黃麟 林葉春 李大亮

（1. 上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306；2. 中國船級社秦皇島分社，河北秦皇島066002）

0 引言

在現(xiàn)代船舶系統(tǒng)中，傳統(tǒng)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)一般由機(jī)艙巡回監(jiān)測報警系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，但系統(tǒng)不能對柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，更不能對故障進(jìn)行預(yù)測和診斷。新型船舶系統(tǒng)對柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷和趨勢分析；不僅可以為設(shè)備的安全運(yùn)營和管理提供技術(shù)手段，還對改善維修決策和維護(hù)保養(yǎng)具有重要指導(dǎo)意義。COCOS-EDS系統(tǒng)（以下簡稱EDS系統(tǒng)）利用報警監(jiān)測系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)，利用軟件技術(shù)對柴油機(jī)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)綜合診斷和趨勢分析。

COCOS系統(tǒng)有兩個主要應(yīng)用程序，一個是柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)，用于監(jiān)測并存儲柴油機(jī)運(yùn)行期間的參數(shù)并根據(jù)各個時期的數(shù)據(jù)做出預(yù)見性的故障診斷；另一個是維修保養(yǎng)體系，它主要包括維修保養(yǎng)計(jì)劃和預(yù)警，備件預(yù)定和庫存，工作執(zhí)行，跟蹤與報告和備件及維修說明，當(dāng)EDS發(fā)出可能有故障的信號后，維護(hù)保養(yǎng)系統(tǒng)立即會列出一份維修計(jì)劃表；備件預(yù)訂和庫存系統(tǒng)會自動檢測是否有可利用的備件以及是否需要預(yù)訂備件；備件明細(xì)表會以圖表或文本的形式向輪機(jī)員顯示當(dāng)前備件的數(shù)量和規(guī)格型號等技術(shù)參數(shù)。這兩個系統(tǒng)可以分開使用，也可以聯(lián)機(jī)一起使用。

EDS系統(tǒng)適用于單引擎或者成組柴油機(jī)的監(jiān)測，連續(xù)監(jiān)測柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，減少因?yàn)椴裼蜋C(jī)故障引起的不必要的經(jīng)濟(jì)損失，該系統(tǒng)有利于對柴油機(jī)進(jìn)行早期干預(yù)和預(yù)防性維護(hù)，以減少柴油機(jī)突發(fā)故障的風(fēng)險。EDS系統(tǒng)主要包括四個主要功能：數(shù)據(jù)記錄，監(jiān)測，診斷，和趨勢分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

1.1 硬件系統(tǒng)

如圖1所示， EDS系統(tǒng)通過RS232與報警監(jiān)測系統(tǒng)連接，源源不斷的接收各傳感器監(jiān)測、收集的數(shù)據(jù)；同時又通過RS422與離線的爆壓測量系統(tǒng)連接，該系統(tǒng)可通過手動測量各缸的爆壓并通過鍵盤輸入到報警系統(tǒng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，再通過RS232傳輸?shù)紼DS系統(tǒng)。EDS的監(jiān)控，診斷與趨勢分析的結(jié)果通過人機(jī)界面顯示，該結(jié)果還可以通過以太網(wǎng)連接到位于駕駛室，輪機(jī)長室和航行辦公室的 PC機(jī)上。系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備為工控計(jì)算機(jī)，最少配置為： 10G硬盤空間，連接在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)適配器的通訊端口；報警監(jiān)測系統(tǒng)為第三方產(chǎn)品，包括各主要傳感器的警報裝置；爆壓測量系統(tǒng)是一個專用的檢測系統(tǒng)，利用壓電傳感器實(shí)時檢測各個氣缸的爆壓，再經(jīng)過濾波處理、AD轉(zhuǎn)換，通過計(jì)算機(jī)處理后通過通信發(fā)送給EDS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線分析和處理。

圖1 COCOS-EDS監(jiān)測與診斷系統(tǒng)連接的硬件系統(tǒng)

1.2 軟件系統(tǒng)

EDS系統(tǒng)可以分為在線和離線兩種數(shù)據(jù)收集工作方式。

報警監(jiān)測系統(tǒng)及其聯(lián)接的實(shí)時傳送數(shù)據(jù)的傳感器系統(tǒng)是在線工作的，如圖1所示的實(shí)線連接；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備能從柴油機(jī)上的各種傳感器上取得在線數(shù)據(jù)，然后與以前儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，來執(zhí)行監(jiān)測，診斷和趨勢分析功能。

爆壓測量系統(tǒng)可以在線，也可選擇離線工作，如圖1所示的用虛線連接部分；離線時，可通過手動測量參數(shù)并通過鍵盤等輸入到系統(tǒng)中，作為參考值向系統(tǒng)提供，而不是實(shí)時工作值。另外，下面幾種情況也被認(rèn)定為離線工作：

（1）在線系統(tǒng)只安裝了“報警監(jiān)視系統(tǒng)”，用戶需要通過半自動或者手動使用便攜式測量設(shè)備測量補(bǔ)充相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入到 EDS系統(tǒng)。這類設(shè)備是獨(dú)立于EDS系統(tǒng)的，有溫度計(jì)，壓力表或更復(fù)雜的電子儀器等。

（2）柴油機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時，EDS被認(rèn)為是“離線”的或是作為一個獨(dú)立使用的辦公系統(tǒng)，如航行辦公室中使用的EDS系統(tǒng)。

（3）當(dāng)選擇“離線”工作來存儲或進(jìn)入或手動編輯數(shù)據(jù)或查看歸檔數(shù)據(jù)時，如趨勢數(shù)據(jù)等，EDS也被認(rèn)定為離線系統(tǒng)。

2 主要功能分析

圖2所示的是EDS內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理流程。數(shù)據(jù)記錄是EDS功能流程的第一步，它自動地從報警和測量傳感器系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換并儲存在數(shù)據(jù)庫中，作為下一步執(zhí)行診斷，趨勢分析的基礎(chǔ)。

圖2 COCOS-EDS數(shù)據(jù)處理流程(虛線為離線工作流程)

數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過過濾，與穩(wěn)態(tài)工作值一起儲存在測量和穩(wěn)態(tài)工作值數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換為在線工作值。在線工作值一方面可以通過評估和診斷分析直接生成診斷報告，另一方面還可以儲存為短期趨勢值，并生成短期趨勢報告；同時提取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為長期趨勢值，并生成長期趨勢報告。

測量和穩(wěn)態(tài)工作值也可以通過鍵盤輸入添加重要的設(shè)定值，并轉(zhuǎn)換為在線設(shè)定值，這些數(shù)值可以傳輸?shù)焦ぷ髦涤?jì)算環(huán)節(jié)，也可以跳過這一環(huán)節(jié)直接儲存為短期趨勢值，同時還可以直接經(jīng)過評估和診斷分析生成診斷報告。

原則上，數(shù)據(jù)庫應(yīng)盡可能多的收集柴油機(jī)開始的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對最后的數(shù)據(jù)進(jìn)行徹底處理。數(shù)據(jù)處理流程也反映了 EDS 設(shè)計(jì)的三個主要目的，即：監(jiān)測，診斷和故障趨勢判斷。

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測

EDS通過對柴油機(jī)各缸工作狀態(tài)和重要熱工參數(shù)等的監(jiān)視、記錄來分析柴油機(jī)各主要參數(shù)的工作狀態(tài)和熱工參數(shù)的歷史曲線及其發(fā)展趨勢。

EDS自動轉(zhuǎn)換輸入的在線數(shù)據(jù) ，把采集到的參數(shù)值分配到相應(yīng)的測量單位，使他們能夠反映柴油機(jī)實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)和功能；工作數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換與設(shè)定值進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)記錄顯示有線性記錄，條形圖，特征圖表，性能曲線等，方便管理人員更直觀的了解柴油機(jī)的運(yùn)行狀況；在柴油機(jī)出現(xiàn)異常狀態(tài)的早期階段，任何重大的偏差，可以很容易地被操作人員監(jiān)測到，使他們能夠采取必要的措施減少損失。

下列設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)均可以被系統(tǒng)監(jiān)測：

渦輪增壓器及其濾器系統(tǒng)；

空氣冷卻器：含空氣側(cè)和水側(cè)；

燃油濾器；

滑油/冷卻油/水溫度/壓力的高低；

缸套溫度的高低；

氣缸排氣溫度的高低；

氣缸爆壓；

廢氣鍋爐的狀態(tài)等。

故障監(jiān)測的范圍包括從過濾器堵塞到一個重大故障前的各種跡象，系統(tǒng)通過監(jiān)測并記錄這些參數(shù)提供給EDS用來進(jìn)一步的評估分析。

2.2 診斷

系統(tǒng)通過記錄的柴油機(jī)各主要參數(shù)和重要的熱工參數(shù)，包括其歷史記錄，進(jìn)行相關(guān)的評估和診斷分析，根據(jù)參數(shù)變化的趨勢和故障趨勢進(jìn)行故障診斷并發(fā)送警報，做出預(yù)警。

診斷是基于柴油機(jī)的工作狀態(tài)，以工作參數(shù)作為評估參考的。主要作用是解釋有什么樣的故障，什么樣的癥狀；尋找可能導(dǎo)致柴油機(jī)故障的原因或查找實(shí)際故障原因的過程，并建議可以采取何種措施來恢復(fù)正常運(yùn)作。在診斷的過程中，EDS在線系統(tǒng)在設(shè)定的周期內(nèi)如5分鐘，自動評估柴油機(jī)的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。評估檢查實(shí)際工作值與它的設(shè)定值是否在一個規(guī)定的限額值內(nèi)。當(dāng)評估顯示，柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與正常的工作參數(shù)和狀態(tài)有較大的偏差時，EDS 會自動咨詢其診斷數(shù)據(jù)庫，生成診斷報告來描述引發(fā)這些癥狀的可能原因，并提供切實(shí)可用的糾正建議和措施。有時 EDS會根據(jù)目前初步診斷的結(jié)果，要求船員提供更多的詳細(xì)信息然后生成一個最終的診斷。

下圖為柴油機(jī)典型癥狀的診斷分析。

圖3 柴油機(jī)相關(guān)癥狀的評估與診斷分析

根據(jù)排氣溫度①和②來診斷分析：如果單缸排氣溫度①出現(xiàn)增加，說明⑴，燃油閥需要檢修；⑵，排氣閥漏氣或者活塞環(huán)磨損導(dǎo)致的壓縮壓力的降低。如果所有缸的排氣溫度②增加，則說明⑴，空氣系統(tǒng)臟堵（濾器，鼓風(fēng)機(jī)，冷卻器，）；⑵，排氣系統(tǒng)臟堵（透平輪，廢棄鍋爐等）。

根據(jù)壓降③和⑤來診斷分析：如果通過空氣濾器的壓降ΔP③增加，則表明濾器臟堵；當(dāng)ΔP增加超過出廠值50%時，系統(tǒng)會提示需要清潔濾器；如果出現(xiàn)通過空氣器的壓降ΔP⑤增加，則表明空氣側(cè)臟堵，當(dāng)ΔP增加超過出廠值50%時，系統(tǒng)會提示需要清潔濾器。

根據(jù)進(jìn)口空氣溫度④來診斷分析：如果出現(xiàn)進(jìn)口腔室空氣溫度④的增加，系統(tǒng)將會判斷柴油機(jī)的排氣溫度的增加。

根據(jù)溫差增加⑥和⑦來診斷分析：如果進(jìn)出口冷卻水溫差⑥增大，系統(tǒng)提示需要減小冷卻水的流量；如果冷卻后的空氣和冷卻水的進(jìn)口之間的溫差⑦增大，系統(tǒng)顯示其原因是空冷器臟堵。

根據(jù)掃氣空氣壓力⑧和溫度⑨來診斷分析：如果出現(xiàn)掃氣壓力⑧下降，系統(tǒng)判斷可能是由于空氣系統(tǒng)的臟堵導(dǎo)致；而如果溫度⑨增加，系統(tǒng)的分析結(jié)果是該原因會導(dǎo)致排氣溫度的增加。

根據(jù)壓力⑩和⑾來診斷分析：如果燃燒室壓力⑩下降，系統(tǒng)判斷可能是由于活塞環(huán)磨損，活塞頭燒蝕，排氣閥泄露，燃油閥磨損等原因?qū)е拢黄骄鶋毫χ甘劲鲜怯檬竟ζ骺梢詼y得最大爆壓。

在柴油機(jī)出現(xiàn)故障征兆的早期階段，EDS診斷生成明確的診斷報告，并建議采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砑m正。了解這些信息后，輪機(jī)員可以立即決定采用相應(yīng)對策來恢復(fù)正常運(yùn)作，以及在不影響船舶班期的前提下制定相關(guān)的維修計(jì)劃。

2.3 趨勢分析

系統(tǒng)通過對各缸燃燒情況，增壓器工作情況，各主要部件的磨損情況和工作性能狀態(tài)情況進(jìn)行綜合評估，做出趨勢分析，提出維修和保養(yǎng)建議。

趨勢分析通過在線故障分析和歷史數(shù)據(jù)的趨勢查詢來確定柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，揭示設(shè)備技術(shù)狀態(tài)變化的規(guī)律，從而尋找故障征兆，并給出預(yù)見性的判斷報告。因此可以防止癥狀的進(jìn)一步發(fā)展，減少事故發(fā)生的概率；為維修決策和制定保養(yǎng)計(jì)劃提供技術(shù)依據(jù)。EDS提供三種類型的趨勢分析：“短期趨勢”，“長期趨勢”和“測量”。

“短期趨勢”提供了柴油機(jī)和其他設(shè)備一個短期的運(yùn)行狀態(tài)的圖表。EDS在線系統(tǒng)按照設(shè)定的周期自動收集儲存的過濾工作值和其相應(yīng)的設(shè)定值，收集和存儲最近的趨勢數(shù)據(jù)庫，根據(jù)評估診斷的結(jié)果提供短期趨勢分析報告。

“長期趨勢”提供給柴油機(jī)及其附屬部件一個為期達(dá)兩年工作狀態(tài)的圖形描述，對于處于負(fù)荷穩(wěn)定期的柴油機(jī)，EDS自動從短期趨勢覆蓋各個時期內(nèi)收集相關(guān)的參數(shù)值。每個短期趨勢的副本根據(jù)操作時間存儲在長期趨勢的數(shù)據(jù)庫中。然后系統(tǒng)綜合分析、評估不同時期的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，給出一個描述柴油機(jī)長期工作狀態(tài)的報告。

“測量”是指允許使用離線設(shè)備測量數(shù)據(jù)，手動輸入并存儲在“手動測量”數(shù)據(jù)庫。它可以分別用于短期或者長期趨勢的分析，配合系統(tǒng)完成對柴油機(jī)工作狀態(tài)的趨勢分析；同時系統(tǒng)還為它提供了編輯和修改的功能。

此外，系統(tǒng)還可以通過對柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)的綜合管理，對柴油機(jī)維修質(zhì)量進(jìn)行評測。同時系統(tǒng)可以為機(jī)務(wù)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，為機(jī)務(wù)部門維護(hù)管理體系提供柴油機(jī)的即時技術(shù)狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用管理要點(diǎn)

EDS系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，評估，診斷，并將診斷結(jié)論、處理措施等通過人機(jī)界面、打印機(jī)等設(shè)備輸出給用戶；同時還可以對一些參數(shù)進(jìn)行增加、刪除、修改等操作。EDS根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析對柴油機(jī)故障進(jìn)行診斷，其診斷過程為：獲取故障基本信息與征兆→推斷故障原因→得到故障結(jié)論→提出故障處理方案；其具有故障監(jiān)測、故障診斷、故障趨勢分析和培訓(xùn)評估等功能。 故障監(jiān)測通過在線傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)和部分離線設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)來監(jiān)測柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。故障診斷即針對柴油機(jī)故障狀況，檢索數(shù)據(jù)庫，通過分析、對比，最終判斷故障的原因，最后提出維修步驟或應(yīng)急處理措施。故障趨勢分析用以解釋根據(jù)故障征兆推斷出故障結(jié)論的過程，方便輪機(jī)管理人員了解、掌握故障生成機(jī)理以及未來可能出現(xiàn)的趨勢，幫助輪機(jī)管理人員做出正確的分析和判斷。此外，本系統(tǒng)還可以用于船員培訓(xùn)，它可以通過匹配船舶柴油機(jī)各構(gòu)件圖與相關(guān)的工作系統(tǒng)，使學(xué)員能學(xué)習(xí)、了解柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；同時，學(xué)員可以通過設(shè)置假設(shè)故障，迅速獲取經(jīng)驗(yàn)知識，學(xué)習(xí)掌握處理各種故障的能力。

4 結(jié)束語

本文研究的 EDS船舶柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)是基于警報監(jiān)視和傳感器系統(tǒng)，通過串行通信收集柴油機(jī)主要參數(shù)和重要的熱工參數(shù)信息，總結(jié)柴油機(jī)故障診斷的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而成的。該系統(tǒng)對船舶柴油機(jī)的故障診斷及故障處理具有重要指導(dǎo)作用，并已在實(shí)船中已得到應(yīng)用。本文通過分析和研究EDS，掌握并靈活應(yīng)用在上海海事大學(xué)自動化機(jī)艙的ME電噴柴油機(jī)上，通過對船舶柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，總結(jié)了一套合適管理方法，對快速、準(zhǔn)確排除船舶柴油機(jī)故障，保障設(shè)備安全運(yùn)行具有非常積極的作用。

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