一种船舶动力装置监控系统诊断仪的研制

朱增辉，郭文勇，孙云岭，吴新跃

（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033）

一种船舶动力装置监控系统诊断仪的研制

朱增辉，郭文勇，孙云岭，吴新跃

（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033）

0 引言

舰船动力装置担负着为舰船提供各种形式动力的重任，一旦动力装置出现故障，对舰船整体性能的正常发挥会造成重大的影响［1］。因此，现代船舶的动力装置全部都配置有相应的监控系统，动力装置的运行状态信息通过传感器，经数据采集模块，传递给计算机。若传感器、数据采集模块、信号通道发生故障，传递出错误的信息，就会对动力装置的运行状态做出错误的评估，从而造成误动作，引发故障甚至危险。许多船舶监控系统自身带有一定的自检测、自诊断功能，但动力装置不工作或者监控系统本身存在重大故障时，自带的检测诊断功能就无能为力了。因此，船舶监控系统应随船配有相应的诊断仪器。但诊断仪器的研制又存在着动力装置复杂、监控系统参数繁多、信号检测及处理困难等难点，且鲜有类似的文献报导。因此，重点以某型船舶动力装置监控系统数据采集模块为对象，完成监控系统诊断仪的研制。

1 功能需求分析

船舶动力装置监控系统常用的数据采集模块有开关量模块、模拟量模块、热电偶模块、热电阻模块和脉冲量模块。各模块均由前端信号采集板与相同的CAN板构成，将采集的数据通过下层现场总线CAN网络传输给路由器，由路由器通过上层现场总线CAN网络传输给计算机进行显示。基于对模块特点的分析，以上述5种数据采集模块为对象，通过模拟相应传感器的标准信号输入到数据采集模块前端信号采集板的输入端，截取数据采集模块CAN网输出端输出的信号，与模拟的传感器标准信号进行对比，即用特征比较法［2］来完成数据采集模块的故障诊断。在判断数据采集模块健康的情况下，通过截取船舶现场数据采集模块CAN网输出端输出的传感器信号，与标准的传感器信号对比来判断传感器“健康”状况。各模块检测的信号形式与采集数据部位如表1所示［3-4］。

表1 模块类型及数据采集部位

综合以上分析，提出诊断仪的主体功能需求为：

a.根据各模块的特点，应能模拟传感器的信号，包括通断信号、标准电流信号、标准电势信号、标准热电阻信号和脉冲频率信号，并能根据需要调整模拟标准信号的值。

b.具备传感器数据采集模块综合诊断功能。

c.与数据采集模块建立通信。

d.具备数据采集、分析处理、显示及故障定位、报警的功能。

e.系统功能清晰，操作方便。

2 诊断仪硬件设计

诊断仪由硬件部分和软件部分组成。检测程序通过数据转换卡，控制模拟传感器信号电路工作。模拟传感器信号电路所产生的标准信号，经过数据采集模块的输入端，由模块的CAN网输出端向诊断仪的CAN通讯卡传递数据并反馈回工控主板，经程序对比分析后，显示诊断结果。

诊断仪硬件部分包括工控主板、液晶屏、触摸屏、数据转换卡、模拟传感器信号电路、CAN通讯卡以及电源管理模块。诊断仪硬件部分的模块如图1所示。

图1 诊断仪硬件模块

2.1 PCM-5830工控主板

PCM-5830采用的是嵌入式低功耗处理器（与Intel X86处理器兼容），充分考虑应用环境的适应性，综合多种措施而设计的一款能在多种应用环境中安全、稳定、高效运行的PC／104主板，是诊断仪进行检测、分析工作的硬件核心。PCM-5830板载有Intel X86 CPU，主频800 MHz，256 MB DDR内存，1个IDE和1个CF卡适配器接口，4个串口和4个USB2.0接口，1个LCD平板显示器接口和1个CRT显示器接口。

2.2 D／A数据转换卡

D／A数据转换卡按照程序设定输出相应电压的模拟信号，提供给相应模拟传感器信号的模块使用。这里选用USB5932数据转换卡。USB5832是一种基于USB总线的12位、拥有8路模拟量输出通道、6路数字量输入通道、6路数字量输出通道和1个计数器的数据转换卡。通过深入分析，结合诊断仪需求，取5路模拟量输出通道作为5种传感器模拟电路的信号源，取2路数字量输出通道为报警、运行指示灯提供信号。

2.3 开关量输出电路

开关量输出电路用于模拟开关量传感器的通断信号。模拟开关量电路如图2所示，程序控制DA卡输出电压信号到IO01处。当IO01输入5 V电压信号时，三极管8050处于导通状态，继电器线圈得电，10脚和6脚导通，S201和S202之间输出高电平；若IO01无信号输入时，线圈失电，继电器10脚和6脚断开，输出低电平。

图2 模拟开关量电路原理

2.4 标准热电阻电路

标准热电阻电路用于模拟热电阻传感器的输出电路。如图3所示，程序控制DA卡输入电压信号到IO00处。当IO00无信号输入时，三极管处于截止状态，S301和S302之间的总阻值为145Ω，对应于PT100的温度为117.5℃［5］；若IO00输入5 V电压信号，继电器线圈得电，6脚和10脚导通，S301和S302之间总阻值为120Ω，对应于PT100的温度为52.8℃。

图3 模拟热电阻电路原理

2.5 电压频率转换电路

电压频率转换电路将电压信号转换成频率信号，用于模拟转速传感器的输出信号。LM331用作V／F转换电路，其基本原理如图4所示。电压信号VF，经V／F转换电路后，从fout端输出，输出频率fout随输入电压VF的变化而变化，且存在如下关系：fout＝VFRs／（2.09RLRtCt）。式中电路转换增益调整电阻阻值的表达式为Rs＝R16＋R15［6］，Rt、Ct分别为定时电阻和定时电容的值，RL为负载电阻阻值。

图4 模拟频率信号电路原理

2.6 模拟热电偶信号电路

［5］可知，船舶设备常用的K型热电偶，在1 200℃时，热电动势为50 m V左右。对于热电偶模块，采用直接将DA卡输出信号源分压来模拟热电偶信号，接LM324构成电压跟随电路。其基本原理如图5所示。

图5 模拟热电偶信号电路

2.7 模拟压力传感器信号电路

压力传感器分为电流型和电压型，常见的信号类型主要有0～5 V、4～20 m A等。通过调查分析，船用模拟量模块采集的信号类型为4～20 m A电流，可通过加取样电阻的方法转换成电压来检测［7］。故本文只模拟电压型的压力传感器。模拟压力传感器信号电路与图5相似，去掉电阻R37、R38、R39，将DA卡输出信号直接接入R21的左端。

3 诊断仪程序设计

本诊断仪的操作系统为Windows XP，检测程序采用VC＋＋6.0进行开发。此处以热电阻模块为例，对程序的设计流程做简要说明。诊断仪的检测程序包括自检程序和数据采集模块的检测程序。

作为诊断设备，诊断仪不仅要对数据采集模块进行检测，还应具备开机自检的功能，以防止诊断仪自身故障造成数据读取失败。自检程序包括对CAN卡、数据转换卡、工控主板液晶屏和触摸屏等设备工作状态的检查，以确保诊断仪的正常运行。

进入检测程序后，选择热电阻模块。选择参数118℃或者52℃，此时程序控制DA卡输出不同的参数，以避免单一数据对检测结果精度的影响。对于热电阻模块，DA卡输出0 V和5 V 2个参数。DA卡输出参数通过模拟热电阻信号电路后，电阻信号经数据采集模块的下层CAN网传递到诊断仪的CAN通讯卡，程序读取CAN通讯卡数据，显示采集的温度值，并将该参数下模拟热电阻信号电路电阻值所对应的标准温度值与选择的参数对比，并显示结果。若对比结果不一致，程序控制DA卡输出信号给报警指示灯报警。程序流程如图6所示。

图6 诊断仪程序流程

对于其他模块，检测程序流程基本相同，唯有模块参数设置不同。对于开关量模块设置“通”、“断”2个参数。热电偶模块设置100℃、300℃、500℃3个参数；脉冲量设置100 r／min、300 r／min、500 r／min 3个参数；模拟量模块设置1 V、2 V、3 V 3个参数。

4 结束语

从船舶监控系统故障诊断的实际需求出发，深入分析诊断仪的功能需求，提出了船舶动力装置数监控系统诊断仪的设计方案，并最终完成诊断仪的设计。测试表明，诊断仪的设计达到了预期的效果。诊断仪运行可靠、操作简单、能快速并准确地对数据采集模块的短路、断路等故障进行诊断；结构紧凑，体积小巧，携带方便，能很好地适应船舶现场复杂的工作环境。

参考文献：

［1］ 陈晓明，吴家明，孔庆福，等.舰船动力装置现代监测与诊断平台的构建设计［J］.船海工程，2006（3）：90-92.

［2］ 张小玉，柴春红.一种空空导弹发射装置故障诊断仪设计［J］.计算机测量与控制，2007，15（4）：493-495.

［3］ 张立忠.基于CAN总线的船舶机电设备监控系统的设计与实现［D］.大连：大连海事大学，2010.

［4］ 刘易.船用柴油机监控系统CAN总线协议设计与研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［5］ 李吉林.常用热电偶、热电阻分度表：90国际温标［M］.北京：中国计量出版，1998.

［6］ 张苑农.LM331及其应用［J］.十堰职业技术学院学报，2004，17（2）：76-77.

［7］ 黄桂梅，刘永立，陈孝伟.单电源信号转换电路设计与实践［J］.仪器仪表与分析监测，2010（3）：18-19.

Development of Diagnostic Instrument for Ship Propulsion Plant Monitoring System

ZHU Zenghui，GUO Wenyong，SUN Yunling，WU Xinyue
（College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

针对船舶动力装置监控系统缺乏相应的诊断设备的问题，以监控系统的传感器、数据采集模块为对象，深入分析系统结构、采集信号类型以及诊断仪的功能需求，提出了船舶动力装置监控系统诊断仪的技术方案，并对硬件电路和软件设计流程进行了详细的分析和阐述。最后，完成了对诊断仪的测试，结果表明该诊断仪对船舶监控系统的诊断是可行且有效的。

船舶；动力装置；监控系统；数据采集模块；诊断仪

Based on the switch value module，analogue module，thermocouple module，thermal resistance module and impulse module of ship power plant monitoring system，after thorough analysis of signal types of modules and functional requirement of the instrument，a technical scheme of a diagnostic instrument is proposed and the hardware design of circuits and programming process analyzed and elaborated.Finally，a test is conducted on the instrument，and the result illustrates that the technical theme of the diagnostic instrument is feasible and effective.

ship；propulsion plant；monitoring system；data acquisition module；diagnose instrument

TP306.3

A

1001-2257（2015）09-0037-03

朱增辉（1988－），男，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事船舶机械故障诊断研究。

2015-05-11