柴油機控制系統(tǒng)負荷限制故障實例

隨著智能控制技術在各領域的廣泛使用，船用柴油機控制系統(tǒng)的自動化程度越來越高，其中就包括MANDiesel＆Turbo公司推出的典型代表ALPHATＲONIC3000(以下簡稱AC3000)控制系統(tǒng)。筆者針對一起MAN系列船用中速主柴油機增壓空氣壓力負荷限制輸出的故障，闡述故障現(xiàn)象、排查和處理過程，供同仁參考。一、設備簡介某三用拖輪DM使用雙機雙槳，可調螺距槳，主機型號MAN7L27/38，主機調速系統(tǒng)采用WOODWAＲD723PLUS電子調速器和UG-A電液執(zhí)行器，執(zhí)行器的輸入電流是10～180mA。主推進系統(tǒng)使用AC3000控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括推進控制面板(PropulsionControlPanel，PCP)、操縱手柄面板(ManeuveringHandlePanel，MHP)、車鐘口令面板(TelegraphOrderPanel，TOP)、推進控制單元(PropulsionControlUnit，PCU)、機旁推進控制(LocalPropulsionControl，LPC)幾個單元，各單元間通過數(shù)據(jù)線進行通訊。控制系統(tǒng)有NORMAL(正常)及BACKUP(備用)二種控制模式，平時主要工作在NORMAL模式，控制系統(tǒng)有故障時，可以利用BACKUP的模式直接控制推進系統(tǒng)螺距,實現(xiàn)船舶的應急操縱。NORMAL模式下推進系統(tǒng)又分聯(lián)合、獨立、恒速速度控制三種推進模式,船舶配備軸帶發(fā)電機,平時在恒速模式下工作。二、故障現(xiàn)象某日船舶DM從事海工作業(yè)服務時,左主推進加車過程中，負荷加至約70%螺距位置時,隨著MHP螺距指令的加大,實際螺距角不能跟隨增加，該部主機達不到正常的使用負荷,檢查控制系統(tǒng)PCP人機界面的負荷控制菜單,發(fā)現(xiàn)是增壓空氣壓力限制負荷輸出功能激活所致。通過現(xiàn)場顯示屏可以發(fā)現(xiàn)當時MHP螺距指令是73.2%,左推進系統(tǒng)實際螺距在68.6%位置,該負荷下主機增壓壓力是1.05bar(1bar=0.1MPa),對應的負荷限制輸出是66.7%,AC3000控制系統(tǒng)運算出的實際負荷是68.8%,主機實際負荷大于增壓壓力對應的負荷限制輸出,增壓空氣壓力負荷限制保護功能激活(見圖1)。圖1PCP人機界面為確定故障點，輪機部人員把控制模式切換到隨動模式，在PCP控制面板上操縱螺距加車，在整個螺距正常使用范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)相關限制問題，主機熱工參數(shù)正常。為了保證生產(chǎn)結合工區(qū)作業(yè)情況,在該部主機控制系統(tǒng)PCP內(nèi)先取消增壓空氣壓力限制功能,操縱模式切換回正常模式暫時維持使用。三、故障排除增壓空氣壓力是柴油機運行的重要參數(shù),直接影響到柴油機換氣質量﹑燃燒質量和排放性能?，F(xiàn)代船舶柴油機通常將增壓空氣壓力作為調速器燃油控制和柴油機負荷控制的參數(shù)之一,一定的增壓空氣壓力對應一定的主機負荷輸出，保證柴油機加車過程中油、氣比例匹配,防止柴油機燃燒不良冒黑煙,如運行中增壓空氣壓力低,則主機控制系統(tǒng)負荷限制功能起作用,限制柴油機負荷進一步加大。該輪主機工作在恒速模式下AC3000控制系統(tǒng)限制負荷原理圖見圖2。圖2恒速模式下

AC3000控制系統(tǒng)限制負荷原理圖主推進AC3000控制系統(tǒng)通過最低負荷選擇器(TorqueMinimumSelector)、PI控制器(PI-controller)、螺距指令選擇器(PitchSelection)等環(huán)節(jié)對主機負荷進行控制,原理是:集控室最大負荷限制(ECRMaximumTorqueLimit)、慢轉負荷限制(SlowdownTorqueLimit)、增壓空氣壓力負荷限制(ChargeAirTorqueLimit)、轉速負荷限制(RPMTorqueLimit)、程序負荷限制(LoadupProgramLimit)信號經(jīng)最低負荷選擇器后,輸出其中的最小負荷限制指令信號,該信號和控制系統(tǒng)運算出主機實際負荷進行比較,如果后者大,PI負荷控制器就會降低螺距設定點,螺距指令選擇器通過對負荷PI控制器輸出的螺距指令和MHP處螺距指令進行比較,輸出二者中較小的螺距指令,該指令作為螺距輸入信號實現(xiàn)可調螺距螺旋槳(ControllablePitchPropeller,CPP)螺距角的操縱,從而達到對主機進行負荷限制的功能。通過對故障前后相同螺距負荷下主機熱力參數(shù)的對比,發(fā)現(xiàn)主機熱工參數(shù)正常，增壓空氣壓力值正常,相同螺距負荷時各缸高壓油泵油門齒條刻度值在故障前后沒有發(fā)生變化,UG-A執(zhí)行器輸出軸角度也沒有改變,進一步檢查確認后發(fā)現(xiàn)該部主機機旁面板和主機AC3000控制系統(tǒng)PCP上面的油門齒條位移值比故障前大了。該信號由一個4~20mA電流信號轉化而來,4~20mA電流信號對應油門齒條位移的0~100%,在相同的螺距負荷情況下，故障前螺距75%時齒條位移顯示值為53%,故障后螺距70%時齒條位移顯示值為84%。通過說明書可知AC3000控制系統(tǒng)運算出的實際負荷取決于油門齒條值和轉速﹐推進系統(tǒng)運行在恒速模式下，故障前后主機轉速沒有發(fā)生變化,偏大的油門齒條信號導致主機控制系統(tǒng)AC3000運算出的顯示負荷變大,與該螺距負荷下的增壓空氣壓力對應的限制負荷值比較,顯示負荷大于限制負荷值?？刂葡到y(tǒng)AC3000的負荷限制功能觸發(fā),至此導致主機控制系統(tǒng)不能正常加車的故障范圍已經(jīng)明確,船上接下來要查找油門齒條位移顯示增大的具體故障原因。該主機沒有機械的油門齒條位移傳感器,查閱圖紙可知燃油齒條信號是由723PLUS的比例積分微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)控制器輸出的,是與UG-A執(zhí)行器輸入電流同源的一個電信號(見圖3）。圖3電子調速器723PLUS邏輯電路圖如圖4所示PID控制器的輸出一路經(jīng)21/22至UG-A執(zhí)行器用于推動油門改變供油量,另一路轉化為4~20mA的PIDLOADREADOUT(比例積分微分負荷指示數(shù)據(jù))作為燃油齒條信號。圖4723PLUS調速器接線圖該信號經(jīng)電子調速器723PLUS的17/18號端子輸出，一路信號經(jīng)Kl繼電器的觸點和2-WIREProgrammableTransmitter(以下簡稱信號隔離模塊)后再經(jīng)8/9號端子送至主機機旁1號信號采集箱的42/43端子進入AlphaComm安全系統(tǒng)(AlphaCommSafety,ACS)安保模塊,用于機旁控制站的油門齒條位移的顯示;另一路信號經(jīng)K1繼電器觸點和2只信號隔離模塊后，再經(jīng)10/11號端子送至主機機旁1號信號采集箱的19/20端子,然后送至主機AC3000遙控系統(tǒng)的處理器分散處理單元(DateProcessingUnit,DPU)內(nèi)用于主機負荷運算,運算結果通過數(shù)據(jù)傳輸可以在PCP人機界面上顯示出來。完車后對左、右電子調速器723PLUS里的2只信號隔離模塊互換后試車，故障依然存在,排除了相關隔離模塊存在問題的可能。在電子調速器723PLUS通訊端口上插入WOODWARD專用手持編碼器,兩部主機運行時查看UGA執(zhí)行器的輸入電流,發(fā)現(xiàn)左、右主機相同螺距負荷情況下執(zhí)行器電流相差明顯,負荷越高左主機的電流值越大,而且不成線性的比例關系,75%負荷時雙車執(zhí)行器的輸入電流相差30mA左右。為確定故障原因,輪機人員分別用2只萬用表串入電子調速器723PLUS電路中的21/22以及17/18間,測量執(zhí)行器的輸入電流和燃油齒條指示信號電流值,測量數(shù)據(jù)具體見表1。通過表格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在高負荷時,左主機執(zhí)行器輸入電流值比右主機明顯偏大。結合故障前后左主機油門總桿和各缸高壓油泵齒條位置沒有異常變化、執(zhí)行器輸出軸轉角沒有異常變化等情況,初步判斷UGA執(zhí)行器在相同的油門輸出情況下,所需要的電流增大了。對主機進行現(xiàn)場檢查,油門總桿和單缸高壓油泵齒條活絡、油門總桿和執(zhí)行器間的連接桿也沒有卡阻,可以排除由于這些部件阻力增大引起執(zhí)行器電流異常增高的可能。判斷UG-A執(zhí)行器內(nèi)部出現(xiàn)了問題,該執(zhí)行器部件圖見圖5。圖5

UG-A執(zhí)行器部件圖四、故障處理根據(jù)以上檢查情況與公司機務商議,決定對左右主機的UG-A執(zhí)行器進行互換,觀察故障是否能消除。輪機部人員利用休息時間,對左右主機的UG-A進行了對換處理,啟動試驗左右主機,左主機恢復正常,右主機出現(xiàn)相同的故障,從而確定左主機的UG-A執(zhí)行器故障。在船舶返港后,安排專業(yè)廠家人員對該UG-A執(zhí)行器進行了修理、安裝、調試，故障徹底排除,恢復了該主機的正常使用功能。五、故障總結本次故障最初體現(xiàn)在主推進控制系統(tǒng)AC3000上,最后實際故障點出現(xiàn)在調速器UG-A執(zhí)行器上。車間檢修執(zhí)行器時發(fā)現(xiàn)該執(zhí)行器扭矩電機繞組出現(xiàn)了問題,繞組電阻值受溫度的影響變化大,導致工作電流異常。從本次故障也可發(fā)現(xiàn),該款機型在控制設計時,可考慮實際負荷的反饋測量的信號點不從PID輸出點測取，而應從油門桿實際的轉動角度處選取測量點比較合適。本次故障也提醒輪機管理人員分析故障思路要清晰,要把機械和電氣相結合,根據(jù)船舶設備實際情況,具體問題具體分析。平時輪機管理出現(xiàn)設備故障時,要根據(jù)設備實際