柴油机控制系统负荷限制故障实例

随着智能控制技术在各领域的广泛使用，船用柴油机控制系统的自动化程度越来越高，其中就包括MANDiesel＆Turbo公司推出的典型代表ALPHATＲONIC3000(以下简称AC3000)控制系统。笔者针对一起MAN系列船用中速主柴油机增压空气压力负荷限制输出的故障，阐述故障现象、排查和处理过程，供同仁参考。一、设备简介某三用拖轮DM使用双机双桨，可调螺距桨，主机型号MAN7L27/38，主机调速系统采用WOODWAＲD723PLUS电子调速器和UG-A电液执行器，执行器的输入电流是10～180mA。主推进系统使用AC3000控制系统，该控制系统包括推进控制面板(PropulsionControlPanel，PCP)、操纵手柄面板(ManeuveringHandlePanel，MHP)、车钟口令面板(TelegraphOrderPanel，TOP)、推进控制单元(PropulsionControlUnit，PCU)、机旁推进控制(LocalPropulsionControl，LPC)几个单元，各单元间通过数据线进行通讯。控制系统有NORMAL(正常)及BACKUP(备用)二种控制模式，平时主要工作在NORMAL模式，控制系统有故障时，可以利用BACKUP的模式直接控制推进系统螺距,实现船舶的应急操纵。NORMAL模式下推进系统又分联合、独立、恒速速度控制三种推进模式,船舶配备轴带发电机,平时在恒速模式下工作。二、故障现象某日船舶DM从事海工作业服务时,左主推进加车过程中，负荷加至约70%螺距位置时,随着MHP螺距指令的加大,实际螺距角不能跟随增加，该部主机达不到正常的使用负荷,检查控制系统PCP人机界面的负荷控制菜单,发现是增压空气压力限制负荷输出功能激活所致。通过现场显示屏可以发现当时MHP螺距指令是73.2%,左推进系统实际螺距在68.6%位置,该负荷下主机增压压力是1.05bar(1bar=0.1MPa),对应的负荷限制输出是66.7%,AC3000控制系统运算出的实际负荷是68.8%,主机实际负荷大于增压压力对应的负荷限制输出,增压空气压力负荷限制保护功能激活(见图1)。图1PCP人机界面为确定故障点，轮机部人员把控制模式切换到随动模式，在PCP控制面板上操纵螺距加车，在整个螺距正常使用范围内没有出现相关限制问题，主机热工参数正常。为了保证生产结合工区作业情况,在该部主机控制系统PCP内先取消增压空气压力限制功能,操纵模式切换回正常模式暂时维持使用。三、故障排除增压空气压力是柴油机运行的重要参数,直接影响到柴油机换气质量﹑燃烧质量和排放性能。现代船舶柴油机通常将增压空气压力作为调速器燃油控制和柴油机负荷控制的参数之一,一定的增压空气压力对应一定的主机负荷输出，保证柴油机加车过程中油、气比例匹配,防止柴油机燃烧不良冒黑烟,如运行中增压空气压力低,则主机控制系统负荷限制功能起作用,限制柴油机负荷进一步加大。该轮主机工作在恒速模式下AC3000控制系统限制负荷原理图见图2。图2恒速模式下

AC3000控制系统限制负荷原理图主推进AC3000控制系统通过最低负荷选择器(TorqueMinimumSelector)、PI控制器(PI-controller)、螺距指令选择器(PitchSelection)等环节对主机负荷进行控制,原理是:集控室最大负荷限制(ECRMaximumTorqueLimit)、慢转负荷限制(SlowdownTorqueLimit)、增压空气压力负荷限制(ChargeAirTorqueLimit)、转速负荷限制(RPMTorqueLimit)、程序负荷限制(LoadupProgramLimit)信号经最低负荷选择器后,输出其中的最小负荷限制指令信号,该信号和控制系统运算出主机实际负荷进行比较,如果后者大,PI负荷控制器就会降低螺距设定点,螺距指令选择器通过对负荷PI控制器输出的螺距指令和MHP处螺距指令进行比较,输出二者中较小的螺距指令,该指令作为螺距输入信号实现可调螺距螺旋桨(ControllablePitchPropeller,CPP)螺距角的操纵,从而达到对主机进行负荷限制的功能。通过对故障前后相同螺距负荷下主机热力参数的对比,发现主机热工参数正常，增压空气压力值正常,相同螺距负荷时各缸高压油泵油门齿条刻度值在故障前后没有发生变化,UG-A执行器输出轴角度也没有改变,进一步检查确认后发现该部主机机旁面板和主机AC3000控制系统PCP上面的油门齿条位移值比故障前大了。该信号由一个4~20mA电流信号转化而来,4~20mA电流信号对应油门齿条位移的0~100%,在相同的螺距负荷情况下，故障前螺距75%时齿条位移显示值为53%,故障后螺距70%时齿条位移显示值为84%。通过说明书可知AC3000控制系统运算出的实际负荷取决于油门齿条值和转速﹐推进系统运行在恒速模式下，故障前后主机转速没有发生变化,偏大的油门齿条信号导致主机控制系统AC3000运算出的显示负荷变大,与该螺距负荷下的增压空气压力对应的限制负荷值比较,显示负荷大于限制负荷值。控制系统AC3000的负荷限制功能触发,至此导致主机控制系统不能正常加车的故障范围已经明确,船上接下来要查找油门齿条位移显示增大的具体故障原因。该主机没有机械的油门齿条位移传感器,查阅图纸可知燃油齿条信号是由723PLUS的比例积分微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)控制器输出的,是与UG-A执行器输入电流同源的一个电信号(见图3）。图3电子调速器723PLUS逻辑电路图如图4所示PID控制器的输出一路经21/22至UG-A执行器用于推动油门改变供油量,另一路转化为4~20mA的PIDLOADREADOUT(比例积分微分负荷指示数据)作为燃油齿条信号。图4723PLUS调速器接线图该信号经电子调速器723PLUS的17/18号端子输出，一路信号经Kl继电器的触点和2-WIREProgrammableTransmitter(以下简称信号隔离模块)后再经8/9号端子送至主机机旁1号信号采集箱的42/43端子进入AlphaComm安全系统(AlphaCommSafety,ACS)安保模块,用于机旁控制站的油门齿条位移的显示;另一路信号经K1继电器触点和2只信号隔离模块后，再经10/11号端子送至主机机旁1号信号采集箱的19/20端子,然后送至主机AC3000遥控系统的处理器分散处理单元(DateProcessingUnit,DPU)内用于主机负荷运算,运算结果通过数据传输可以在PCP人机界面上显示出来。完车后对左、右电子调速器723PLUS里的2只信号隔离模块互换后试车，故障依然存在,排除了相关隔离模块存在问题的可能。在电子调速器723PLUS通讯端口上插入WOODWARD专用手持编码器,两部主机运行时查看UGA执行器的输入电流,发现左、右主机相同螺距负荷情况下执行器电流相差明显,负荷越高左主机的电流值越大,而且不成线性的比例关系,75%负荷时双车执行器的输入电流相差30mA左右。为确定故障原因,轮机人员分别用2只万用表串入电子调速器723PLUS电路中的21/22以及17/18间,测量执行器的输入电流和燃油齿条指示信号电流值,测量数据具体见表1。通过表格数据发现在高负荷时,左主机执行器输入电流值比右主机明显偏大。结合故障前后左主机油门总杆和各缸高压油泵齿条位置没有异常变化、执行器输出轴转角没有异常变化等情况,初步判断UGA执行器在相同的油门输出情况下,所需要的电流增大了。对主机进行现场检查,油门总杆和单缸高压油泵齿条活络、油门总杆和执行器间的连接杆也没有卡阻,可以排除由于这些部件阻力增大引起执行器电流异常增高的可能。判断UG-A执行器内部出现了问题,该执行器部件图见图5。图5

UG-A执行器部件图四、故障处理根据以上检查情况与公司机务商议,决定对左右主机的UG-A执行器进行互换,观察故障是否能消除。轮机部人员利用休息时间,对左右主机的UG-A进行了对换处理,启动试验左右主机,左主机恢复正常,右主机出现相同的故障,从而确定左主机的UG-A执行器故障。在船舶返港后,安排专业厂家人员对该UG-A执行器进行了修理、安装、调试，故障彻底排除,恢复了该主机的正常使用功能。五、故障总结本次故障最初体现在主推进控制系统AC3000上,最后实际故障点出现在调速器UG-A执行器上。车间检修执行器时发现该执行器扭矩电机绕组出现了问题,绕组电阻值受温度的影响变化大,导致工作电流异常。从本次故障也可发现,该款机型在控制设计时,可考虑实际负荷的反馈测量的信号点不从PID输出点测取，而应从油门杆实际的转动角度处选取测量点比较合适。本次故障也提醒轮机管理人员分析故障思路要清晰,要把机械和电气相结合,根据船舶设备实际情况,具体问题具体分析。平时轮机管理出现设备故障时,要根据设备实际