用于船舶电力设备故障诊断的智能化通用模块设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 3.36MB 67 页 15积分

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摘要

随着社会的发展，现代船舶的电气化、自动化程度越来越高，对船舶电站及

电力系统的依赖性越来越强，一旦某些重要设施供电系统发生故障而中断供电，

将会造成严重的破坏，不仅仅是经济方面的损失，有可能是船沉人亡后果不堪设

想。然而电力故障突发性强，因此对船舶电站及电力设备的故障监测要求也就越

来越严格，不仅要保证在最恶劣的环境下不中断对船舶的供电，还要在复杂多变

的情况下保持设备能够正常稳定的工作。

本文首先分析了目前船舶机舱自动化和故障诊断技术发展的现状，深入研究

了模糊逻辑，神经网络和专家系统在故障诊断方面的应用。通过分析模糊逻辑、

神经网络和专家系统各自的优缺点，确立了以模糊神经网络的故障诊断专家系统。

其次研究了常规的数据采集的方法，针对由单片机构成的数据采集系统数据处理

能力弱的问题提出了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate

Array,FPGA)为逻辑控制芯片对 A/D 芯片进行控制的多路数据采集的解决方案。

在所设计的系统中利用 Visual Basic 编写通信程序实现上位机和 FPGA 通过 CAN

总线连接，通过现场总线向通用模块设备发送数据采集的参数指令,通用模块设

备接受指令后进行现场数据采集，并通过 CAN 总线将数据发送到 PC 机，在通信

过程中遵守 CAN2.0 协议，具有较强的通用性和推广价值。最后本文重点介绍了

通用模块的硬件设计原理和软件设计框架，实现实时嵌入式微机数据采集系统的

软件和硬件设计方法,将部分软件的功能改由硬件实现，从逻辑上大大简化了嵌

入式软件的设计。

本系统设计实现了对船舶运行状况的实时监控和故障诊断。大大提高了船舶

航行的安全性和自动化水平。

关键词：故障诊断数据采集现场总线 FPGA

ABSTRACT

With the development of society, electrification of the modern ship's was

advanced increasingly to high degree of automation and growing dependence of the

ship power and power supply systems. Once certain key facilities and the interruption

of power supply system failure would cause serious damage, not only economic loss,

but also sinks and death of people with unpredictable consequences may be happened.

Sudden power failure, however, strong, so the ship’s power and correlative electrical

equipment failures also needs stringent monitoring requirements, not only to ensure the

most appalling conditions without interrupting power supply ship, but also at work

status of the case of complex equipment can maintain normal and stable work.

Firstly, the technology of fault diagnosis is introduced in this article, analyzed the

development situation of automation system and intelligent fault diagnosis technology

in ship’s engine room and deep research has been done on the application of the fuzzy

theory, neural network and expert system on fault diagnosis. Though the analysis and

comparison between their merits and demerits, this paper also educed that there are

strong complementarities between them, and set up the fuzzy neural network and

expert system on fault diagnosis. Than this paper presented the solution of using Field

Programmable Gate Array (FPGA) as a processor with parallel A/D chip instead of

normal single-chip microcomputer to realize data-acquisition which can remote

multi-channel data sampling. In the software design of system, it is used by Visual

Basic program for the preparation of communication between host computer and

FPGA with the CAN bus connection, when the universal monitoring module received

data acquisition instruction from host PC through the field bus, the operation of data

collection from peripheral equipments was begun and then returned the collected data

to PC. In the communication process to comply with CAN2.0 agreements, it is a strong

versatility and popularization. Finally this paper focused on the basic design principles

of hardware, the programmer frame of software, implementing the techniques of

real-time control embedded system and some testing results. Especially, such

techniques have changed some software function to hardware device and to greatly

simplify embedded software design in logic.

The system designed to achieve operational status of the ship's real-time

monitoring and fault diagnosis, enhanced the safety of ships and increased the level of

automation.

Key Word: Fault Diagnosis, Data Acquisition, Field bus, FPGA

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 课题研究的背景、目的及意义 ........................................................................... 1

§1.2 国内外发展概况及发展趋势 ............................................................................... 2

§1.3 课题所要研究的内容及实施方案 ....................................................................... 3

§1.4 课题来源 ............................................................................................................... 4

第二章智能故障诊断的研究 .........................................................................................5

§2.1 故障诊断概述 ....................................................................................................... 5

§2.1.1 故障诊断技术.................................................................................................................... 5

§2.1.2 故障诊断方法 ................................................................................................6

§2.2 神经网络专家系统理论....................................................................................................... 6

§2.2.1 人工神经元模型.............................................................................................................. 7

§2.2.2 BP 神经网络理论............................................................................................................. 8

§2.2.3 专家系统基本理论.......................................................................................................10

§2.2.4 神经网络与专家系统的结合及优点 ..........................................................12

§2.3 模糊神经网络理论...............................................................................................................14

§2.3.1 模糊理论 ......................................................................................................14

§2.3.2 模糊神经网络 ..............................................................................................15

§2.4 模糊神经网络举例...............................................................................................................16

§2.4.1 故障机理分析................................................................................................................ 16

§2.4.2 故障诊断.......................................................................................................................... 17

第三章智能通用模块的硬件设计 ...............................................................................22

§3.1 智能通用模块整体设计..................................................................................................... 22

§3.1.1 智能通用模块硬件系统组成....................................................................................22

§3.1.2 智能通用模块硬件结构............................................................................................. 22

§3.2 数据采集..................................................................................................................................23

§3.2.1 模拟量及其量化............................................................................................................24

§3.2.2 采样定理.......................................................................................................................... 25

§3.3 FPGA 外围电路设计............................................................................................................ 27

§3.3.1 FPGA 介绍....................................................................................................................... 27

§3.3.2 FPGA 的时钟与电源设计...........................................................................................30

§3.3.3 FPGA 的编程与配置 ................................................................................... 31

§3.4 ADC8328 接口电路设计.....................................................................................................34

§3.4.1 ADC8328 内部结构.......................................................................................................34

§3.4.2 DG407 多路复选器简介..............................................................................................35

§3.4.3 ADC8328 的硬件接口电路设计...............................................................................36

§3.5 光电耦合的硬件电路设计 ................................................................................ 36

§3.5.1 光电耦合器的性能特点............................................................................................. 37

§3.5.2 光电耦合的电路设计 ..................................................................................37

第四章智能通用模块的软件设计 ...............................................................................39

§4.1 通用模块软件的总体设计................................................................................................ 39

§4.2 FPGA 开发环境及开发语言简介.................................................................................... 39

§4.2.1 Xilinx ISE 简介 ..............................................................................................................39

§4.2.2 设计输入语言 VHDL 简介...................................................................................... 41

§4.3 ADC8328 VHDL 采样控制程序 ........................................................................42

§4.4 智能通用模块的通讯软件设计 ........................................................................ 43

§4.4.1 CAN 总线简介................................................................................................................ 43

§4.4.2 CAN 总线通讯软件设计.............................................................................................48

§4.4.3 数据储存模块软件设计............................................................................................. 49

§4.5 上位机界面设计................................................................................................................... 51

§4.5.1 上位机与 CAN 总线通信的实现 ............................................................... 52

§4.5.2 数据的存储与历史记录的查看 ..................................................................52

§4.5.3 上位机实时曲线显示................................................................................................... 53

第五章系统的实现与性能分析 ...................................................................................55

§5.1 电路板的制作与调试..........................................................................................................55

§5.2 FPGA 的实现.......................................................................................................................... 56

§5.3 系统的整体测试 ................................................................................................ 57

第六章总结 ...................................................................................................................61

参考文献 .........................................................................................................................62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................64

致谢 .................................................................................................................................65

第一章绪论

本章内容主要包括课题研究的背景、目的及意义，当前国内外先进研究水平。

§1.1 课题研究的背景、目的及意义

随着计算机和现代电子信息技术的飞跃发展，生产设备正在向高自动化的方

向发展，但是生产设备的高速度、高负载导致的设备故障的严重程度也大幅度的

提高，产生严重的破坏后果和社会影响。为此，保证设备的安全运行，及时监控

并发现隐患，避免和消除故障是一个十分迫切的问题。故障诊断和状态监测是提

高设备安全运行、降低故障率、提高经济效益、减少维护成本的切实有效的方法。

现代经济的发展，计算机技术的更新，人们对于船舶的安全性，可靠性，效

益性等要求不断提高，船舶的自动化、智能技术也在不断发展。进入 21 世纪后，

船舶自动化技术正在以集成化、标准化、模块化、网络化、智能化、系列化等方

式不断向船舶综合自动化阶段发展[1]装置，是船舶运行的关键部位，在船舶自动

化中，机舱自动化尤为重要。因此，机舱自动化是整个船舶自动化最重要的部分，

也是船舶自动化发展的总趋势。在船舶运行过程中，为了保障船舶运行的安全性

和可靠性，必须对机舱内各工作部件的工作情况以及运行状态加以实时监控。这

是一项非常繁重的工作，一艘船会有很多需要实时监控的部件，比如主机、发电

机、舵浆等，每个设备又有很多参数表征机器的运行状况，比如主机的转速、油

温、油压、水压，发电机的电流、电压、功率、频率等。要采集这些数据，就需

要轮机人员跑遍几乎整个机舱，不但费时费工，而且不能达到实时监控的效果，

故障信息不能及时发现及时排除。研究采用故障诊断智能通用模块可以解决这个

问题。例如，液压系统模态监控仪把采集到的液压信号利用 A/D 转换通过现场总

线(CAN 总线)传输到监控室，由上位机进行实时显示跟踪，发现故障及时报警，

大大节省人力，通过故障诊断智能通用模块可建立一人舱式管理模式，并且具有

良好的实时性能，及时有效的排除故障。另外船舶机舱的环境比较恶劣，空间狭

小，温度高，噪声大，并且船舶在运行中颠簸厉害，在这种环境下工作十分容易

引起工作人员的疲劳。因此实现机舱自动化对船舶运行的安全性可靠起着重

要的作用。

同时，随着现代船舶系统的日趋高性能化和结构复杂化，为了能对突发的故

障采取快速处理措施，对机舱设备状况监控的同时必须建立起故障的智能诊断系

统，对机舱各部件进行故障诊断，实时检测出系统发生的故障，并对故障原因、

故障频率和故障的危害程度进行分析、判断，得出结论，给出必要的可行的解决

措施，防止系统灾难性事故的发生。所有这一切都可以在机舱自动化系统中实现

用于船舶电力设备故障诊断的智能化通用模块设计

机舱自动化系统负责检测机舱机电设备的工作状态和参数，并进行指示、报警、

控制和记录。

因此，在生产中运用设备状态监测和故障诊断技术，可以降低设备突发故障

的频率和减少维修费用，给企业巨大的经济效益。

§1.2 国内外发展概况及发展趋势

20 世纪 90 年代末，半导体工业和嵌入式领域所面临的主要领域之一是设计

片上系统（System-on-a-Chip，SoC）。片上系统可将过去一个或多个印制电路板

上的功能集成到一块芯片中，从而大大降低产品的开发周期，提高产品的安全性、

可靠性，缩小产品的物理尺寸，降低成本。一个 SoC 可包含微处理器，数字信号

处理器，数字、模拟及混合电路模块，总线，时钟，电源分布，测试结构等，支

持标准的工业接口和通讯协议。数字电路设计经过半个世纪的发展，已经呈现出

多种表现形式，其重点也从单纯的硬件设计扩展到集合硬件（Hardware）设计、

固件（Firmware）设计和软件（Software）设计的系统设计范畴。基于现场可编程

门阵列器件（Field Programmable Gate Arrays，FPGA）的 SoC 与基于 ASIC 的SoC

相比，具有风险小、开发周期短、成本低、可擦写等优点，是当今业界在快速原

型技术（Rapid Prototyping）和系统解决方案上的流行趋势之一。FPGA 设计和嵌

入式设计是数字电路设计中最具有活力的方向，FPGA 设计以灵活的设计形式见

长，嵌入式设计以广泛的适用面见长。Xilinx 公司将两者的优势结合，创造性的

为用户提供了基于 FPGA 的嵌入式设计方案，帮助用户快速“量身定做”合适的

嵌入式 SoC[2]。

在中国，虽然嵌入式系统行业起步不久，但进展神速。2005 年我国嵌入式处

理器芯片销售总量大约为 13 亿片，销售产值约为 120 亿元。由于中国是全世界最

大的制造业基地，在 DVD 播放器、机顶盒、音视频接受设备、MP3 播放器、数

码相机和汽车电子等各个领域，嵌入式系统已无处不在，市场规模已接近通用 DSP

的两陪。尽管 2006 年半导体市场略成下降的走势，但半导体业内的嵌入式系统部

门却保持了高增长。在今后的几年，随着移动多媒体、数字娱乐、手机、终端汽

车电子等领域的迅速发展，手机、便携式多媒体设备、家庭娱乐用音视频产品的

嵌入式解决方案的增长潜力将会增大。加上我国政府正在力推 HDTV、

IPTV 等产

业的发展，新兴的便携式多媒体播放机将逐渐迎来曙光。此外，面向医疗、金融、

军事等行业的特殊应用也正在为嵌入式系统提供越来越多的商机。

关于故障诊断的研究，在国外已经有了近半个世纪的历史了。当前故障诊断的

研究方向是智能故障诊断系统的开发，历史虽然不长，但是己经在很多领域取得

了令人瞩目的成就。在电路和数字电子设备方面，具有代表性的有：由 MIT 研制

第一章绪论

的，用于模拟电路操作并演绎出故障可能原因的 EL 系统；由美国海军人工智能

研究中心研制的，用于诊断电子设备故障的 IN-ATE 系统；由 IBM 和Stanford 大

学联合研制的计算机诊断系统 DART 等。在机电设备方面，由于机电设备在整个

生产领域中所占的地位最重要，而且机电设备诊断系统的研究面又广，因此，所

出现的智能诊断系统也较多。如 EGG Idaha 公司研制的用于诊断和处理核反应堆

事故的诊断系统 REACTOR;通用电器公司研制的用于内燃电力机车故障排除的

专家系统 DELTA;日立公司研究的用于核反应堆的故障诊断系统;日本三菱电机公

司研制的用于列车机车的诊断系统;意大利米兰工业大学研制的汽车起动器电路

诊断系统;Camegie-Meltion 大学与 Westinghouse 公司联合研制的汽轮发电机组监

控与诊断专家系统 PDS 等[3]o

我国开展设备故障诊断技术是从 20 世界 70 年代末，80 年代初开始的。尽管

起步较晚，但近年来发展迅速，国内许多高校和研究机构联合厂家开展了设备故

障诊断技术的理论和应用研究，并取得了一定的研究效果。如哈尔滨工业大学研

究的“微机对机组振动监测和故障诊断系统 MMMD-1"[4]；西安交通大学研制的

“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统” [5]；上海汽轮机厂的“125MW

汽轮机组微机监测分析管理系统”;华中理工大学研制的“HZ-1 型汽轮发电机组

振动监测与故障诊断系统”:机械工程学院研制的“雷达指挥仪印制板故障诊断系

统”。对于船舶故障诊断方面，主要是武汉理工大学，上海海运学院，大连海事大

学[6]进行了相关的研究，主要针对的是柴油机方面的故障诊断，也取得了一定的

理论和应用研究成果。

§1.3 课题所要研究的内容及实施方案

当前电子系统的体积、功耗越来越小、集成度越来越高、性能越来越稳定。

在旋转机械方面，自动化程度越来越高，速度越来越快。而传统的故障诊断仪器

有这样的缺点:l)实时性好、速度快的仪器，体积却大使用不方便;2) 体积小的仪器，

实时性差、速度慢。在这样情况下，提出在 FPGA 芯片上开发和研究具有故障诊

断功能的智能通用模块，具有一定的实用性和研究价值。

1、课题研究的内容主要包含三方面的内容：

（1）根据专家系统开发的一般方法，同智能故障诊断系统自身的特点相结

合，并且综合了目前关于开发过程中特定阶段和特定问题的具体实现方法，提出

了针对开发智能故障诊断系统的方法体系。

（2）提出并开发了船舶设备故障诊断通用平台，目的就是为了解决当诊断

对象和诊断方法改变时需要重新开发系统这个弊端，实现诊断系统的通用性。其

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摘要随着社会的发展，现代船舶的电气化、自动化程度越来越高，对船舶电站及电力系统的依赖性越来越强，一旦某些重要设施供电系统发生故障而中断供电，将会造成严重的破坏，不仅仅是经济方面的损失，有可能是船沉人亡后果不堪设想。然而电力故障突发性强，因此对船舶电站及电力设备的故障监测要求也就越来越严格，不仅要保证在最恶劣的环境下不中断对船舶的供电，还要在复杂多变的情况下保持设备能够正常稳定的工作。本文首先分析了目前船舶机舱自动化和故障诊断技术发展的现状，深入研究了模糊逻辑，神经网络和专家系统在故障诊断方面的应用。通过分析模糊逻辑、神经网络和专家系统各自的优缺点，确立了以模糊神经网络的故障诊断专家系统。其次研...

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