基于Viking35的電子調(diào)速器典型故障分析

厲行軍，高瀚林2，林文友

(1.92246部隊(duì)，上海 201900；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

電子調(diào)速器動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度快，動(dòng)靜態(tài)精度高的特點(diǎn)[1]，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制上得到廣泛的應(yīng)用。艦船自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)艦船動(dòng)力裝置的控制也提出更高要求，關(guān)于電子調(diào)速器的應(yīng)用，考慮以海茵茨曼旗下歐羅巴公司出品的 Viking35 控制器及執(zhí)行器組成的電子調(diào)速器為例，介紹Viking35控制器的工作原理及典型的故障排除分析方法，為艦員級(jí)維修提供參考依據(jù)。

1 Viking 35控制器簡(jiǎn)介

Viking35機(jī)旁轉(zhuǎn)速控制模塊即調(diào)速器控制器，使用的是與主機(jī)調(diào)速器執(zhí)行器相配套的控制板，以動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度快，動(dòng)靜態(tài)精度高的特點(diǎn)[1]在中速柴油機(jī)上使用廣泛。Viking 35控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的轉(zhuǎn)速的加減、轉(zhuǎn)速指令信號(hào)的接受轉(zhuǎn)換與輸出、停車、報(bào)警等功能，實(shí)物外觀和接線說(shuō)明見(jiàn)圖1、2。

圖1 Viking 35控制器實(shí)物外觀

圖2 Viking 35控制板接線說(shuō)明

內(nèi)部接線功能如下。

36,38接線端：電子調(diào)速器的供電電源，電壓為24 V；

23,22接線端：主機(jī)控制位置有效判斷，通過(guò)采集有無(wú)24 V信號(hào)來(lái)判斷是出于機(jī)旁還是遙控狀態(tài)；

89,88接線端：第一路主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速；

92,91接線端：第二路主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速，兩路主機(jī)轉(zhuǎn)速均為脈沖量信號(hào)輸入；

25,24接線端：在機(jī)旁操縱時(shí)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)加轉(zhuǎn)速功能，當(dāng)25,24之間采到24 V電即可加實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速；

27,26接線端：在機(jī)旁操縱時(shí)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)減轉(zhuǎn)速功能，當(dāng)27,26之間采到24 V電即可實(shí)現(xiàn)減轉(zhuǎn)速；

72,71接線端：遙控控制有效時(shí)，由程序發(fā)送過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速指令電流；

3,2接線端：經(jīng)過(guò)電子調(diào)速器微分計(jì)算，放大處理，輸出主控電流；

5,4接線端：電子調(diào)速器故障報(bào)警輸出。

2 電子調(diào)速器工作原理

電液調(diào)速器正常使用前需要下載運(yùn)行底程序，下載配置參數(shù)。每臺(tái)電液調(diào)速器的參數(shù)并不完全相同，主要根據(jù)主機(jī)特性和調(diào)試過(guò)程配機(jī)得到[2]，基本工作原理：通過(guò)安裝在主機(jī)自由端或輸出端的轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)(也叫反饋轉(zhuǎn)速)，脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，頻率信號(hào)輸入到電壓轉(zhuǎn)換模塊，由此產(chǎn)生的模擬電壓量，在此基礎(chǔ)上接入到數(shù)字信號(hào)模塊，通過(guò)比較偏差模塊和PID運(yùn)算模塊，輸出放大后的控制量，最后輸出到執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已到達(dá)控制轉(zhuǎn)速的目的[2-4]。最終目的是根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出主控電流信號(hào)量大小，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速快速趨于穩(wěn)定，減少因復(fù)合變化帶來(lái)的波動(dòng)，從而保證柴油機(jī)具備良好的工作特性，其 PID調(diào)節(jié)原理見(jiàn)圖3[2]。

圖3 PID調(diào)節(jié)原理

Viking35控制器里面的PID調(diào)節(jié)功能會(huì)判斷目前動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，區(qū)分啟停、加減速、并車等工況自動(dòng)選擇配置參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。一般情況下一個(gè)控制器里面有多組PID參數(shù)，如主機(jī)起車過(guò)程中的 PID調(diào)節(jié)參數(shù)，主機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，轉(zhuǎn)速采集備用一路啟用時(shí)主機(jī)PID調(diào)節(jié)參數(shù)以及控制器的備用配置PID調(diào)節(jié)參數(shù)等。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中一種基本調(diào)節(jié)方法，具有比例、積分和微分作用的一種線性調(diào)節(jié)規(guī)律，與之對(duì)應(yīng)的3個(gè)主要參數(shù)為比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ti和微分系數(shù)Td。這一控制量的表達(dá)式為[3-6]

(1)

比例調(diào)節(jié)功能是指控制系統(tǒng)在控制量上如果出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)會(huì)根據(jù)設(shè)定的比例反應(yīng)來(lái)進(jìn)行隨動(dòng)的調(diào)節(jié)作用使其偏差減少。比例系數(shù)Kp值的大小，對(duì)應(yīng)著調(diào)節(jié)速度的快慢，Kp值越大調(diào)節(jié)速度就越快，起到減少偏差作用；但過(guò)大的Kp值，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，容易引起被控量發(fā)生振蕩。而積分調(diào)節(jié)的主要功能是使系統(tǒng)提高無(wú)差度，消除穩(wěn)態(tài)誤差，只要系統(tǒng)有誤差存在，無(wú)論大小積分調(diào)節(jié)功能就會(huì)一直有效。積分作用的強(qiáng)弱主要取決于積分系數(shù)Ti值得大小，Ti越小，積分就越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)反應(yīng)就快，可以縮短消除靜差的時(shí)間，但也會(huì)導(dǎo)致超調(diào)增大，減弱了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分作用主要反映的是系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，可以預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此微分調(diào)節(jié)功能可以產(chǎn)生超前的控制作用，合適的微分Td值起到改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的作用，可以減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)的時(shí)間，但微分作用會(huì)對(duì)系統(tǒng)的噪音干擾起到放大作用，對(duì)系統(tǒng)的抗干擾不利[5-6]。

平時(shí)重點(diǎn)關(guān)注幾個(gè)階段，如柴油機(jī)的啟動(dòng)停止、主機(jī)接脫排、主機(jī)加減速等典型使用場(chǎng)景，這些階段，柴油機(jī)負(fù)荷突然變化，導(dǎo)致柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生波動(dòng)，轉(zhuǎn)速變化主要通過(guò)調(diào)整比例參數(shù)(P)來(lái)控制。而柴油機(jī)負(fù)荷突然變化后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定需要一定時(shí)間，該反應(yīng)時(shí)間主要通過(guò)積分調(diào)節(jié)(I)來(lái)控制，這需要在試驗(yàn)中不斷的優(yōu)化PID參數(shù)的設(shè)置來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求[7]。

3 典型故障排除

對(duì)于電子調(diào)速器類的故障，在排故之前，首先應(yīng)查看原理圖、接線圖，了解系統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)原理，理清控制流程[8]，不可盲目拆檢，要從整體出發(fā)，從故障現(xiàn)象處入手，通過(guò)觀察對(duì)比、逐一檢測(cè)，最后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)點(diǎn)位。

3.1 基本控制流程

主機(jī)的啟動(dòng)方式主要有兩種：①機(jī)旁啟動(dòng)，在機(jī)艙啟動(dòng)主機(jī)時(shí)，只需按下機(jī)旁操縱臺(tái)上的起動(dòng)按鈕直到主機(jī)發(fā)火成功；②遙控啟動(dòng)，在集控室或是駕駛室的自動(dòng)操作面板上按下“啟動(dòng)”按鈕放開(kāi)即可。二者區(qū)別在于遙控啟動(dòng)是由程序發(fā)出的啟動(dòng)命令，指令和反饋是一個(gè)閉環(huán)。在主機(jī)啟動(dòng)時(shí)，Viking 35控制器設(shè)定的轉(zhuǎn)速初始化為怠速，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速大于發(fā)火轉(zhuǎn)速后，主機(jī)本身會(huì)先拉轉(zhuǎn)速，拉上去之后電子調(diào)速器開(kāi)始接管，通過(guò)主控電流穩(wěn)定到空車目標(biāo)轉(zhuǎn)速400 r/min。

當(dāng)操作部位在機(jī)旁時(shí)，只有半自動(dòng)加減轉(zhuǎn)速功能，通過(guò)機(jī)旁臺(tái)上“轉(zhuǎn)速加”、“轉(zhuǎn)速減”按鍵分別輸入到電子調(diào)速器的25、24,27、26接線端實(shí)現(xiàn)加減速。當(dāng)操作部位在遙控時(shí)，在駕駛室和集控室分別布置有主車鐘、遙控操縱板(功能定義鍵)、應(yīng)急操控模塊等指令輸入設(shè)備，當(dāng)在集控室或駕駛室發(fā)出這些遙控指令后，指令通過(guò)CAN總線送至機(jī)艙內(nèi)的通用監(jiān)控單元(控制用)，監(jiān)控單元內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊負(fù)責(zé)控制邏輯的處理，并將控制指令通過(guò)I/O輸出，以模擬量形式送至電子調(diào)速器72、71接線端進(jìn)行調(diào)速。

電子調(diào)速器在進(jìn)行調(diào)速時(shí)，調(diào)速器根據(jù)兩路反饋轉(zhuǎn)速(一路主用、一路備用)與給定轉(zhuǎn)速的差值比較，調(diào)整主控電流的輸出以達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)兩路主機(jī)反饋轉(zhuǎn)速互補(bǔ)使用，當(dāng)一路轉(zhuǎn)速失效時(shí)，另一路即可投入使用。電子調(diào)速器因外部因素導(dǎo)致報(bào)警時(shí)可通過(guò)集控室功能定義鍵上的復(fù)位按鈕復(fù)位報(bào)警，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，21,20接線端采到24 V電實(shí)現(xiàn)對(duì)電子調(diào)速器的報(bào)警復(fù)位。

3.2 典型故障

1)現(xiàn)象一：主機(jī)起機(jī)后轉(zhuǎn)速到不了400 r/min，運(yùn)行在主機(jī)后備轉(zhuǎn)速區(qū)間。

排除方法如下。

第一步：確定主機(jī)的后備轉(zhuǎn)速，看是否與當(dāng)前的轉(zhuǎn)速一致。拔掉主機(jī)調(diào)速器上主控電流航空插頭，起動(dòng)主機(jī)觀察主機(jī)后備轉(zhuǎn)速為多少轉(zhuǎn)。一般主機(jī)后備轉(zhuǎn)速設(shè)置在350 r/min左右，建議不要高于380 r/min。如果后備轉(zhuǎn)速設(shè)置400 r/min以上，則主機(jī)起動(dòng)后轉(zhuǎn)速即為400 r/min以上，不會(huì)拉到400 r/min，此時(shí)主控電流是不起作用的。后備轉(zhuǎn)速如果設(shè)置在390 r/min左右，主機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速可能會(huì)保持在后備轉(zhuǎn)速390 r/min左右，因?yàn)樵O(shè)置的后備轉(zhuǎn)速太接近主控怠速，可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間拉不到400 r/min的情況。

第二步：轉(zhuǎn)遙控停機(jī)，復(fù)位繼續(xù)觀察。如果主機(jī)起機(jī)后為后備轉(zhuǎn)速低于400 r/min，停下主機(jī)，將操作部位切換到集控，在推進(jìn)臺(tái)功能定義鍵按“停車”、“復(fù)位”按鈕，再次起機(jī)觀察。集控室功能定義鍵的“復(fù)位”鍵不僅可以復(fù)位監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警，還能復(fù)位電子調(diào)速器的報(bào)警。比如因起機(jī)時(shí)燃油壓力低或者起動(dòng)空氣壓力低導(dǎo)致的起機(jī)失敗，主機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致的故障降速，故障停車等也需要復(fù)位。吹車后或者在機(jī)旁停車后建議按下停車，保證燃油齒條降到5%以下，因?yàn)樵跈C(jī)旁時(shí)，電子調(diào)速器需要滿足轉(zhuǎn)速為0，燃油齒條5%以內(nèi)這兩個(gè)條件后確認(rèn)為主機(jī)正常停車，以保證主機(jī)下次能正常起動(dòng)。

第三步：判斷是否為主機(jī)轉(zhuǎn)速失效。復(fù)位后，如果起機(jī)后還是主機(jī)后備轉(zhuǎn)速，可在起機(jī)后使用萬(wàn)用表測(cè)量電子調(diào)速器上89、88,92、91接線端上的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，如果兩個(gè)轉(zhuǎn)速?zèng)]信號(hào)，電子調(diào)速器轉(zhuǎn)速失效報(bào)警，主控不起作用。

第四步：判斷是否為調(diào)速器執(zhí)行器主控?cái)嗑€。復(fù)位后，如果起機(jī)后還是主機(jī)后備轉(zhuǎn)速，檢查從電子調(diào)速器主控輸出到執(zhí)行器航插頭之間線路是否斷線，是否接反。正常情況下電子調(diào)速器主控輸出的3接線端對(duì)應(yīng)航空插頭C腳,2接線端對(duì)應(yīng)航空插頭的A腳,C腳為正A腳為負(fù)，接反會(huì)導(dǎo)致主控不起作用，正常情況下，拔掉主控航插頭，C腳與A腳之間可以測(cè)量到直流電24 V。

2)現(xiàn)象二：主機(jī)起動(dòng)后或者拉高轉(zhuǎn)速后波動(dòng)比較大。

排出方法如下。

第一步：判斷原因是否為轉(zhuǎn)速反饋故障。使用萬(wàn)用表測(cè)量電子調(diào)速器上89、88,92、91接線端上的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，觀察轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)，如果頻率不一致，差值稍大，則可能是兩路主機(jī)轉(zhuǎn)速不一致導(dǎo)致主機(jī)油車，可更換波動(dòng)較大或誤差較大的轉(zhuǎn)速傳感器。更換方法為將新傳感器擰到底再回轉(zhuǎn)一圈半固定，也可協(xié)調(diào)需服務(wù)人員調(diào)整。

第二步：判斷是否為轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量故障。查看主機(jī)飛輪端兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器探頭表面是否有臟污附在上面，測(cè)速大齒輪凹槽處是否有雜物，以及傳感器的連接插頭是否有油污，以上原因都會(huì)導(dǎo)致脈沖信號(hào)采集不準(zhǔn)。有雜物的話需要用干抹布擦拭干凈，清理的時(shí)候注意不可隨意拆動(dòng)改變傳感器的位置。

第三步：判斷主機(jī)特性是否發(fā)生改變。主機(jī)特性發(fā)生改變一般很少出現(xiàn)，一般出現(xiàn)在噴油泵大量的調(diào)整更換，噴油器供油量大批量的調(diào)整或是調(diào)速器與油門(mén)拉桿固定螺絲發(fā)生松動(dòng)移位等情況，如果主機(jī)特性發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行配機(jī)試驗(yàn)。

4 結(jié)論

艦船自動(dòng)化發(fā)展對(duì)艦員的自修能力要求越來(lái)越高，對(duì)于電子調(diào)速器類的故障，不僅需要知道其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，控制原理，還需要弄懂與其相匹配的整套執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制流程，理清弄懂各種原理圖、監(jiān)控圖、接線圖。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，做到有

的放矢，從整體上把握方向，從局部出發(fā)，通過(guò)左右機(jī)對(duì)比觀察法、排除法、湊試法，理論與實(shí)踐相結(jié)合，逐步積累排故經(jīng)驗(yàn)。