開路。對于別的模擬量傳感器也可以采用這種方式進(jìn)行檢測。開關(guān)量傳感器不能用于電路系統(tǒng)中的短路以及斷路故障的檢查。由于傳感器自身就具備開路和斷路 2 種形態(tài)，在應(yīng)用開關(guān)量傳感器時，需要通過外加電阻來實現(xiàn)對電路系統(tǒng)中的短路以及斷路故障的檢查。電路圖如圖 1 所示。

圖 1　開關(guān)量傳感器故障自檢開路圖Fig. 1　Open loop fault self-checking of switch value sensor

3.2測量及控制模塊中 CPU 模塊的自檢方法

這種檢測方式主要有軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng) 2 種系統(tǒng)組合。通常情況下，測量及控制模塊采用的是 CPU模塊。CPU 模塊可以將軟件系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)進(jìn)行緊密結(jié)合，進(jìn)而實現(xiàn)故障自復(fù)位技術(shù)的檢測。硬件電路圖如圖 2 所示。在進(jìn)行軟件系統(tǒng)的編制過程中，需要借助軟件自身的功能來給 CPU 模板傳送指令，進(jìn)而促使硬件系統(tǒng)快速生成一個低電平脈沖。一旦軟件系統(tǒng)出現(xiàn)故障，硬件系統(tǒng)就不能快速生成低電平脈沖，這時，可以借助 MAX705 系統(tǒng)來實現(xiàn)低電壓脈沖的生成，進(jìn)而實現(xiàn) CPU 模塊的復(fù)位。除此之外，還可以在硬件系統(tǒng)中安裝 1 個發(fā)光二極管，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)生閃爍時，則說明該系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)發(fā)光二極管沒有發(fā)生閃爍時，則說明該系統(tǒng)不處于正常工作狀態(tài)，也就是說 CPU 模塊出現(xiàn)了故障。

圖 2　CPU 板自復(fù)位電路圖Fig. 2　Self reposition circuit diagram of CPU board

3.3系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的故障自檢方法

系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)可以分成 2 個部分：1）上層高速以太網(wǎng)的故障自檢；2）下層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)故障自檢。要根據(jù)實際情況，合理選擇自檢方式?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展越來越完善，給硬件系統(tǒng)的自檢能力提供了有利的條件。在進(jìn)行檢查的過程中，需要對現(xiàn)場總線的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的檢查，進(jìn)而保證系統(tǒng)的安全性。一旦發(fā)現(xiàn)故障問題，就要第一時間采取相應(yīng)的措施進(jìn)行隔離。如果是下層系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信來實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢，進(jìn)而推測出網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點是否可以順利通信。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可以采用監(jiān)控微機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)信息的傳遞，進(jìn)而保證沒有發(fā)生故障系統(tǒng)的信息安全。

4　結(jié)　語

在船舶機(jī)艙控制系統(tǒng)中應(yīng)用自動化監(jiān)控技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)船舶機(jī)艙的運行安全，同時也能推動我國船舶行業(yè)更好發(fā)展。但是根據(jù)目前的情況來看，在進(jìn)行船舶機(jī)艙自動化控制時，總是會存在一定的故障，這些故障的出現(xiàn)嚴(yán)重阻礙了船舶自動化今后的發(fā)展。因此。需要采取有效的機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷方法。

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Research on fault self-diagnosis of ship automation system

GUAN Nian1，WANG Hong-peng2
（1. China Shipbuilding Industry Corporation，Beijing 100097，China；2. CSIS Yuanzhou （Beijing）Science and Technology Co.，Ltd，Beijing 100861，China）

The development of China's ship engine room automation is elaborated comprehensively，and the main problems and contradictions existing in the automatic monitoring system of China's ship engine room based on the characteristics of modern ship engine room automation. At last，the paper makes an all-round analysis of the fault self-diagnosis technology of the automatic monitoring system of our country's ship engine automation，in an effort to form a feasible fault self-diagnosis method. It is hoped that certain thoughts can be provided for research in related field through the elaboration in this paper.

Monitoring and Alarming system；Fault Self-diagnosis；Marine Engine Room；Engine room automation

V267

A

1672 - 7619（2016）08 - 0138 - 03

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.029

2016 - 06 - 12

關(guān)念（1983 - ），男，工程師，從事船舶電子、通信、電站和自動化等方面的科研管理工作。