基于碟式離心分離機(jī)邏輯控制的健康管理設(shè)計與分析

袁吉勝，謝昌成，朱殿璞

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

從船舶發(fā)展的總體需求分析來看，未來船舶現(xiàn)代化水平的差異主要體現(xiàn)在信息化程度的高低上。船舶上的機(jī)電設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)非常龐大，而且隨著船舶性能指標(biāo)的不斷提升，新的機(jī)電設(shè)備將源源不斷地被整合到船舶系統(tǒng)中。船員不僅需要掌握裝備的操作方式，而且要在突發(fā)故障時擁有快速解決故障的能力；與此同時，船員人數(shù)被更加嚴(yán)格地控制以節(jié)約成本。船舶機(jī)電設(shè)備需要擁有一套完善的健康管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包含在線檢測、監(jiān)測保護(hù)、數(shù)據(jù)管理、分析診斷等模塊?，F(xiàn)以碟式離心分離機(jī)邏輯控制的健康管理設(shè)計為例，詳細(xì)分析健康管理系統(tǒng)的各模塊。

1 在線檢測

碟式離心分離機(jī)工作前，需確認(rèn)壓縮空氣、工作水和蒸汽等外部保障條件的正常供給。蒸汽加熱器對蒸汽的需求量由蒸汽管路上的溫控閥控制。程序控制箱根據(jù)加熱器內(nèi)滑油流量和滑油溫度的實(shí)際情況，自動調(diào)節(jié)溫控閥的開度，確保進(jìn)入分離機(jī)的滑油溫度滿足要求。壓縮空氣和工作水需滿足壓力要求，否則將影響各閥組的正常工作。功能流程見如圖1。

圖1 功能流程圖

依據(jù)實(shí)際工作流程，在人機(jī)交互界面進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃。人機(jī)界面層次、排布合理清晰，主界面的流程示意跟裝備實(shí)物流程嚴(yán)格保持一致，在界面左上角直觀地實(shí)時顯示裝備實(shí)際狀態(tài)，如圖 2所示。

圖2所示界面能夠幫助船員直觀地了解整個碟式離心分離機(jī)的工作流程、管路布局和設(shè)備組成。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)，如供油泵電流、油溫、分離機(jī)電流、凈油油壓和水壓等，一般可在相關(guān)設(shè)備旁讀取。有了該界面后，當(dāng)船員想要了解相關(guān)設(shè)備的參數(shù)時，可以直接在人機(jī)界面上讀取，無需跑到設(shè)備旁，從而提升了工作效率。

圖2 碟式離心分離機(jī)示意圖

整個碟式離心分離機(jī)工作流程數(shù)量多且每個工作流程時間長。根據(jù)歷年的使用經(jīng)驗以及顧客的反饋，其最大缺點(diǎn)就是不能直觀地觀察到機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。因此，在線檢測的設(shè)計中增加了分離工況實(shí)時顯示以及每個工況的倒計時顯示。

在主界面新增一個I/O界面，如圖3所示。此界面的所有數(shù)據(jù)都是采樣的原始數(shù)據(jù)，且采樣數(shù)據(jù)實(shí)時在線刷新。此窗口可以有效地幫助工程師進(jìn)行例行檢修，船員也可以通過此窗口判斷相關(guān)傳感器的狀態(tài)。

圖3 I/O界面圖

2 監(jiān)測保護(hù)

為了全面監(jiān)測分析裝備的運(yùn)行情況，本系統(tǒng)需要監(jiān)測分離機(jī)轉(zhuǎn)速、管路油溫、分離機(jī)電流、供油泵電流、凈油排放壓力、水排放壓力、本地輸入、遙控輸入、自檢輸入、分離機(jī)本地啟動、分離機(jī)本地停止、供油泵本地啟動、供油泵本地停止等工況參數(shù)。系統(tǒng)測點(diǎn)清單如表1所示，這些測點(diǎn)可以滿足碟式離心分離機(jī)健康管理系統(tǒng)的基本要求。

表1 系統(tǒng)測點(diǎn)清單（單臺套裝備）

根據(jù)設(shè)計初衷，監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)被定義為健康管理系統(tǒng)最為核心的架構(gòu)之一，同時也是系統(tǒng)眾多窗口中開放程度最低的一個，需要一定的用戶權(quán)限才能打開此窗口。用戶權(quán)限界面如圖4所示。

在編寫下位機(jī)控制程序時，采用功能塊的形式進(jìn)行搭建，故可以通過此窗口的參數(shù)輸入修改控制流程以及報警閥值。同時，由于通過此窗口可以直接修改碟式離心分離機(jī)的控制流程和報警停止動作，因此此窗口是不對外開放的，僅在工程師調(diào)試時用于針對每個裝備的差異做少許調(diào)整。參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖4 用戶權(quán)限界面圖

圖5 參數(shù)設(shè)置界面圖

3 數(shù)據(jù)管理

3.1 數(shù)據(jù)記錄

在設(shè)計時，將數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)大致分為數(shù)據(jù)采集記錄和數(shù)據(jù)存儲兩大部分。

數(shù)據(jù)采集記錄架構(gòu)分為歷史報警和輸入記錄。歷史報警是為了方便工程設(shè)計人員了解單個裝備的運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場操作人員可以使用此功能輔助分析故障原因。在設(shè)計時增加了分離機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時檢測曲線和油溫加熱檢測曲線，以方便操作人員評估裝備狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 歷史報警界面圖

輸入記錄架構(gòu)采用單點(diǎn)下降沿觸發(fā)全輸入的方式記錄裝備的所有輸入信號，其作用是幫助操作人員剔除誤操作記錄、追溯輸入指令和輸入次數(shù)，其界面如圖7所示。

圖7 輸入記錄界面圖

3.2 數(shù)據(jù)存儲

在設(shè)計數(shù)據(jù)存儲方案時，根據(jù)裝備的使用習(xí)慣和數(shù)據(jù)處理量的大小，估算出所需要的硬件內(nèi)存和數(shù)據(jù)導(dǎo)出頻率。本系統(tǒng)中：1）共需采集 39種數(shù)據(jù)，每次采集的單條記錄大約為2 kB，根據(jù)以往使用習(xí)慣，1 h平均采集各種數(shù)據(jù)累積約為80條；2）依據(jù)歷年報警記錄，開機(jī)運(yùn)行1 h，存儲數(shù)據(jù)量約10 kB；3）查看以往的裝備運(yùn)行情況，1年約運(yùn)行1 500 h。

綜上所訴，按照平均兩年導(dǎo)出一次數(shù)據(jù)記錄的頻率，系統(tǒng)所需內(nèi)存為512 Mb。

4 分析診斷

分析診斷分系統(tǒng)是整個系統(tǒng)能否有效發(fā)揮預(yù)警功能以及能否對故障原因做出準(zhǔn)確判斷的關(guān)鍵系統(tǒng)。

該系統(tǒng)架構(gòu)嚴(yán)格遵循系統(tǒng)控制邏輯流程，如圖8所示。在設(shè)計架構(gòu)時，充分利用裝備的使用和維修經(jīng)驗，將實(shí)船使用中的情況與邏輯判斷相結(jié)合，形成在主界面右側(cè)的以故障樹為藍(lán)本，以故障信息、原因分析診斷為輔的系統(tǒng)架構(gòu)。

現(xiàn)以分離機(jī)低轉(zhuǎn)速報警為例進(jìn)行分析。通過分析可知，分離機(jī)轉(zhuǎn)速突減的原因主要有3個：1）電機(jī)皮帶打滑；2）水壓過低導(dǎo)致托盤下降，水壓通過排渣口卸荷；3）電機(jī)自身故障。

圖8 系統(tǒng)控制邏輯圖

由圖9可知，M10.0是判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時電流是否異常的標(biāo)志位，M10.0為“0”時，可以看做電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；M10.1是判斷分離機(jī)運(yùn)行過程中水壓是否正常的標(biāo)志位，M10.1為“0”時，可以判斷分離機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中水壓持續(xù)保持在正常范圍。設(shè)計時，為避免在分離機(jī)轉(zhuǎn)速突降時發(fā)生誤報警的情況，通過定時器 T110做一個持續(xù)性的觸發(fā)計時。只有當(dāng)報警持續(xù)一段時間后才會觸發(fā)報警輸出，并在人機(jī)交換界面顯示報警信息“分離機(jī)轉(zhuǎn)速突降”和分析原因“分離機(jī)皮帶打滑”（因排除電機(jī)自身問題和水壓異常問題，故可以準(zhǔn)確地給出診斷信息），如圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)速突減的邏輯控制原理圖

圖10 轉(zhuǎn)速突減故障診斷示意圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗，將碟式離心分離機(jī)邏輯控制的健康管理系統(tǒng)分解為在線檢測、監(jiān)測保護(hù)、數(shù)據(jù)管理和分析診斷4個模塊。借助該系統(tǒng)，操作人員能夠在較短的時間內(nèi)掌握裝備的操作方式，并能在突發(fā)故障時快速掌握故障原因并制定相應(yīng)的解決方案，從而提高其對裝備的使用、維護(hù)和排故障能力。