某工作船主機(jī)異常停車故障的分析與處理

陳 深，胡 清，孫 顯

(安慶中船柴油機(jī)有限公司，安徽 安慶 246005)

技術(shù)交流

某工作船主機(jī)異常停車故障的分析與處理

陳 深，胡 清，孫 顯

(安慶中船柴油機(jī)有限公司，安徽 安慶 246005)

文章針對(duì)某工作船2臺(tái)主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的異常停車故障現(xiàn)象，進(jìn)行故障原因分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整PID參數(shù)，并在高負(fù)荷下進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，無(wú)異常停車現(xiàn)象發(fā)生，驗(yàn)證了該處理方案的有效性，最終解決了故障問(wèn)題。

電子調(diào)速器；異常停車；PID參數(shù)

主機(jī)在船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置[1]中扮演著至關(guān)重要的角色，是全船的心臟，因此對(duì)于主機(jī)的安全運(yùn)行保障就顯得尤其必要。若船舶在運(yùn)行或作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)主機(jī)突然停車的事故，對(duì)于某些特殊用途的船舶或其他相關(guān)設(shè)施可能會(huì)造成重大危害，所以在引起危害前必須盡快找出影響異常故障發(fā)生的關(guān)鍵因素并制定合理的方案，才能解決問(wèn)題，避免故障再次發(fā)生，為船舶的安全運(yùn)行提供可靠的環(huán)境。

1 故障現(xiàn)象

某深水三用工作船采用4臺(tái)柴油機(jī)、雙可調(diào)螺距螺旋槳驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)。每2臺(tái)柴油機(jī)分別通過(guò)高彈性聯(lián)軸節(jié)，將功率輸入1個(gè)齒輪箱，再經(jīng)中間軸系與調(diào)距槳聯(lián)接。每臺(tái)齒輪箱還分別通過(guò)高彈性聯(lián)軸節(jié)與1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)聯(lián)接，2臺(tái)主柴油機(jī)可同時(shí)也可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)。該船為更方便地實(shí)現(xiàn)2臺(tái)左或右主機(jī)在并聯(lián)模式下運(yùn)行，4臺(tái)主機(jī)均采用了電子調(diào)速器，通過(guò)2臺(tái)電調(diào)控制器(Woodward 723Plus)之間的通訊電纜和負(fù)荷分配線連接，同時(shí)利用設(shè)定軟件在控制器中進(jìn)行簡(jiǎn)單配置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該船在執(zhí)行作業(yè)或航行任務(wù)時(shí)，絕大多數(shù)情況下均采用2臺(tái)主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行模式。該船交付使用半年后，某次在海上執(zhí)行航行任務(wù)時(shí)，突然出現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中的1#與2#2臺(tái)左主機(jī)出現(xiàn)異常自動(dòng)停車現(xiàn)象，導(dǎo)致船舶瞬間失去動(dòng)力。在首次出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象后，一旦2臺(tái)主機(jī)在較高負(fù)荷下(60%以上額定負(fù)荷)運(yùn)行幾分鐘時(shí)間，都會(huì)出現(xiàn)此故障，嚴(yán)重影響了該船的正常營(yíng)運(yùn)。

2 故障分析

對(duì)于該船主機(jī)反復(fù)出現(xiàn)的異常停車故障現(xiàn)象，技術(shù)人員從以下幾個(gè)比較可能的方面進(jìn)行逐步分析。

2.1 主機(jī)安保系統(tǒng)動(dòng)作

當(dāng)出現(xiàn)如主機(jī)滑油壓力過(guò)低或出現(xiàn)真實(shí)超速等安全情況時(shí)，安保系統(tǒng)[2]將自動(dòng)發(fā)出指令給位于柴油機(jī)上安裝的燃油停車電磁閥，該停車電磁閥得電使控制空氣進(jìn)入燃油切斷裝置工作，從而驅(qū)動(dòng)燃油公共連桿朝停車方向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到斷油停車的目的。在上述各種安保動(dòng)作的情況下，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)地在主機(jī)控制箱上發(fā)出聲光報(bào)警信息，提醒船員注意。在調(diào)閱了該船集控室監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控電腦的歷史報(bào)警記錄發(fā)現(xiàn)，在幾次故障發(fā)生的時(shí)候，均無(wú)安保方面的報(bào)警記錄，主機(jī)控制箱上記錄報(bào)警的觸摸屏報(bào)警信息列表里也沒(méi)有相關(guān)記錄。從這一點(diǎn)進(jìn)行判斷，停車故障可能不是由主機(jī)安保動(dòng)作引起的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)判斷的正確性，服務(wù)工程師在2臺(tái)故障主機(jī)的燃油切斷裝置的活塞桿露出部位均涂抹上黃油，如圖2所示。如果是由主機(jī)安保動(dòng)作引發(fā)的停車情況，該活塞桿會(huì)向切斷裝置控制氣缸的內(nèi)部方向運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必定會(huì)將該部位的黃油從活塞桿上擠出，這種明顯的變化可以作為驗(yàn)證的手段，船員不必在機(jī)艙中對(duì)燃油切斷裝置時(shí)刻保持關(guān)注。船上人員操作將主機(jī)負(fù)荷逐步提高，當(dāng)故障出現(xiàn)后，再次到機(jī)艙觀察切斷裝置的活塞桿部位，發(fā)現(xiàn)原先涂上的黃油保持原樣，從而排除了主機(jī)安保引發(fā)停車的可能性。

圖1 雙機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)圖

圖2 燃油切斷裝置

2.2 安保系統(tǒng)相關(guān)電氣元件故障

安保系統(tǒng)中比較重要的電子元器件，如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)控模塊以及PLC模塊一旦出現(xiàn)故障，或者在主機(jī)運(yùn)行過(guò)程中受到船上其他電子設(shè)備的干擾，在屏蔽措施沒(méi)有做好的情況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器可能會(huì)發(fā)出虛假的脈沖信號(hào)，這種虛假脈沖信號(hào)被安保系統(tǒng)PLC控制器接收并處理，會(huì)自動(dòng)執(zhí)行超速停車指令并導(dǎo)致主機(jī)停車。此種情況和第一種分析情況在停車動(dòng)作的執(zhí)行過(guò)程上是一樣的，同時(shí)也一定會(huì)伴隨有聲光報(bào)警提示并自動(dòng)記錄。服務(wù)工程師首先檢查了船上對(duì)于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器從機(jī)上接線箱到控制箱的電纜情況，從該電纜是否為屏蔽電纜、轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)是否是單獨(dú)的電纜、屏蔽電纜的屏蔽層有沒(méi)有進(jìn)行接地處理等幾個(gè)方面分別檢查，該船以上幾個(gè)方面均符合相關(guān)規(guī)范以及技術(shù)要求[3]。同時(shí)，對(duì)曾經(jīng)在其他船有故障案例出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)控模塊以及PLC模塊均進(jìn)行了更換，更換后異常停車現(xiàn)象仍然會(huì)發(fā)生，說(shuō)明以上電子元器件質(zhì)量是完好的，對(duì)停車現(xiàn)象不構(gòu)成影響。

2.3 主機(jī)電子調(diào)速器執(zhí)行器故障

該船主機(jī)配置Woodward公司的UG8執(zhí)行器，是該型號(hào)柴油機(jī)在國(guó)內(nèi)首次和電子調(diào)速器配套使用，缺乏使用經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)與調(diào)速器廠家的技術(shù)人員進(jìn)一步了解，電子調(diào)速器的執(zhí)行器只是單純的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本身不具備調(diào)速功能，其主要作用就是接收723Plus控制器輸出的0～200 mA電流信號(hào)，通過(guò)控制器自身改變的電流大小來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的電機(jī)工作來(lái)加、減油門，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。從以上說(shuō)明可以看出，執(zhí)行器不會(huì)出現(xiàn)主動(dòng)拉油門的動(dòng)作讓柴油機(jī)停車，它只會(huì)被動(dòng)地根據(jù)控制器給出的調(diào)節(jié)指令去執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，從船員那里可以獲得一些重要信息，2臺(tái)主機(jī)如果分別在單機(jī)模式下工作，即使負(fù)荷加到80%以上長(zhǎng)期運(yùn)行，也不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行中無(wú)故異常停車的現(xiàn)象，故而判斷主機(jī)電子調(diào)速器執(zhí)行器故障的可能性是非常小的。

2.4 主機(jī)電子調(diào)速器控制器及外圍供電故障

2臺(tái)主機(jī)中任意一臺(tái)電子調(diào)速器723Plus控制器如果出現(xiàn)故障，會(huì)不會(huì)引發(fā)前面所述的停車故障現(xiàn)象呢？比如說(shuō)控制器故障導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)定好的參數(shù)因?yàn)槟撤N原因發(fā)生了變化，而這一點(diǎn)是很好判斷的，可以用隨機(jī)配置的手持式編程器查看相關(guān)設(shè)定參數(shù)，和該船交船前的系泊試驗(yàn)時(shí)記錄的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有的參數(shù)都和以前保持一致，沒(méi)有任何變化。隨后，技術(shù)人員查看了該型號(hào)控制器的操作說(shuō)明書(shū)，其規(guī)定的供電范圍為DC 18～40 V。調(diào)速器廠家工程師懷疑是否并聯(lián)運(yùn)行主機(jī)在較高負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)控制器供電不足(一旦供電電壓跌至18 V以下，可能會(huì)出現(xiàn)異常故障)。根據(jù)該船主機(jī)控制系統(tǒng)圖紙要求，723Plus控制器電源從主機(jī)安保箱中提供，該電源來(lái)自船上UPS電源箱。通常情況下，UPS電源是不間斷供電模式，且能保持其輸出電壓的穩(wěn)定性。重新啟動(dòng)主機(jī)，并讓2臺(tái)主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，駕駛室按照要求逐步地提高負(fù)荷，同時(shí)在此期間技術(shù)人員用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)試控制器的供電電壓，發(fā)現(xiàn)該電壓值維持在DC 23 V左右。一直到出現(xiàn)2臺(tái)主機(jī)停車故障，觀察發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表顯示數(shù)值依然保持DC 23 V不變，并沒(méi)有降低或超出至該控制器供電電源要求范圍的現(xiàn)象。

2.5 電子調(diào)速器PID參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)不匹配

對(duì)于配置電子調(diào)速器的主機(jī)，在主機(jī)廠臺(tái)架試驗(yàn)以及船廠系泊試驗(yàn)期間，都要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)負(fù)荷情況的不同，對(duì)每1臺(tái)主機(jī)配套的電子調(diào)速器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，主要是PID參數(shù)的調(diào)整。技術(shù)人員利用Woodward調(diào)速器公司專為電子調(diào)速器設(shè)計(jì)的在線監(jiān)控軟件Toolkit在筆記本上對(duì)主機(jī)的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行監(jiān)控。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的轉(zhuǎn)速曲線顯示，如圖3所示，當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行主機(jī)提高到較高負(fù)荷時(shí)，一段時(shí)間(大概2～3 min)以后執(zhí)行器控制信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)，最終導(dǎo)致停機(jī)。因?yàn)?臺(tái)主機(jī)處在并聯(lián)運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)對(duì)負(fù)荷分配有很大影響，1臺(tái)主機(jī)停機(jī)，故障主機(jī)的所有負(fù)荷將瞬間轉(zhuǎn)移到和其并聯(lián)的另1臺(tái)主機(jī)上，導(dǎo)致另1臺(tái)主機(jī)出現(xiàn)超負(fù)荷直接停機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，結(jié)合監(jiān)控曲線可以初步判斷，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是比例增益過(guò)大導(dǎo)致執(zhí)行器信號(hào)震蕩所致。該船這2臺(tái)故障主機(jī)在主機(jī)廠臺(tái)架試驗(yàn)和船廠系泊試驗(yàn)時(shí)PID參數(shù)都經(jīng)過(guò)了多次調(diào)整，但對(duì)于在較高負(fù)荷下的工況可能還不是很合適。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)是會(huì)發(fā)生變化的，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性不可避免的會(huì)發(fā)生變化。PID參數(shù)為了能夠涵蓋所有的變化是需要不斷摸索的，一般需要在臺(tái)架上進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)。因此，技術(shù)人員分析現(xiàn)在出現(xiàn)的問(wèn)題就是發(fā)動(dòng)機(jī)隨著磨合穩(wěn)定，特性有所變化，而前期參數(shù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)足夠多工況的驗(yàn)證，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化導(dǎo)致PID參數(shù)未涵蓋其變化導(dǎo)致輸出波動(dòng)進(jìn)而在高負(fù)荷停機(jī)。針對(duì)以上情況，并根據(jù)故障發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線變化，綜合分析之后，決定采取的解決方案是將2臺(tái)電子調(diào)速器的比例增益向下調(diào)整。

圖3 轉(zhuǎn)速監(jiān)控曲線(調(diào)整PID前)

3 故障處理

再次啟動(dòng)主機(jī)之后，技術(shù)人員要求船上駕駛室先讓2臺(tái)主機(jī)在低負(fù)荷下運(yùn)行一段時(shí)間，以便對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并在線觀察調(diào)整后的轉(zhuǎn)速曲線變化情況，調(diào)整界面如圖4所示。

圖4 PID參數(shù)修改界面

分別對(duì)2臺(tái)故障主機(jī)的電調(diào)控制器PID參數(shù)調(diào)整如下：1#比例增益 Gain 由0.9調(diào)整至0.66；2#比例增益Gain 由1.1調(diào)整至0.89，調(diào)整之后在主機(jī)高負(fù)荷情況下監(jiān)控發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況明顯好轉(zhuǎn)，不過(guò)依然不太理想。為了使轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍進(jìn)一步減小，技術(shù)人員繼續(xù)調(diào)整PID參數(shù)，1#比例增益 Gain 由0.66調(diào)整至0.4；2#比例增益Gain由0.89調(diào)整至0.72。經(jīng)過(guò)再次調(diào)整后，2臺(tái)主機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線非常平穩(wěn)，監(jiān)控截圖如圖5所示。隨后，該船1#與2#2臺(tái)主機(jī)在并聯(lián)模式下高負(fù)荷工況運(yùn)行約4 h未發(fā)生任何異常。自此次調(diào)整后，該船主機(jī)已經(jīng)無(wú)故障運(yùn)行近半年時(shí)間。

圖5 轉(zhuǎn)速監(jiān)控曲線(調(diào)整PID后)

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)此次主機(jī)異常停車故障分析與處理過(guò)程，可以得出如下結(jié)論。

1)隨著柴油機(jī)狀態(tài)的改變，被控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與之前相比發(fā)生了變化，超出了PID參數(shù)的控制范圍。因此PID參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間出現(xiàn)不匹配，引起執(zhí)行器控制信號(hào)抖動(dòng)，從而使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大造成轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)失真，觸發(fā)停車。

2)經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，使電子調(diào)速器PID參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間達(dá)到了良好的匹配，已能覆蓋出現(xiàn)故障的1#與2#2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行主機(jī)所有的工況，在今后的使用中應(yīng)能良好的工作。

船舶主機(jī)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象多種多樣，本文對(duì)今后船舶主機(jī)出現(xiàn)類似故障現(xiàn)象的解決具有一定的借鑒與參考意義。

[1] 黃少竹. 船舶柴油機(jī)[M]. 大連：大連海事出版社，2005.

[2] 鄭鳳閣. 輪機(jī)自動(dòng)化[M]. 大連：大連海事出版社，1998.

[3] 中國(guó)船級(jí)社. 中國(guó)船級(jí)社國(guó)內(nèi)航行海船入級(jí)規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社, 2006.

In regard to the abnormal shutdown of the two main engines of certain workboat during parallel running,all the possible influencing factors are analyzed for seeking solutions to solve the problem.The specific measure is to adjust PID parameters at site and to conduct test under heavy load.After a long time of running,no abnormal shutdown is found.As a result,the effectiveness of this solution is verified.

electronic governor;abnormal shutdown;PID parameters

陳深(1980-)，男，安徽安慶人，工程師，學(xué)士，主要從事柴油機(jī)電氣控制工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.001

2016-12-02