基于 PLC 的機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與故障診斷分析計算機專業(yè)

1、基于 PLC 的機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與故障診斷分析Design and Fault Diagnosis Analysis of Engine Room Alarm Monitoring System Based on PLC摘要機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)作為船舶自動化的重要部分，它能及時準(zhǔn)確的反映出機艙內(nèi)各動力設(shè)備、控制設(shè)備以及機電設(shè)備的運行狀態(tài)，只要系統(tǒng)檢測到所監(jiān)測設(shè)備運行發(fā)生故障或者異常，該系統(tǒng)會觸發(fā)報警機制，啟動聲光報警與并通過延伸報警板通知其他值班艙室，同時所有報警狀態(tài)將被記錄并打印出來。系統(tǒng)會實時監(jiān)測機艙各個監(jiān)控點的參數(shù)狀態(tài)，各個監(jiān)視屏上都會顯示相關(guān)運行信息，使操作者能清楚的了解到船舶實時的

2、運行狀態(tài)。這些顯示屏通常安放在集控室或者延伸報警面板上。本文以鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司與天津航道局合作研發(fā)的“通途”號耙吸挖泥船改造項目為基礎(chǔ)， 從理論與實踐相結(jié)合的角度來設(shè)計出一套完整的機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)及其故障診斷系 統(tǒng)。論文首先介紹了機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展背景與意義，結(jié)合系統(tǒng)本身的基本功能與設(shè)計要求，闡述國內(nèi)外對該系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀并給出總體的設(shè)計方案。系統(tǒng)下位機采用西門子的S7-400 作為控制器，其中數(shù)據(jù)采集與PLC 的CPU 模塊之間采用PROFIBUS 總線通訊，上位機與 PLC 模塊之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。編程軟件采用西門子公司開發(fā)的 Step-7 軟件，實現(xiàn)硬件組態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)

3、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，編程語言采用梯形圖語言的方式，簡單易懂，直接明了，整個系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，涉及到 OB 模塊、DB 模塊、FB 模塊以及 FC 模塊。其次將從理論的角度設(shè)計出一套以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為主的新型故障診斷系統(tǒng)。該部分將詳細研究 BP 網(wǎng)絡(luò)算法，RBF 網(wǎng)絡(luò)算法以及 ELMAN 網(wǎng)絡(luò)算法的模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)置、訓(xùn)練函數(shù)以及每個函數(shù)各自的優(yōu)缺點。其中故障診斷對象為船舶增壓系統(tǒng)，通過對歷史數(shù)據(jù)的擬合對網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練，再將采集數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的識別以及預(yù)測的效果。最后將針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型自身存在的缺點，設(shè)計出以遺傳算法為主的優(yōu)化方案， 利用遺傳算法收斂性強的特點對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

4、閾值以及權(quán)值進行優(yōu)化，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度提升，提高故障診斷的準(zhǔn)確性，達到最優(yōu)的預(yù)測結(jié)果。關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng) S7-400 總線通訊 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 故障診斷 遺傳算法IAbstractThe nacelle alarm monitoring system is an important part of ship automation. It can accurately and accurately reflect the operating status of various power equipment, control equipment and electrical equipment

5、in the nacelle. As long as the system detects that the monitored equipment has malfunctioned or is abnormal, the system will trigger The alarm mechanism activates sound and light alarms and informs other duty cabins by extending the alarm board. All alarm conditions are recorded and printed out. The

6、 system will monitor the parameter status of various monitoring points in the cabin in real time. The relevant operation information will be displayed on each monitoring screen, so that the operator can clearly understand the real-time operating status of the ship. These displays are usually placed

7、in a central control room or an extended alarm panel. Considering the backwardness of our country's relevant technologies in the current large environment, after reading the literature on the cabin monitoring system of the relevant ship, this paper will design a set of ship cabin alarm monitorin

8、g systems that are feasible and meet relevant regulations.The thesis first introduces the background and significance of the cabin alarm monitoring system, combines the basic functions and design requirements of the system itself, elaborates the research status of the system at home and abroad, and

9、gives the overall design plan. The lower computer of the system adopts Siemens S7-400 as the controller, in which data acquisition and PLC CPU module use PROFIBUS communication between the host computer and the PLC module using industrial Ethernet to achieve data sharing. The programming software us

10、es Step-7 software developed by Siemens to realize the hardware configuration and the creation of the network structure. The programming language adopts the ladder language method, which is easy to understand and straightforward. The whole system adopts a modular programming concept and involves OBs

11、. Modules, DB modules, FB modules, and FC modules.After the system is designed, a new fault diagnosis system based on neural network algorithm will be designed from the theoretical point of view. This part will study the model structure, parameter setting, training function of BP network algorithm,

12、RBF network algorithm and ELMAN network algorithm in detail as well as the respective advantages and disadvantages of each function. The fault diagnosis object is the ship supercharging system. The network model is trained by fitting the historical data, and the collected data is used asVIIthe input

13、 of the network model to realize the recognition of the system failure and the effect of the prediction.In the end, aiming at the shortcomings of the neural network model itself, an optimization scheme based on genetic algorithms is designed. The genetic algorithm is used to optimize the thresholds

14、and weights of the neural network based on its strong convergence characteristics, so that the prediction accuracy of the neural network is improved. Improve the accuracy of fault diagnosis and achieve optimal forecast results.Keywords: Monitoring System, S7-400, Field bus Communication,NeuralNetwor

15、k,Fault Identification,Fault Prediction,Genetic Algorithm目 錄摘要IAbstractII目 錄VContentsIX第 1 章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 集中型監(jiān)視系統(tǒng)21.2.2 集散型監(jiān)視系統(tǒng)21.2.3 全分布式系統(tǒng)31.2.4 現(xiàn)場總線型監(jiān)控系統(tǒng)31.3 船舶故障診斷系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.3.1 智能化船舶診斷41.3.2 信號處理技術(shù)41.3.3 綜合船舶診斷技術(shù)41.4 課題主要研究內(nèi)容4第 2 章 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計72.1 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的功能與要

16、求72.1.1 系統(tǒng)基本功能72.1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范要求82.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計92.3 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的硬件介紹102.3.1 電纜的選型102.3.2 UPS102.3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備102.3.4 報警打印機112.4 本章小結(jié)10第 3 章 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的下位機以及界面設(shè)計133.1 下位機 PLC 介紹133.1.1 PLC 概述133.1.2 PLC 模塊選擇143.2 PLC 程序以及控制流程設(shè)計153.2.1 PLC 編程語言種類介紹153.2.2 PLC 硬件組態(tài)163.2.3 PLC 編程設(shè)計183.2.4 控制流程設(shè)計223.3 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計233.3

17、.1 PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)介紹233.3.2 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)建立243.3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的建立253.4 監(jiān)控界面設(shè)計273.5 本章小結(jié)27第 4 章 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷研究304.1 船舶故障診斷技術(shù)概述304.1.1 船舶故障診斷技術(shù)類別304.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述324.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展324.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容334.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型334.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型介紹344.3.1 BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)344.3.2 BP 網(wǎng)絡(luò)模型建立規(guī)則354.3.3 BP 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技巧384.4 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型介紹384.4.1

18、徑向基函數(shù)神經(jīng)元模型384.4.2 徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其工作原理394.4.3 徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建404.5 Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型介紹414.5.1 Elman 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)414.5.2 Elman 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建424.6 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障識別實例分析與仿真424.6.1 故障問題描述與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計424.6.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障識別模型設(shè)計與仿真444.6.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障識別模型設(shè)計與仿真474.7 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)測實例分析與仿真534.7.1 Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)測模型設(shè)計與仿真534.7.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)測模型設(shè)計與仿真624.8

19、本章小結(jié)69第 5 章 基于遺傳算法的機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷優(yōu)化研究715.1 遺傳算法的基本原理與方法715.1.1 編碼715.1.2 選擇725.1.3 交叉735.1.4 變異755.1.5 適應(yīng)度函數(shù)765.2 遺傳算法優(yōu)化 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真分析775.2.1 遺傳算法工具箱與功能函數(shù)介紹775.2.2 編碼規(guī)則與程序設(shè)計78VI5.2.3 仿真分析785.3 本章小結(jié)81總結(jié)83參考文獻85ContentsAbstract(chinese)IAbstractIIContents(chinese)VContentsIXChapter 1 Introduction11.1 Top

20、ic Research Background and Significance11.2 Development Status of Cabin Alarm Monitoring System at Home and Abroad11.2.1 Centralized Monitoring System21.2.2 Distributed Monitoring System21.2.3 Fully distributed system31.2.4 Field Bus Monitoring System31.3 Development Status of Ship Fault Diagnosis S

21、ystem at Home and Abroad31.3.1 Intelligent Ship Diagnostics41.3.2 Signal Processing Technology41.3.3 Integrated Ship Diagnostics41.4 Top Research Topics4Chapter 2 Overall Design of Cabin Alarm Monitoring System72.1 Functions and Requirements of Cabin Alarm Monitoring System72.1.1 Basic System Functi

22、ons72.1.2 Technical Standards and Specification Requirements82.2 Overall System Framework Design92.3 Hardware Introduction of Cabin Alarm Monitoring System102.3.1 Cable Selection102.3.2 UPS102.3.2 UPS102.3.3 Network Devices112.3.4 Alarm Printer11Chapter 3 Lower Computer Design of Cabin Alarm Monitor

23、ing System133.1 3.1 The PLC Introduction of Lower Computer133.1.1 PLC Overview133.1.2 PLC Module Selection143.2 The Design of PLC Program and Control Flow153.2.1 Introduction to PLC Programming Languages.153.2.2 PLC Hardware Configuration.163.2.3 PLC Programming Design183.2.4 Control Flow Design223.

24、3 System Communication Network Structure Design233.3.1 Introduction to PROFIBUS Fieldbus Technology.23IX3.3.2 PROFIBUS-DP Network Establishment243.3.3 Establishment of Industrial Ethernet253.4 Monitoring Interface Design273.5 Chapter Summary27Chapter 4 Research On The Engine Room Alarm Monitoring Sy

25、stem Based on Neural Network304.1 Ship Fault Diagnosis Technology Overview304.1.1 Fault Diagnosis Technology Class304.2 Neural Network Overview324.2.1 Development of Neural Networks324.2.2 Research Content of Neural Network334.2.3 Neural Network Model334.3 Introduction to BP Neural Network Model344.

26、3.1 BP Network Structure344.3.2 Establishing Rules for BP Network Model354.3.3 BP Network Design Tip384.4 Introduction to RBF Neural Network Model384.4.1 Radial Basis Function Neuron Model384.4.2 Radial Basis Function Network Structure and How It Works394.4.3 Construction of Radial Basis Function Ne

27、twork Structure404.5 Introduction to Elman Neural Network Model414.5.1 Structure of the Elman Network414.5.2 Construction of the Elman Network424.6 Analysis and Simulation of Fault Recognition Based on Neural Networks424.6.1 Fault Description and Neural Network Model Design424.6.2 Fault Identificati

28、on Model Design and Simulation of RBF Neural Network 444.6.3 Fault Identification Model Design and Simulation of BP Neural Network474.7 Analysis and Simulation of Fault Prediction Based on Neural Networks534.7.1 Fault Prediction Model Design and Simulation of Elman Neural Network534.7.2 Fault Predic

29、tion Model Design and Simulation of BP Neural Network624.8 Chapter Summary70Chapter 5 Research On The Engine Room Alarm Monitoring System Based on Genetic Algorithm715.1 Basic Principles and Methods of Genetic Algorithms715.1.1 Encoding715.1.2 Selection725.1.3 Cross735.1.4 Variation755.1.5 Fitness F

30、unction765.2 Genetic Algorithm Optimization BP Neural Network Simulation Analysis775.2.1 Introduction to the Genetic Algorithm Toolbox and Function Functions775.2.2 Coding Rules and Programming78X5.2.3 Simulation Analysis785.3 Chapter Summary81Conclusions83References85XI第 1 章 緒論1.1 課題研究背景及意義進入二十世紀(jì)八十

31、年代以來，由于經(jīng)濟與造船技術(shù)的發(fā)展，我國已經(jīng)從造船小國、造船弱國逐步向造船大國、造船強國轉(zhuǎn)變，因此，船舶技術(shù)的要求也越來越嚴(yán)格。船舶技術(shù)要求的提高也促進了船舶自動化技術(shù)的發(fā)展。在船舶自動化技術(shù)中，機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)是最為重要的一門技術(shù)。最原始的監(jiān)控還是依靠人員，由于計算機技術(shù)的引入與快速發(fā)展，船舶機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)由集中監(jiān)控型向集散監(jiān)控型轉(zhuǎn)變，再到后來現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，船舶機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)又開始向分布式系統(tǒng)發(fā)展。到目前為止， 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)正在發(fā)展的更集成、更標(biāo)準(zhǔn)化、更網(wǎng)絡(luò)化、更智能化且更系列，做到真正的無人機艙，實現(xiàn)船舶機艙的高自動化。為了能保證實現(xiàn)無人機艙，就必須要滿足數(shù)據(jù)的及時通訊以及實

32、時控制。在船舶發(fā)生故障時，系統(tǒng)要能第一時間檢測到故障發(fā)生位置以及異常情況詳情，并且快速將以上信息傳達到監(jiān)控室、駕駛臺、值班室以及各公共場所，實現(xiàn)地第一時間報警，對于系統(tǒng)不能自身解決的故障，將會通知相關(guān)維修人員解決。第二部分要做到的是當(dāng)已發(fā)故障沒有在規(guī)定設(shè)置時間內(nèi)解決的話， 將會再次觸發(fā)報警系統(tǒng)，直到該問題被成功解決。這樣的功能實現(xiàn)，會大大降低值班人員的工作強度，不用實時在船艙來回巡視，節(jié)省成本。由于現(xiàn)代社會對環(huán)境的保護意識越來越強以及對工業(yè)成本的控制，使得一些技術(shù)落后、人力成本巨大的船舶逐步被淘汰。隨著各種相關(guān)規(guī)定的出臺，使得所有的船舶向大型化以及高度的自動化發(fā)展，這樣就會減少船舶工作人員的工

33、作強度，降低人力的成本。機艙配備了完整的監(jiān)控報警系統(tǒng)，除了勞動成本上有所減少，更重要的是能夠保證船舶的安全運行，增強設(shè)備運轉(zhuǎn)的可靠性，一旦發(fā)現(xiàn)故障能及時解決，較少零部件的損耗，也可以在一定程度上增加各部件的使用壽命。就目前市場的行情來看， 船舶機艙報警技術(shù)占據(jù)優(yōu)勢的依舊是國外產(chǎn)品，比如挪威的康斯伯格等，他們的產(chǎn)品在市場上已經(jīng)占據(jù)了很大的份額。從國內(nèi)的先階段產(chǎn)品來看，還與國外存在著一定的差距，這就顯得研究這套系統(tǒng)并且設(shè)計出屬于自己的系統(tǒng)尤為重要。1.2 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，海上貿(mào)易的往來日益增多，更加推動了航運事業(yè)的蓬勃發(fā)展，其地位越來越重要，由此帶來的是船舶的噸

34、位相較于之前來講有了質(zhì)的飛躍1。3船舶在向大型化發(fā)展的過程中，逐漸產(chǎn)生了以下問題：船舶體積的龐大增加了管理難度，船舶工作人員的工作強度也不斷增加等。考慮到這些問題的存在，在二十世紀(jì)六十年代，船舶機艙自動化技術(shù)開始逐步被提出，其思想宗旨就是為船舶運營行業(yè)減低運營成本，保障船舶在運行狀態(tài)的安全。一直到了二十世紀(jì)七十年代，船舶機艙自動化的發(fā)展取得了實質(zhì)性的結(jié)果.第一就是輪機自動化裝置開始應(yīng)用，此裝置可以對船舶設(shè)備進行集中的控制并且能夠監(jiān)視到各個設(shè)備的運行狀態(tài)；第二就是輔控制站遠程操控技術(shù)的應(yīng)用，駕駛室通過這項應(yīng)用，可以遠程操控船舶設(shè)備，這樣一來在船舶人員數(shù)量的需求上就沒有之前那么多，工作的強度也得到

35、了降低；第三就是可以初步實現(xiàn)機艙無人值班，只是這種無人值班只是間歇性的，為以后真正意義上的無人值班機艙技術(shù)的研究與應(yīng)用提供了很好的經(jīng)驗基礎(chǔ)。就目前現(xiàn)階段應(yīng)用的機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)來看，計算機技術(shù)是目前最核心的技術(shù)，而機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的分類也是又計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來決定，一共可大致分為四類：集中型監(jiān)控系統(tǒng)、集散型監(jiān)控系統(tǒng)，全分布式系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線型監(jiān)控系統(tǒng)2。1.2.1 集中型監(jiān)視系統(tǒng)集中型系統(tǒng)的最大特點就是開始引進計算機軟件管理技術(shù)，由于是初步的引用計算機，在數(shù)量上很少，通常為單臺計算機操作。即便是單臺計算機，比較之前傳統(tǒng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)得到了很程度的簡化，能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶動力設(shè)備監(jiān)視與報

36、警的功能，該類型的典型代表有挪威 NORCONTROL 公司研發(fā)的 Data Chief 系統(tǒng)。在上世紀(jì)七十年代初，集中型監(jiān)控系統(tǒng)是最具有代表性的一種，應(yīng)用也比較廣泛， 但其弊端也顯而易見，由于計算機數(shù)量的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性比較差。一旦這臺計算機死機或者有其他故障，整個系統(tǒng)都會崩潰，造成不可估量的代價，用戶體驗沒有那么好。因此，這套系統(tǒng)的發(fā)展逐漸受到限制。1.2.2 集散型監(jiān)視系統(tǒng)集散型系統(tǒng)的特點從其名字就可以看出，它是融合了集中與分散兩種結(jié)構(gòu)的特點。與集中型系統(tǒng)最顯著的不同就是集散型系統(tǒng)的計算機數(shù)量不再是單臺，在監(jiān)控過程中， 多臺計算機同時工作，它們組成若干個子系統(tǒng)，將采集到的信息通過上

37、位機實現(xiàn)所有信息的共享。更重要的是，多臺計算機的穩(wěn)定性比單臺計算機要大大增強，在用戶體驗上也非常友好。所以，在集散型系統(tǒng)問世之初就得到了快速的發(fā)展。當(dāng)然，集散型系統(tǒng)也存在著一定的問題，由于在系統(tǒng)剛開始設(shè)計應(yīng)用的時候，傳輸?shù)男盘栴愋蜑槟M信號，當(dāng)傳輸距離很長的時候，模擬信號的的干擾問題隨之顯現(xiàn)出來。在材料成本方面，電纜的需求量大大提高，無疑是增加了不少額外的支出,此系統(tǒng)的代表為西門子公司生產(chǎn)的集散型監(jiān)控報警系統(tǒng)3。針對集散型系統(tǒng)的這些暴露出的問題，有些公司提出了以下的解決方案：在收發(fā)模擬信號的環(huán)節(jié)中添加相關(guān)的現(xiàn)場處理單元模塊，這些模塊一般情況下安放在設(shè)備的附近，而在與主控單元的數(shù)據(jù)交換通訊時所用

38、到的方式為電流環(huán)等網(wǎng)絡(luò)，這種的方案的核心理念就是在子系統(tǒng)中加入傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該方案的應(yīng)用的確可以在信號穩(wěn)定方面的能力得到了顯著的提升，但也不是沒有缺陷，由于傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)自身就存在問題包括無法實現(xiàn)全雙工傳輸以及傳輸距離的限制等等。該類系統(tǒng)的典型代表有德國西門子公司生產(chǎn) SIMOSIMC32C 系統(tǒng)。1.2.3 全分布式系統(tǒng)全分布式系統(tǒng)的最大特點是引入現(xiàn)場總線技術(shù)。與前文的提到的兩種系統(tǒng)相比， 分布式系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思想，是監(jiān)控功能得到最大限度的釋放。在系統(tǒng)組態(tài)方面，加入了具有通信功能的智能化現(xiàn)場處理單元，各個子系統(tǒng)之間通過現(xiàn)場總線來進行通訊，因為現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議具有開放的特點，所以

39、信息的共享更加便捷，系統(tǒng)在運行方面更加可靠安全。此系統(tǒng)的應(yīng)用也為船舶機艙綜合控制信息系統(tǒng)的統(tǒng)的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗。 因此，全分布式監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)合了集中型和集散型系統(tǒng)的優(yōu)點并且有效的克服了其缺點，對船舶自動化技術(shù)的發(fā)展有著重大的意義。該系統(tǒng)的典型代表有挪威 KONGSBERG 公司生產(chǎn)的 Data Chief C20 監(jiān)控系統(tǒng)。1.2.4 現(xiàn)場總線型監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線型監(jiān)控系統(tǒng)是在全分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進而實現(xiàn)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)，在全分布式系統(tǒng)中已經(jīng)開始引進現(xiàn)場總線技術(shù)，而在現(xiàn)場總線型監(jiān)控系統(tǒng)中， 總線的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。常用的總線有 CAN 總線、PROFIBUS 總線、LONGWORK 總

40、線以及 MODBUS 總線。在總線型的系統(tǒng)中，分布式處理單元的應(yīng)用非常多，這是考慮到其擴展性強的特點，在船舶機艙比較惡劣環(huán)境下能夠滿足需要。分布式處理單元的一段臨街在總線上， 一段與各傳感器相連，一些上層的監(jiān)控設(shè)備用工業(yè)以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享功能。該系統(tǒng)的典型代表有挪威 KONGSBERG 公司生產(chǎn)的 K-Chief500、K-Chief600 以及K-Chief700 等。從上述的系統(tǒng)介紹可以看出，船舶自動化技術(shù)的發(fā)展離不開計算機技術(shù)、模塊化設(shè)計思想以及總線通訊技術(shù)。由此可以得出這樣的結(jié)論：在未來的船舶機艙自動化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用中，研究如何將上述三種技術(shù)高效的結(jié)合在一起將會是一個很有意義且

41、具有巨大社會經(jīng)濟效益的研究方向。1.3 船舶故障診斷系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀從上個世紀(jì)六十年代開始，船舶事故發(fā)生的頻率急劇增加，為了解決這些問題給船舶行業(yè)帶來的巨大損失，人們開始對故障診斷技術(shù)進行深層次的研究。船舶故障診斷技術(shù)的作用主要是在船舶運行過程中，針對船舶各設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)故4障的時候能及時識別出故障并且能迅速應(yīng)對。更深層次的故障診斷技術(shù)還將要具備故障預(yù)測的功能，這樣可以將被動解決故障的形式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃尤ヮA(yù)防的態(tài)勢，在保障安全性能的同時還能為船舶行業(yè)節(jié)省巨大的成本。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，船舶故障診斷技術(shù)不再是一門單一的技術(shù)，從最初的直接測量法到現(xiàn)在的智能化，計算機技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

42、算法以及信號處理急速的引進，這已經(jīng)發(fā)展成了一門多學(xué)科交叉的新技術(shù)。1.3.1 智能化船舶診斷考慮到船舶技術(shù)的發(fā)展，船舶自動化程度的大幅度提高，傳統(tǒng)的故障診斷方法即通過檢測信號的處理實現(xiàn)船舶運行狀態(tài)的監(jiān)測已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代船舶的需求，由此開辟出了一條智能化道路的技術(shù)，這些技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論以及專家系統(tǒng)等。這種新式的診斷體系在監(jiān)測手段、數(shù)據(jù)計算量和診斷時間方面都較傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)有了極大的提升，比單一地依靠專家經(jīng)驗來實現(xiàn)診斷更加精確和高效。因此，隨著時代的發(fā)展與技術(shù)的成熟，智能化船舶診斷技術(shù)定會成為未來故障診斷技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)。1.3.2 信號處理技術(shù)在現(xiàn)實的船舶航行過程中，一方面會遇到碰撞

43、、震動和沖擊，一方面船舶的船齡在增加，造船工藝的不完善，導(dǎo)致船舶的故障發(fā)生率會大大提高，這些變化會使信號的峰值產(chǎn)生極大的波動，而這些信號的波動里實際上包含著非常多的信息，所以，信號處理技術(shù)就是利用這些信息來定位故障的發(fā)生地點與類型，比較典型的技術(shù)應(yīng)用就是小波技術(shù)，這方面的技術(shù)已經(jīng)很成熟，應(yīng)用的效果也很理想。1.3.3 綜合船舶診斷技術(shù)在船舶發(fā)生故障時，它的故障原因一般很難用一種因素去判定它，更多的時候是由不同的因素共同作用的效果，考慮到其原因的復(fù)雜性，單一技術(shù)的缺陷就很明顯。比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性功能比較強大，可是其往往會過早的收斂，導(dǎo)致運行結(jié)果的隨機性很大；專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫豐富，數(shù)據(jù)量龐大，隨

44、之帶來的問題救贖建立數(shù)據(jù)的難度增加而且缺少靈活性等。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)以及數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，多種技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)下故障診斷領(lǐng)域里新的研究方向。常用的組合有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合，利用遺傳算法的尋優(yōu)功能來彌補神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過早收斂的缺點，還有模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的結(jié)合，既保證了數(shù)據(jù)量的多樣性，也可以提高使用的靈活性等等，這些最新技術(shù)的交叉結(jié)合對船舶故障診斷技術(shù)的發(fā)展起到了重要的要推動作用。1.4 課題主要研究內(nèi)容本課題以鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司的“通途”號項目為基礎(chǔ)，在實踐的基礎(chǔ)上結(jié)合理論研究，設(shè)計出一套船舶機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng)。其具體工作如下：（1） 在閱讀了多種關(guān)于機艙報

45、警監(jiān)控系統(tǒng)文獻后，綜合多種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，確定出本次機艙報警系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，最終設(shè)計出系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。（2） 根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇各種滿足功能需要的硬件模塊，包括電纜的選型、UPS 的規(guī)格、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及打印機的型號等。（3） 設(shè)計出系統(tǒng)的工作流程以及控制流程，在 Step7 軟件中選擇梯形圖的編程方式進行項目編程，既滿足功能需求又做到簡潔明了。（4） 設(shè)計出了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)。在設(shè)計結(jié)構(gòu)前，詳細了解 PROFIBUS 總線以及工業(yè)以太網(wǎng)的特點及結(jié)構(gòu)，熟悉 Step7 軟件中關(guān)于 PROFIBUS-DP 的組態(tài)以及 Ethernet 組態(tài)的的基本操作。在建立通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的時候，按要

46、求設(shè)置好各個模塊屬性以及選擇需要的功能模塊組態(tài)到通訊網(wǎng)絡(luò)上。（5） 在故障診斷部分，熟悉 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及 Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。利用 MATLAB 軟件編寫程序，實現(xiàn)故障識別和故障診斷的效果并比較出各自模型的不足，選擇出相對滿足需求的最優(yōu)模型。（6） 在故障診斷優(yōu)化部分，詳細介紹了遺傳算法的結(jié)構(gòu)以及各功能參數(shù)的性質(zhì)，利用遺傳算法收斂性強的特點，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不足進行優(yōu)化，達到最終的理想效果。56第 2 章 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本章節(jié)機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想以鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司的“通途”號耙吸挖泥船改造項目為基礎(chǔ)。在項目中，本人參與了機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的模

47、塊安裝、產(chǎn)品接線、功能調(diào)試以及部分程序編寫的環(huán)節(jié)，對機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)造、要求以及應(yīng)用有著一定的了解，該系統(tǒng)現(xiàn)已成功在“通途”號上運行?！巴ㄍ尽碧枴翱傞L 165.7米，寬為 30 米，總裝機功率為 22320 千瓦，載泥量為 29830 噸，最大挖深為 90 米， 是目前亞洲疏浚領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，目前在天津港投入使用中，進一步加快了天津港國際化進程的腳步。2.1 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的功能與要求本次“通途”號機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)共設(shè)有 3 個信號采集箱，分別對船舶的船用柴油機系統(tǒng)、泥泵控制系統(tǒng)、齒輪箱推進推進系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)（包括水壓和氣壓）、溫度系統(tǒng)（水溫、排氣溫度和油溫）、發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)等多個

48、系統(tǒng)的監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，基本覆蓋了“通途”號運行過程所涉及的各個方面。該系統(tǒng)所應(yīng)該具備的功能如下所示。2.1.1 系統(tǒng)基本功能由于不同的船舶運行環(huán)境不一樣，不同功能的船舶對設(shè)備的要求也各不相同，因此，每條船舶的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)不可能用同一種精度的標(biāo)準(zhǔn)作為規(guī)范4。在設(shè)計“通途”號機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的時候，根據(jù)實際工程應(yīng)用的需求，該系統(tǒng)包括的功能如下所示。（1） 聲光報警功能聲光報警功能作為機艙報警功能最基本、最必不可少的功能，它的作用是無可取代的。聲光報警功能作為機艙報警功能最基本、最必不可少的功能，它的作用是無可取代的。當(dāng)系統(tǒng)檢測到監(jiān)測點的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生重大誤差時，聲光報警系統(tǒng)將會

49、被啟動，同時在監(jiān)控軟件界面中準(zhǔn)確顯示出發(fā)生故障的監(jiān)測點位置以及故障詳情，以用來通知相關(guān)工作人員。當(dāng)工作人員收到報警信息后，按下消音鍵并在軟件界面上確認(rèn)報警信息，此時聲光報警會將報警聲音消除，報警燈變?yōu)槠焦?，直到故障被消除才會熄?。（2） 參數(shù)顯示與狀態(tài)顯示當(dāng)船舶設(shè)備都在正常運轉(zhuǎn)時，在監(jiān)控界面上會將各設(shè)備的運行參數(shù)都顯示出來， 除此之外，每個監(jiān)測點的報警限值也會顯示出來供工作人員參考。當(dāng)沒有異常發(fā)生時，9指示燈一般用綠色，有報警發(fā)生時，指示燈會變成紅色。（3） 報警延時功能報警延時功能最大的作用就是針對易波動的信號，防止其頻繁報警，影響系統(tǒng)正常的工作住狀態(tài)。其工作原理就是在數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動達到報警

50、值的第一時間會開始啟動計時器，只有達到了一定時間才會產(chǎn)生報警信號，計時時間一般按經(jīng)驗設(shè)定。（4） 報警回差功能報警回差功能與上文的報警延時功能有相似的地方，它們都是為了針對易波動信號帶來的誤操作，不過不同的是報警回差是作用在通道恢復(fù)功能上。若某信號的限值為 50，回差值設(shè)定為 5，其模式為監(jiān)測值大于 50 的話就會報警,。當(dāng)觸發(fā)報警后，經(jīng)過管理人員的操作，值回落到 45 時，通道才會關(guān)閉報警，恢復(fù)正常。若模式為小于50 報警，那么當(dāng)觸發(fā)報警后，其值必須恢復(fù)到 55，報警才會解除。（5） 報警應(yīng)答功能報警應(yīng)答其實就是操作人員給系統(tǒng)的反饋操作。當(dāng)聲光報警啟動時，操作人員按下相關(guān)按鍵，會進行消音操作

51、，此時操作人員需要立即去解決故障，當(dāng)故障被完全解決時，操作人員按下相關(guān)按鍵，報警會立即解除，報警紅光被轉(zhuǎn)為綠色平光，同時報警軟件界面會將該報警解除。（6） 報警打印功能報警打印功能一般分為兩種，一種是實時打印，一種是歷史打印。實時打印就是每當(dāng)產(chǎn)生一個報警時，打印機就會將其打印出來。進行歷史打印操作時，先要進入查詢界面，查詢出來的歷史報警記錄可以被打印出來，根據(jù)不同的需求可以選擇打印部分記錄或者打印全部記錄。（7） 延伸報警功能延伸報警的作用通常是向船舶上工作的其他人員通知報警信息，一般延伸報警裝置安放在駕駛室、機長室以及特定的公共場所等。延伸報警裝置實現(xiàn)方式有多種，包括觸摸屏和指示燈6。2.1

52、.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范要求參考鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范和船舶機艙監(jiān)視報警裝置技術(shù)條件對船舶所采用的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的技術(shù)要求，在設(shè)計“通途”號機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)時，應(yīng)考慮如下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求：（1） 報警裝置應(yīng)在如下環(huán)境中能夠正常工作：環(huán)境溫度范圍為 055；相對濕度范圍為 95%100%，振動頻率范圍為 2.013.2Hz，位移幅值為±1.0mm，加速度幅值為±0.79mm7。（2） 當(dāng)發(fā)生故障時，如果操作人員沒有及時的將故障完全解決，那么系統(tǒng)將再次觸發(fā)聲光報警機制，直到故障被完全解決后才會恢復(fù)正常監(jiān)控狀態(tài)。（3） 由于各船舶的工作環(huán)境不一樣，所以系統(tǒng)在設(shè)計的時候需要考慮到

53、各監(jiān)測點的報警限值的差異，即要方便管理人員靈活地修改監(jiān)測點的限值。（4） 系統(tǒng)在供電模塊的設(shè)計上需要具備冗余功能，能夠在主供電系統(tǒng)斷電的時候維持報警系統(tǒng)的正常工作，通常持續(xù)供電的時間至少為半個小時8。2.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計系統(tǒng)的主要設(shè)備有 S7-400PLC 模塊、機艙數(shù)據(jù)采集單元、工作站、延伸報警板、工業(yè)交換機以及通訊模塊等。系統(tǒng)采用良好的人機界面，操作員通過操作軌跡球和操作員鍵盤可以很容易地在顯示屏上選擇報警頁面和圖形模擬頁面，查看報警及設(shè)備運行狀態(tài)，并執(zhí)行控制指令或自動控制程序，其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。機艙數(shù)據(jù)采集單元可以安裝在船舶的各個部位，具有輸入/輸出功能，包括模擬量和開關(guān)量。

54、機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有延伸報警系統(tǒng)，在居住區(qū)域和駕駛室安裝有延伸報警板。系統(tǒng)可擴展若干個工作站和若干個延伸報警板，工作站和延伸報警板可安裝在船上若干部位9。在網(wǎng)絡(luò)通訊方面，信號采集模塊、接口模塊等模塊與 PLC 的 CPU 模塊之間的通訊方式采用 PROFIBUS 總線，CPU 與上位機之間的數(shù)據(jù)共享采用工業(yè)以太網(wǎng)，考慮到船舶機艙實際的工作環(huán)境惡劣，工業(yè)以太網(wǎng)在抗干擾能力方面效果顯著且通訊距離比較遠，適合船舶機艙的工作環(huán)境。圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2.1 System structure2.3 機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)的硬件介紹2.3.1 電纜的選型考慮到船舶工作環(huán)境的惡劣以及各種船用建材規(guī)范的要

55、求，船用電纜的選擇要比其他情況的要求更加嚴(yán)格10。在設(shè)計船舶機艙報警監(jiān)控系統(tǒng)之前，首先要將電纜選好， 因為電纜在船舶上的應(yīng)用非常之多，無論是電源供電還是數(shù)據(jù)的傳輸或者網(wǎng)絡(luò)通訊， 都要用電纜。電纜的選擇不僅要考慮到是否符合相關(guān)規(guī)定，也要注意到成本的控制。在船舶工作場所，由于水霧、有害蒸氣以及凝結(jié)水的存在，相關(guān)規(guī)定中明確要求在任何地點鋪設(shè)的電纜必須加上護套，除此之外，船用電纜還要滿足防火、防水、防壓力、防電磁干擾以及防腐蝕的功能需求。綜上所述以及考慮到公司成本的控制，結(jié)合鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司的實際項目實施規(guī)格，采用的型號是 CKJPJ85/ SC 型電纜。該電纜最高承受 250 度高溫，其絕緣

56、材料采用聚氯乙烯，能夠基本滿足船用需要。2.3.2 UPSUPS（Uninterruptible Power Supply）即不間斷電源，它是一種儲能裝置，是一種恒壓恒頻的不間斷電源，主要組成部分是逆變器11。UPS 一般主要用在給機艙報警系統(tǒng)提供不間斷的電源供給。當(dāng)機艙內(nèi)的供電正常時，UPS 的作用就是穩(wěn)壓，將供電穩(wěn)壓后供給其他負(fù)載使用，當(dāng)機艙供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，發(fā)生斷電的情況時，UPS 立即將機內(nèi)電池的電能通過逆變的方式將 220V 的電供給其他的負(fù)載，使系統(tǒng)正常工作， 避免硬件的損壞。2.3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（1）網(wǎng)絡(luò)交換機網(wǎng)絡(luò)交換機的參數(shù)如表 2.1 所示。表 2.1 網(wǎng)絡(luò)交換機參數(shù)Table2.1 Network switch parameter table傳輸速率10/100Mbit/s電氣接口4 x RJ45 接口(10/100 Mbit/s； TP)光學(xué)接口2 x BFOC ports（100Mbit/s，Multimode FOC）電源連接1 x 4 針端子排信號觸發(fā)連接1x 2 針端子排交換媒介插槽C-PLUG電源電壓2 x 24 V DC (18 V to 32 V)組環(huán)能力有冗余管理器功能有12（2）網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)用于采集通訊設(shè)備的信號，在基礎(chǔ)配置方面必須具備以下功