李玉生，王家林，尹 洋

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基于監(jiān)控信息的船舶電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

李玉生1，王家林2，尹 洋2

（1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室， 遼寧大連 116000；2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院智能工程系，武漢 430033）

為了滿足新型船舶電力系統(tǒng)對故障診斷快速性、準(zhǔn)確度的需求，本文以電力系統(tǒng)設(shè)備中的交流電動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)及變頻器等為研究對象，建立了船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)?；诒O(jiān)控信息的船舶電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)能改善傳統(tǒng)維修保障方法的許多不足，提高維修保障效率，改變傳統(tǒng)維修保障模式，降低維修保障強(qiáng)度。

監(jiān)控信息 船舶電力系統(tǒng) 故障診斷 系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

船舶電力系統(tǒng)在實際運行過程中，由于戰(zhàn)斗破損或操作不當(dāng)以及設(shè)備本身的問題，可能使系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障或非正常運行狀態(tài)，它們會使電力系統(tǒng)的安全可靠運行受到威脅，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備的損壞或使整個電力系統(tǒng)的供電中斷，影響戰(zhàn)斗及航行安全。隨著船舶電氣化、自動化程度的日益提高，對船舶電力系統(tǒng)供電的可靠性和生命力提出了更高的要求，要求系統(tǒng)在出現(xiàn)故障或戰(zhàn)損時準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷，并在盡可能短的時間內(nèi)最大限度地恢復(fù)供電，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力及連續(xù)供電能力[1]。

目前船舶電力系統(tǒng)的管理自動化水平較低，雖具備一定的故障報警功能，但故障診斷不夠及時準(zhǔn)確，且誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著船舶電力系統(tǒng)的不斷大型化與復(fù)雜化，對于新型船舶電力系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)做法既不合理也難以實現(xiàn)，并且不可避免地會產(chǎn)生人為故障，系統(tǒng)故障診斷快速性和準(zhǔn)確性無法保障，電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行及連續(xù)供電能力也會降低。而且，新型船舶電力系統(tǒng)的諸多特性也決定了其故障診斷應(yīng)該向智能化發(fā)展。為滿足新型船舶電力系統(tǒng)對故障診斷與恢復(fù)快速性、準(zhǔn)確性的需求，須采用智能技術(shù)，對船舶電力系統(tǒng)故障診斷技術(shù)進(jìn)行從基礎(chǔ)理論到實際應(yīng)用的全面研究，提出新的故障診斷與恢復(fù)方法與手段，并轉(zhuǎn)化為實際裝備，以適應(yīng)艦艇平臺信息化、智能化的發(fā)展趨勢。

基于電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對電力系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，是一種新的維修與保障理念與方法，其技術(shù)涉及到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信號檢測與處理，模式識別和人工智能等領(lǐng)域和許多高新技術(shù)[2-4]。雖然近年來在設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法的研究上取得了一些研究成果，但在許多方面都還未達(dá)到完全實用的水平。本文以電力系統(tǒng)設(shè)備中的交流電動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)及變頻器等為研究對象，建立了船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)?；诒O(jiān)控信息的船舶電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的設(shè)備維修與保障方法的許多弱點，提高了維修和保障效率,改變了傳統(tǒng)維修保障模式，降低了維修和保障強(qiáng)度。

1 船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

構(gòu)建的船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硬件組成中，傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置（同步向量測量裝置PMU）位于監(jiān)測現(xiàn)場，通過現(xiàn)場總線、交換機(jī)、光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控計算機(jī)連接，壓縮的數(shù)字信號通過光纖送至集控臺進(jìn)行顯示。

2 故障診斷系統(tǒng)平臺構(gòu)建

本文研究對象主要是針對電力系統(tǒng)設(shè)備中的交流電動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)及變頻器等。同時對發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變頻器支路進(jìn)行細(xì)化，構(gòu)建了的系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個硬件平臺由整流器、直流電動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)（帶勵磁系統(tǒng)）、逆變器、感應(yīng)電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、負(fù)載、精確度電流傳感器、電壓傳感器、轉(zhuǎn)速、扭矩傳感器、信號采集裝置（PMU）、信號調(diào)理裝置、現(xiàn)場總線、交換機(jī)、光纖以太網(wǎng)及監(jiān)控計算機(jī)等組成。信息采集系統(tǒng)（PMU）將采集信息送入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控計算機(jī)通過交換機(jī)從網(wǎng)絡(luò)中獲取信息，對網(wǎng)絡(luò)信息經(jīng)過分析、處理、實現(xiàn)對電力系統(tǒng)設(shè)備的故障監(jiān)測與診斷。

圖1 船舶電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)圖

圖3 故障診斷系統(tǒng)軟件層次架構(gòu)

3 診斷系統(tǒng)軟件體系構(gòu)建

故障診斷系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)采用層次型軟件架構(gòu)[5]，見圖3，層次架構(gòu)體現(xiàn)在如下三方面。

1）診斷系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用層次架構(gòu)，含三個層次：用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。

2）設(shè)備端（初級級診斷層）系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用層次架構(gòu)，含三個層次：規(guī)約轉(zhuǎn)換層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。

3）通信系統(tǒng)也采用層次結(jié)構(gòu)，設(shè)備端應(yīng)用層和診斷系統(tǒng)應(yīng)用層分別映射到各自的通信協(xié)議棧上。

基于圖3軟件層次架構(gòu)模型，本課題對故障測試系統(tǒng)進(jìn)行軟件進(jìn)行細(xì)化，故障檢測信息處理過程如圖4所示?；赑MU裝置的數(shù)據(jù)采集模塊流程如圖5所示。

a 初始化

信號處理模塊的軟件運行于微控制器上，對整個數(shù)據(jù)采樣過程等進(jìn)行控制，并發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。在加電啟動并完成自檢后，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊（PMU）進(jìn)行通訊測試，若測試失敗，則報錯退出，測試成功進(jìn)入等待狀態(tài)。等待時，數(shù)據(jù)處理模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送各種采樣參數(shù)，如采樣方式、采樣時間、采樣頻率等。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊得到所有的參數(shù)后，對采樣進(jìn)行設(shè)置，然后等待“啟動采樣”指令，完成采樣模塊的初始化。

圖4 信息處理過程及軟件工作流程

b 采樣方式

采樣方式有同步采樣和非同步采樣兩種。所謂同步采樣是指采樣頻率隨被采樣信號頻率的變化而變化的，采樣頻率的變化是為了保證在每個采樣周期內(nèi)得到相同的采樣點數(shù)。采取同步采樣方式是為了提高諧波分析的精度。嚴(yán)格的同步采樣的實現(xiàn)是相當(dāng)困難的。非同步采樣方式是指采樣頻率是固定不變的值，在系統(tǒng)開始采樣時確定，并且在整個采樣過程中采樣頻率保持不變。

由于電壓和電流的頻率變化是在一定范圍內(nèi)小幅變化，因此采用非同步方式同樣可以滿足要求。

c 數(shù)據(jù)通訊

同步相量測量裝置（PMU）統(tǒng)采用多路同時采樣，每個采樣間隔采集交流三相電壓、三相電流，勵磁機(jī)勵磁電流。為提高通訊的速度和效率，數(shù)據(jù)通訊采用簡單的控制方式，測量結(jié)果可以由專用通信接口直接傳送給監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。同步相量測量裝置（PMU）傳送數(shù)據(jù)速度為480Mb/s,具有足夠的帶寬，使數(shù)據(jù)無延時地向上傳送，達(dá)到數(shù)據(jù)處理的實時性要求。

監(jiān)控計算機(jī)通過交換機(jī)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相連，通過TCP/IP協(xié)議將檢測數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)共享。

圖5 基于信號采集模塊信號流程

4 基于監(jiān)控信息的船舶電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)

診斷系統(tǒng)軟件的核心是信息分析與處理、故障診斷的算法，本項目的分析處理軟件是基于LabVIEW軟件和MatLab軟件開發(fā)的。該軟件提供了可靠的、成熟的信號分析處理模塊，可以完成波形測量、信號調(diào)理、信號監(jiān)測、信號處理、信號逐點分析和故障診斷的算法實現(xiàn)。其軟件界面如圖6～圖9所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集界面

圖7 基于監(jiān)控信息的電動機(jī)故障診斷界面

圖8 發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集界面

圖9 發(fā)電機(jī)故障診斷軟件分析界面

5 小結(jié)

本文以電力系統(tǒng)設(shè)備中的交流電動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)及變頻器等為研究對象，建立了船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)。基于監(jiān)控信息的船舶電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的設(shè)備維修與保障方法的許多弱點，提高了維修和保障效率，改變了傳統(tǒng)維修保障模式，降低了維修和保障強(qiáng)度，可為船舶電力系統(tǒng)可靠運行提供支持。

[1] 梁樹甜, 孟得東. 支持向量機(jī)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2014, 34(9): 50-54.

[2] 朱歆州,石靈丹. 直流電動機(jī)故障診斷系統(tǒng)研究[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(1): 35-38.

[3] 朱瑩. 一種新型免疫克隆算法的船舶遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(5A): 55-57.

[4] 唐遠(yuǎn)翔，倪秋萍. 基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017，39(6A): 159-161.

[5] 吳文輝, 王燕妮. 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件, 2015，36(5): 105-107.

Design of Fault Diagnosis System for Marine Power Equipment Based on Monitoring Information

Yusheng Li1,Jialin Wang2,Yang Yin3

(1. Military Representative office of Navy in Dalian Area, Dalian116000, China; 2. School of Electronic and Information Engineering, Naval Univ.of Engineering，Wuhan 430033，China）

TM711

A

1003-4862（2017）12-0061-05

2017-09-15

李玉生（1977-），男，工程師。研究方向：艦船自動化。E-mail: reeyan@163.com。