船舶机舱自动化监控系统故障自诊断技术研究

关　念，王鸿鹏（. 中国船舶重工集团公司，北京 00097；. 中船重工远舟（北京）科技有限公司，北京 0086）

船舶机舱自动化监控系统故障自诊断技术研究

关念1，王鸿鹏2
（1. 中国船舶重工集团公司，北京 100097；2. 中船重工远舟（北京）科技有限公司，北京 100861）

对我国船舶机舱自动化的发展历程进行全面阐述，根据现代船舶机舱自动化的特点来解析我国船舶机舱自动化监控系统存在的主要问题和矛盾。最后，对我国船舶机舱自动化监控系统故障自诊断技术进行全面解析，形成可行的故障自诊断方法。希望通过本文阐述，可以给相关领域研究提供一定思路。

监控系统；故障自诊断；船舶机舱；机舱自动化

0　引　言

随着船舶行业开始朝着自动化的方向发展，更多的船舶为了出行安全，开始在船舶中应用电能实现对船舶进行驱动和监控。因此，为了保证船舶行业更好的发展，建立发电站非常必要。在船舶运输中作为最重要的核心装备——船舶自动化设备主要由 7 个部分组成：1）机舱自动化系统；2）航行自动化系统；3）船岸信息一体化系统；4）装载自动化系统；5）液位遥测系统；6）阀门遥控系统；7）姿态平衡系统。由于船舶自动化设备涉及了这么多的操作系统，因此其具备一定的多学科交叉特性。本文将进一步对船舶机舱自动化监控系统故障自诊断技术进行全面的解析。

1　船舶机舱自动化的发展历程

20 世纪 50 年代末，反馈控制理论在船舶行业全面使用。这不仅给船舶实现自动控制提供了有利条件，同时也给船舶产业今后的发展打下了扎实的基础。20世纪 60 年代，开始出现无人机舱。它的工作原理主要是借助计算机系统进行实时监管和操控，这也标志着自动化时代的来临。船舶机舱自动化的发展历程主要经历了 3 个时期：1）全船采用单台计算机进行集中控制和管理；2）以微机技术为代表的分散控制；3）以网络技术应用为特征的网络控制阶段。

1.1全船采用单台计算机进行集中控制和管理

随着时代的不断进步，计算机技术得到广泛应用，在船舶中应用计算机技术，可以实现对船舶的操控和监管，这也扩大了机舱自动化管理的范围。在船舶导航中，可以应用计算机技术对货物情况以及通信设施进行全面的管理和监控。但是在 20 世纪 70 年代，虽然计算机系统可以实现集中控制和管理，但是由于价格昂贵，管理的技术也不完善，一旦计算机系统出现故障，就会导致整个船舶受到不同程度的影响。

1.2以微机技术为代表的分散控制

20 世纪 70 年代末期，在对船舶机舱进行监控时，一般采用的是集中型转向分散方式，也就是应用多台计算机设备对船舶的各个系统进行全面的监控和管理。当时，采用的计算机系统为微机计算机系统。其具备 5 项优势，分别是：1）操作简单；2）造价便宜；3）可靠性高；4）安全；5）维修方便。因此得到了船舶机舱监管部门的广泛应用。微机控制具备 4 项功能，分别是：1）分油机自动监控功能；2）燃油粘度监控功能；3）主机控制功能；4）集中监管空能。目前，我们国家大多数的船舶都选用这种方式对船舶机舱进行自动化监控。

1.3以网络技术应用为特征的网络控制阶段

分散型系统可以有效地处理集中型系统存在的不足，但是，因为各个系统中都具备一定的分散性质，每个系统之间都不可以进行数据交换，所以，不能很好地实现对船舶机舱进行实时的管理和监控。根据目前的情况来看，虽然船舶机舱监管依然设置了集中监控系统，但是由于各个系统不能进行及时的数据交换，使得该系统只能对接受的数据进行报警，但不能对这些数据进行集中管理和监控。到 20 世纪 80 年代末期，我国船舶行业开始将网络型微机监控系统应用到船舶机舱的自动化管理中来。其工作原理主要是借助微机分布式控制的方式，对不同的系统进行微机操控，进而达到实时监控、管理的目的。这个系统具备2 种优势：集中优势和分散优势。

2　现代船舶机舱自动化的特点

现代船舶机舱自动化具备 4 项特点，分别是：1）硬件积木化；2）软件的模块化设计和组态功能；3）可靠性提高；4）功能完备。

2.1硬件积木化

主要是应用松耦合的多微机进行结构分布，并应用标准化的模式进行标准化设计，进而具有较强的可用性。通常情况下，客户可以结合船舶实际情况来合理选择应用的模板，并采用积木式的方式进行整合，进而保证设备的灵活性。

2.2软件的模块化设计和组态功能

系统具备多种功能设备：控制设备，显示设备，报表打印设备。客户可以结合船舶实际的情况来来对这些功能设备进行随意搭配，这样不仅可以实现控制功能，同时也有效提升了应用灵活性。

2.3可靠性提高

集散型控制系统是由 3 项技术构成：1）冗余技术；2）自动诊断技术；3）具备有可靠性较强的元器件。因此，其具备较强的可靠性。因为系统上部结构具备一定的控制分散的特性，即使部分系统出现了故障，也不会导致整个系统受到一定的影响。因此，该系统具备较强的可靠性。

2.4功能完备

为了实现对船舶机舱进行实时监管和控制，需要将一些软件技术应用到自动化监控系统中来。因此，为了给监控系统提供一定的便利，需要通过一些控制方法对自动化监控系统的各项功能进行充分展现，进而保证系统的功能完备性。

3　机舱自动化监控系统故障自诊断方法

3.1传感器的故障自检方法

传感器不仅可以通过外界的温度来实现对监控系统中各个参数之间的转化功能，同时也可以根据外界的压强、环境变化等因素来实现对监控系统中各个参数之间的转化功能。由此可以得知，传感器是船舶机舱监控系统不可或缺的一部分。传感器的种类主要分为模拟量和开关量 2 种；模拟量传感器主要是指根据信号的改变，来实现对电路的检测。例如，对于种类是 PT100 的传感器来说，当它的阻值由几欧姆上升到几百欧姆时，若它的阻值类型是空则外部短路时，则其是无穷大开路。对于别的模拟量传感器也可以采用这种方式进行检测。开关量传感器不能用于电路系统中的短路以及断路故障的检查。由于传感器自身就具备开路和断路 2 种形态，在应用开关量传感器时，需要通过外加电阻来实现对电路系统中的短路以及断路故障的检查。电路图如图 1 所示。

图 1　开关量传感器故障自检开路图Fig. 1　Open loop fault self-checking of switch value sensor

3.2测量及控制模块中 CPU 模块的自检方法

这种检测方式主要有软件系统和硬件系统 2 种系统组合。通常情况下，测量及控制模块采用的是 CPU模块。CPU 模块可以将软件系统以及硬件系统进行紧密结合，进而实现故障自复位技术的检测。硬件电路图如图 2 所示。在进行软件系统的编制过程中，需要借助软件自身的功能来给 CPU 模板传送指令，进而促使硬件系统快速生成一个低电平脉冲。一旦软件系统出现故障，硬件系统就不能快速生成低电平脉冲，这时，可以借助 MAX705 系统来实现低电压脉冲的生成，进而实现 CPU 模块的复位。除此之外，还可以在硬件系统中安装 1 个发光二极管，当发光二极管发生闪烁时，则说明该系统处于正常工作状态；当发光二极管没有发生闪烁时，则说明该系统不处于正常工作状态，也就是说 CPU 模块出现了故障。

图 2　CPU 板自复位电路图Fig. 2　Self reposition circuit diagram of CPU board

3.3系统通信网络的故障自检方法

系统通信网络可以分成 2 个部分：1）上层高速以太网的故障自检；2）下层现场总线网络故障自检。要根据实际情况，合理选择自检方式。现场总线技术的发展越来越完善，给硬件系统的自检能力提供了有利的条件。在进行检查的过程中，需要对现场总线的各个环节进行全面的检查，进而保证系统的安全性。一旦发现故障问题，就要第一时间采取相应的措施进行隔离。如果是下层系统出现故障，可以采用现场总线网络通信来实现系统的自检，进而推测出网络上各节点是否可以顺利通信。一旦系统发生故障，可以采用监控微机系统来实现信息的传递，进而保证没有发生故障系统的信息安全。

4　结　语

在船舶机舱控制系统中应用自动化监控技术，不仅可以实现船舶机舱的运行安全，同时也能推动我国船舶行业更好发展。但是根据目前的情况来看，在进行船舶机舱自动化控制时，总是会存在一定的故障，这些故障的出现严重阻碍了船舶自动化今后的发展。因此。需要采取有效的机舱自动化监控系统故障自诊断方法。

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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

关念（1983 - ），男，工程师，从事船舶电子、通信、电站和自动化等方面的科研管理工作。