某型船載航行記錄儀故障分析與處理

羅銀波

摘 要：首先對船載航行數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行了概述，分析了某型記錄儀舵角反饋信號采集部分的組成和工作原理，介紹了一起舵角反饋電壓采集精度出現(xiàn)抖動的故障現(xiàn)象，并對故障原因進(jìn)行了深入詳細(xì)的分析，得出故障是由舵角反饋線路存在低頻紋波抖動干擾引起的，針對故障原因給出了兩種解決方案并進(jìn)行了驗(yàn)證，成功排除了故障。通過對這起故障的分析和排除，可對解決類似故障起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：舵角采集；故障分析；船載航行數(shù)據(jù)記錄儀

中圖分類號：U665 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0140-02

Abstract： Firstly， the navigation data recorder on board is summarized， the composition and working principle of the rudder angle feedback signal acquisition part of a certain type of recorder are analyzed， and the fault phenomenon that the precision of rudder angle feedback voltage acquisition appears jitter is introduced. The fault is caused by the low frequency ripple jitter of the rudder angle feedback circuit. Two solutions for the fault are given and verified， and the fault is successfully eliminated. Through the analysis and elimination of the fault， it can be used for reference to solve the similar fault.

Keywords： rudder angle acquisition； fault analysis； shipborne navigation data recorder

1 概述

船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（Voyage Data Recorder縮寫VDR），俗稱船用黑匣子，是專門用于記錄船舶航行數(shù)據(jù)的設(shè)備，當(dāng)船舶發(fā)生事故時(shí)，該數(shù)據(jù)在分析事故時(shí)起到不可替代的作用，為了船舶在發(fā)生海上事故后查明原因，從中吸取教訓(xùn)，采取針對性防范措施[1]。船載航行數(shù)據(jù)記錄儀可實(shí)時(shí)記錄保存駕駛室的聲音，船舶位置和動態(tài)、操舵指令和舵角等數(shù)據(jù)。方向?qū)Υ昂叫械闹匾圆谎远鳎渲卸娼鞘侵陵P(guān)重要的參數(shù)之一，因此實(shí)時(shí)記錄船舶反饋舵角數(shù)據(jù)是記錄儀最重要的功能之一，尤其在操舵儀本身發(fā)生故障，無法直接獲取反饋舵角信號時(shí)，記錄儀能夠自行完成信號采集和存儲，某型船載航行數(shù)據(jù)記錄儀在對其反饋舵角信號采集精度檢測出現(xiàn)了抖動的故障現(xiàn)象。

2 記錄儀的組成及原理

在集中控制操舵儀內(nèi)，記錄儀主要功能為通過雙CAN總線接收設(shè)備內(nèi)各模塊的數(shù)字信息（如航向、指令舵角、實(shí)際反饋舵角及航向工作方式等信號），按1次/秒將上述信息存儲于記錄儀內(nèi)CF卡中。當(dāng)集中控制操舵儀出現(xiàn)特殊情況，雙CAN總線全部癱瘓，無法獲取實(shí)際反饋舵角當(dāng)數(shù)字信號時(shí)，記錄儀則利用自身的ADT650模塊，自行完成舵角反饋電壓的采集，并實(shí)時(shí)將舵角信息存儲于CF中。

記錄儀舵角反饋電壓采集原理如圖1所示，其中LX3160（帶CF卡）為主機(jī)板，2塊A3CSD負(fù)責(zé)雙CAN總線通訊，ADT650為反饋舵角電壓信號采集板，SCXX5284為電動操舵信號I/O采集板，SCXX5326為電源模塊（PCL104模塊采用DC5V電源）。應(yīng)急舵角指示表經(jīng)R2和R3可調(diào)電阻校正后，調(diào)理板的189f點(diǎn)的電壓大致在12V左右，而舵角反饋機(jī)構(gòu)跟隨舵實(shí)際動作，帶動189c點(diǎn)的電壓在4V～20V來回變化，這樣189c和189f之間的差分電壓為-8V～8V，記錄儀通過采集上述差分電壓，進(jìn)行電壓至舵角換算后，可獲取實(shí)際舵角反饋信號，以備應(yīng)急記錄之需。

3 故障現(xiàn)象

為了確保記錄儀記錄的實(shí)際反饋舵角的準(zhǔn)確性，在記錄儀出廠交付前，需對記錄儀的舵角反饋電壓采集精度進(jìn)行檢測。在一次成品檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)記錄儀內(nèi)部ADT650模塊的舵角反饋電壓采集精度出現(xiàn)抖動（要求萬用表測量值與記錄儀采樣顯示值的偏差不超過0.01V），偏差值偶爾超出0.01V，最大偏差可達(dá)0.2V左右，不滿足使用要求。

4 故障分析與排查

通過對記錄儀工作原理分析，反饋電壓采樣穩(wěn)定性不佳的原因可能如下：（1）記錄儀內(nèi)ADT650模塊本身故障。因該記錄儀已交付使用多船套，均未出現(xiàn)此現(xiàn)象，因此懷疑個(gè)別ADT650模塊存在質(zhì)量問題。聯(lián)系模塊供應(yīng)商，通過返廠對ADT650模塊重新檢測和更換新模塊等多次嘗試，故障現(xiàn)象依然存在，說明ADT650模塊本身不存在質(zhì)量問題。（2）配試設(shè)備給出的反饋舵角信號不穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)際測量，配試設(shè)備功能正常，給出反饋舵角信號穩(wěn)定。（3）舵角反饋線路由配試設(shè)備后經(jīng)過集控儀設(shè)備多個(gè)骨架，線路上的信號可能被干擾有紋波，ADT650模塊抗干擾設(shè)計(jì)不足。經(jīng)過多次嘗試，將連接記錄儀插頭上跨接電阻R由100KΩ更換成10MΩ后，經(jīng)過1小時(shí)通電試驗(yàn)，ADT650模塊采樣穩(wěn)定，未再出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，精度滿足要求。（4）雖然通過加大跨接電阻阻值，故障現(xiàn)象得到了消除，但需要確定跨接電阻R由100KΩ更換成10MΩ是否可以解決問題，消除故障隱患。我們認(rèn)為，增大跨接電阻的方案，并未找到干擾源，沒有從根本上消除故障產(chǎn)生的原因。通過對跨接10MΩ電阻方案進(jìn)行反復(fù)論證分析，并搭建相應(yīng)環(huán)境進(jìn)行模擬驗(yàn)證，得出以下兩點(diǎn)推論：a.電壓采集通路上可能存在干擾信號，若在純凈無干擾環(huán)境下，電壓采集精度應(yīng)該不會出現(xiàn)抖動。b.加大跨接電阻，僅能對特定干擾有一定抑制作用，不能從根本上解決問題。

為了驗(yàn)證推論的正確性，找到故障發(fā)生的機(jī)理，消除隱患，我們對電路進(jìn)行了進(jìn)一步檢測，經(jīng)示波器測量，舵角反饋信號存在低頻紋波抖動干擾，證明反饋線路上確實(shí)存在干擾信號，對記錄儀和反饋電壓信號來源的原理進(jìn)行分析，記錄儀內(nèi)SCXX5326電源模塊的輸入端DC24V電源和輸出端DC5V相互隔離，ADT650模塊正常工作使用DC5V電源，而舵角反饋電壓來源于電源模塊SCXX5326輸入端同一源頭的DC24V電源分壓信號，兩種電源地（負(fù)端）不連通，此時(shí)舵角反饋線路相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)高內(nèi)阻的電偶極子天線，若DC24V電源有波動或受到干擾，經(jīng)舵角反饋線路會引入ADT650模塊，最終造成采樣精度不穩(wěn)定。

通過綜合分析，要消除兩種電源地不連通隱患，抑制干擾，有兩種方案可行。方案一：在連接記錄儀插頭上的反饋舵角信號上跨接100uF電容（圖1記錄儀舵角反饋電壓采集原理圖中的189c和189 f之間），隔離舵角反饋信號線路上的低頻紋波抖動干擾。方案二：如圖2所示，對記錄儀內(nèi)SCXX5326電源模塊改進(jìn)設(shè)計(jì)。在SCXX5326電源模塊的DC24V的負(fù)端和DC5V的負(fù)端跨接1個(gè)100uF電容，使兩種電源地（負(fù)端）為交流等電位，舵角反饋線路變成一個(gè)閉環(huán)低內(nèi)阻的磁偶極子天線，此時(shí)DC24V電源若再出現(xiàn)波動或受到干擾，由舵角反饋線路帶入的干擾經(jīng)閉環(huán)通路流入電源負(fù)端被吸收，干擾能被迅速衰減。

通過對比，若需要采集多路舵角反饋信號時(shí)，每一路舵角反饋信號線路都需跨接電容，方案二更簡便，只需電源模塊上的一個(gè)跨接電容，便于集成。因此這里更傾向于選擇方案二，跨接電容后，經(jīng)過長時(shí)間（12小時(shí)）通電測試，未出現(xiàn)超過0.01V的偏差，實(shí)際測得最大偏差僅為0.005V。為了進(jìn)一步驗(yàn)證跨接電容方案的正確性和可靠性，對DC24V電源人為施加干擾，與跨接10MΩ電阻方案對比發(fā)現(xiàn)，10MΩ電阻電壓采樣出現(xiàn)不穩(wěn)定，偏差超出要求范圍，加到無窮大，抖動依然存在，說明出現(xiàn)大的干擾時(shí)，加大跨接電阻不能完全解決問題，但跨接電容方案的采樣精度不受干擾影響，說明增加跨接電容方案可以從根本上消除干擾源，排除故障。

通過協(xié)商，電源模塊供應(yīng)商對SCXX5326電源模塊進(jìn)行改進(jìn)，在其輸入DC24V電源負(fù)端和輸出DC5V電源負(fù)端跨接1個(gè)100uF電容。

5 結(jié)束語

本次故障的發(fā)生具有偶然性，已出廠交付的多船套記錄儀檢驗(yàn)時(shí)均未出現(xiàn)此故障，雖然該故障不會影響設(shè)備正常使用，但該故障對記錄儀作用的發(fā)揮是有影響的，記錄的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確就失去了實(shí)際意義。因此對該故障應(yīng)當(dāng)舉一反三，對已交付使用的記錄儀擇機(jī)更換內(nèi)部的SCXX5326電源模塊。從故障分析和排查過程看，本文中的第一次故障排除采用增大跨接電阻的方式雖然能夠消除故障，并沒有從根本上解決問題，所以當(dāng)干擾較大時(shí)，故障又出現(xiàn)了。因此，故障的排除必須清楚故障發(fā)生的機(jī)理，才能從根本上消除故障隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧英，蔡德金.淺析船用航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）[J].科技風(fēng)，2011（16）：7-8.