某型船載航行記錄儀故障分析與處理

羅銀波

摘 要：首先對船載航行數據記錄儀進行了概述，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抖動的故障現象，并對故障原因進行了深入詳細的分析，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行了驗證，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。

關鍵詞：舵角采集；故障分析；船載航行數據記錄儀

中圖分類號：U665 文獻標志碼：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

船載航行數據記錄儀（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據的設備，當船舶發生事故時，該數據在分析事故時起到不可替代的作用，為了船舶在發生海上事故后查明原因，從中吸取教訓，采取針對性防范措施[1]。船載航行數據記錄儀可實時記錄保存駕駛室的聲音，船舶位置和動態、操舵指令和舵角等數據。方向對船舶航行的重要性不言而喻，其中舵角是至關重要的參數之一，因此實時記錄船舶反饋舵角數據是記錄儀最重要的功能之一，尤其在操舵儀本身發生故障，無法直接獲取反饋舵角信號時，記錄儀能夠自行完成信號采集和存儲，某型船載航行數據記錄儀在對其反饋舵角信號采集精度檢測出現了抖動的故障現象。

2 記錄儀的組成及原理

在集中控制操舵儀內，記錄儀主要功能為通過雙CAN總線接收設備內各模塊的數字信息（如航向、指令舵角、實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CF卡中。當集中控制操舵儀出現特殊情況，雙CAN總線全部癱瘓，無法獲取實際反饋舵角當數字信號時，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，并實時將舵角信息存儲于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）為主機板，2塊A3CSD負責雙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）。應急舵角指示表經R2和R3可調電阻校正后，調理板的189f點的電壓大致在12V左右，而舵角反饋機構跟隨舵實際動作，帶動189c點的電壓在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，進行電壓至舵角換算后，可獲取實際舵角反饋信號，以備應急記錄之需。

3 故障現象

為了確保記錄儀記錄的實際反饋舵角的準確性，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行檢測。在一次成品檢驗過程中，發現記錄儀內部ADT650模塊的舵角反饋電壓采集精度出現抖動（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，反饋電壓采樣穩定性不佳的原因可能如下：（1）記錄儀內ADT650模塊本身故障。因該記錄儀已交付使用多船套，均未出現此現象，因此懷疑個別ADT650模塊存在質量問題。聯系模塊供應商，通過返廠對ADT650模塊重新檢測和更換新模塊等多次嘗試，故障現象依然存在，說明ADT650模塊本身不存在質量問題。（2）配試設備給出的反饋舵角信號不穩定，經實際測量，配試設備功能正常，給出反饋舵角信號穩定。（3）舵角反饋線路由配試設備后經過集控儀設備多個骨架，線路上的信號可能被干擾有紋波，ADT650模塊抗干擾設計不足。經過多次嘗試，將連接記錄儀插頭上跨接電阻R由100KΩ更換成10MΩ后，經過1小時通電試驗，ADT650模塊采樣穩定，未再出現抖動現象，精度滿足要求。（4）雖然通過加大跨接電阻阻值，故障現象得到了消除，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生的原因。通過對跨接10MΩ電阻方案進行反復論證分析，并搭建相應環境進行模擬驗證，得出以下兩點推論：a.電壓采集通路上可能存在干擾信號，若在純凈無干擾環境下，電壓采集精度應該不會出現抖動。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。

為了驗證推論的正確性，找到故障發生的機理，消除隱患，我們對電路進行了進一步檢測，經示波器測量，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存在干擾信號，對記錄儀和反饋電壓信號來源的原理進行分析，記錄儀內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（負端）不連通，此時舵角反饋線路相當于一個開環高內阻的電偶極子天線，若DC24V電源有波動或受到干擾，經舵角反饋線路會引入ADT650模塊，最終造成采樣精度不穩定。

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SCXX5326電源模塊改進設計。在SCXX5326電源模塊的DC24V的負端和DC5V的負端跨接1個100uF電容，使兩種電源地（負端）為交流等電位，舵角反饋線路變成一個閉環低內阻的磁偶極子天線，此時DC24V電源若再出現波動或受到干擾，由舵角反饋線路帶入的干擾經閉環通路流入電源負端被吸收，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，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，經過長時間（12小時）通電測試，未出現超過0.01V的偏差，實際測得最大偏差僅為0.005V。為了進一步驗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電阻方案對比發現，10MΩ電阻電壓采樣出現不穩定，偏差超出要求范圍，加到無窮大，抖動依然存在，說明出現大的干擾時，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。

通過協商，電源模塊供應商對SCXX5326電源模塊進行改進，在其輸入DC24V電源負端和輸出DC5V電源負端跨接1個100uF電容。

5 結束語

本次故障的發生具有偶然性，已出廠交付的多船套記錄儀檢驗時均未出現此故障，雖然該故障不會影響設備正常使用，但該故障對記錄儀作用的發揮是有影響的，記錄的數據不準確就失去了實際意義。因此對該故障應當舉一反三，對已交付使用的記錄儀擇機更換內部的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，所以當干擾較大時，故障又出現了。因此，故障的排除必須清楚故障發生的機理，才能從根本上消除故障隱患。

參考文獻：

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