潘興隆，賀　國（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢　430033）

?

基于現(xiàn)場參數(shù)的某型船用柴油機(jī)故障實(shí)例分析

潘興隆，賀國
（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033）

摘要：某型船用柴油機(jī)主要由繼電器、開關(guān)式傳感器、執(zhí)行器等實(shí)施邏輯控制，這些邏輯控制器件的動(dòng)作值及其相互間邏輯關(guān)系是柴油機(jī)正常工作的重要保證。針對某船右柴油機(jī)出現(xiàn)的完全停車傳感器接通和斷開時(shí)機(jī)無法同時(shí)滿足控制邏輯要求的故障，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于單片機(jī)的現(xiàn)場參數(shù)采集裝置，通過對比分析左、右柴油機(jī)現(xiàn)場采集的參數(shù)，診斷出該故障是由右柴油機(jī)啟動(dòng)過程中燃油系統(tǒng)壓力變化滯后于轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致的，通過更換機(jī)帶燃油泵將故障排除，從而為該型船用柴油機(jī)該類型故障診斷提供了有效方法和設(shè)備。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)故障診斷數(shù)據(jù)采集單片機(jī)

0　引言

柴油機(jī)以其良好的動(dòng)力性能，較高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代船舶、機(jī)車等的重要原動(dòng)機(jī)。某型船采用兩臺(tái)柴油機(jī)作為主動(dòng)力裝置的原動(dòng)機(jī)，該型柴油機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)是一種以繼電器、開關(guān)式傳感器、執(zhí)行器等邏輯控制器件為主的邏輯控制型系統(tǒng)，主要功能是對柴油機(jī)的盤車、啟動(dòng)、調(diào)速、停機(jī)等工作過程實(shí)施邏輯控制，并具有參數(shù)越界報(bào)警和應(yīng)急停機(jī)保護(hù)等功能。

該型柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中有一類開關(guān)式壓力傳感器，通常稱之為完全停車傳感器，安裝于柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)中，當(dāng)燃油系統(tǒng)壓力高于某一壓力值時(shí)（啟動(dòng)過程），傳感器觸點(diǎn)接通；當(dāng)燃油系統(tǒng)壓力低于某一壓力值時(shí)（停機(jī)過程），傳感器觸點(diǎn)斷開。而燃油系統(tǒng)的壓力又是由柴油機(jī)的機(jī)帶燃油泵產(chǎn)生的，因此燃油系統(tǒng)的壓力是隨柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化的，即燃油系統(tǒng)壓力的變化實(shí)際上反映的是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，而監(jiān)控系統(tǒng)通過燃油系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器的狀態(tài)信號(hào)可以間接得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況，并據(jù)此對柴油機(jī)實(shí)施控制。

完全停車傳感器的接通與斷開時(shí)機(jī)，反映了柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)過程中兩個(gè)重要轉(zhuǎn)速：1）啟動(dòng)過程，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，燃油系統(tǒng)壓力升高，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速（記為n1）時(shí)，系統(tǒng)壓力升高到一定值（記為p1），傳感器觸點(diǎn)接通，意味著柴油機(jī)已正式進(jìn)入啟動(dòng)階段，監(jiān)控系統(tǒng)將斷開啟動(dòng)電路，接通停機(jī)預(yù)備電路，以便任何情況下系統(tǒng)可自動(dòng)或人為控制進(jìn)行停機(jī)操作；2）停機(jī)過程，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低，燃油系統(tǒng)壓力下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到一定值（記為n2），燃油系統(tǒng)壓力隨之下降到一定值（記為p2），傳感器觸點(diǎn)斷開，意味著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速已下降至不能自行恢復(fù)正常工作轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)將控制柴油機(jī)附屬系統(tǒng)關(guān)閉柴油機(jī)進(jìn)排氣擋板，以免舷外海水倒灌進(jìn)入柴油機(jī)。上述兩個(gè)轉(zhuǎn)速n1和n2必須在規(guī)定的范圍之內(nèi)，并確保與其它控制器件之間的邏輯關(guān)系正確，否則可能會(huì)引起監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯紊亂或產(chǎn)生安全隱患。

某船在進(jìn)廠修理維護(hù)后，在對柴油機(jī)及其監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行出廠檢驗(yàn)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)右柴油機(jī)的完全停車傳感器無法保證在啟動(dòng)、停機(jī)過程中接通和斷開時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n1和n2均在額定范圍內(nèi)，具體故障現(xiàn)象為：如果將接通轉(zhuǎn)速n1調(diào)整至正常工作范圍，并保證與其它控制器件的邏輯關(guān)系正確，則斷開時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n2明顯低于正常斷開范圍，從而無法控制進(jìn)排氣擋板及時(shí)關(guān)閉，容易引起舷外海水倒灌；而如果將斷開轉(zhuǎn)速n2調(diào)整至正常工作范圍，則接通轉(zhuǎn)速n1遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常工作范圍，從而引起啟動(dòng)過程控制邏輯紊亂，并且存在緊急情況下無法控制柴油機(jī)及時(shí)停機(jī)等安全隱患。

1　故障原因分析

由于完全停車傳感器的動(dòng)作值是由燃油系統(tǒng)壓力決定的，而燃油系統(tǒng)壓力是由柴油機(jī)機(jī)帶燃油泵產(chǎn)生，并隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化的，因此，產(chǎn)生上述故障的原因可能有三個(gè)：

1）完全停車傳感器設(shè)定值不準(zhǔn)或切換差（接通壓力p1與斷開壓力p2的差值）過大；

2）燃油系統(tǒng)壓力異常；

3）柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器故障，顯示的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速值不準(zhǔn)。

上述三個(gè)可能的故障原因中，如果是完全停車傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器導(dǎo)致的故障，可通過對傳感器進(jìn)行調(diào)試標(biāo)定來診斷和排除；如果是燃油系統(tǒng)壓力異常導(dǎo)致的故障，則由于監(jiān)控系統(tǒng)自身無法實(shí)時(shí)檢測燃油系統(tǒng)壓力隨轉(zhuǎn)速的變化情況，則需專門的數(shù)據(jù)采集裝置，處理起來較為復(fù)雜。因此，實(shí)際操作過程中，采取先易后難的方法，首先對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后再考慮燃油系統(tǒng)壓力因素的影響。

1.1 完全停車傳感器標(biāo)定

將完全停車傳感器拆卸后，在實(shí)驗(yàn)室壓力標(biāo)定平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試，對其動(dòng)作值進(jìn)行標(biāo)定。

圖1　完全停車傳感器動(dòng)作值標(biāo)定

如圖1 所示，在壓力標(biāo)定平臺(tái)上，模擬燃油壓力的變化，利用萬用表測量完全停車傳感器觸點(diǎn)狀態(tài)值，記錄其接通與斷開時(shí)對應(yīng)的壓力值及其切換差值，通過與額定值比較，證實(shí)該傳感器的動(dòng)作值在正常范圍內(nèi)。所以，排除由于完全停車傳感器動(dòng)作值不準(zhǔn)或切換差過大引起上述故障的原因。

1.2 轉(zhuǎn)速傳感器標(biāo)定

將轉(zhuǎn)速傳感器拆卸后，在轉(zhuǎn)速標(biāo)定平臺(tái)上對其進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量和顯示精度進(jìn)行標(biāo)定。

如圖2所示，將轉(zhuǎn)速傳感器與轉(zhuǎn)速標(biāo)定裝置的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速輸出端連接，在轉(zhuǎn)速顯示儀上觀察轉(zhuǎn)速傳感器測量的轉(zhuǎn)速值，并與轉(zhuǎn)速標(biāo)定平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)輸出值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)速傳感器的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在1r/min之內(nèi)，滿足正常測量需求。所以，排除由于轉(zhuǎn)速傳感器測量不準(zhǔn)引起上述故障的原因。

1.3 現(xiàn)場參數(shù)檢測

排除了完全停車傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器可能導(dǎo)致上述故障現(xiàn)象的因素后，需要對燃油系統(tǒng)的壓力隨轉(zhuǎn)速變化情況進(jìn)行檢測，以確定故障原因。為此，需設(shè)計(jì)開發(fā)專用的現(xiàn)場參數(shù)采集裝置。

圖2　轉(zhuǎn)速傳感器標(biāo)定

1） 總體方案

考慮到柴油機(jī)機(jī)艙工作現(xiàn)場空間狹小，振動(dòng)噪聲高等因素，現(xiàn)場參數(shù)采集裝置采用上位機(jī)和下位機(jī)分別設(shè)計(jì)的方案，總體方案如圖3所示。下位機(jī)放置于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，以STM32單片機(jī)為核心，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場壓力信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集并通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析處理。上位機(jī)放置于柴油機(jī)的集控室，采用便攜式PC機(jī)，主要用于對下位機(jī)采集的壓力和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)需要向下位機(jī)發(fā)出控制指令[1-4]。

圖3　現(xiàn)場參數(shù)檢測方案

2） 關(guān)鍵電路分析

現(xiàn)場參數(shù)的采集包括壓力信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)兩種，由于該型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器為數(shù)字式傳感器，傳感器的輸出及顯示信號(hào)即為數(shù)字信號(hào)，因此，現(xiàn)場參數(shù)采集設(shè)備可直接讀取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，從而獲得柴油機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值。燃油系統(tǒng)壓力信號(hào)是隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化的模擬量信號(hào)，需要先利用壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再送入單片機(jī)中進(jìn)行分析處理。由于壓力變送器輸出的是0～5V電壓信號(hào)，而STM32單片機(jī)的A/D輸入范圍是0～3.3V，因此需對0～5V電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為此需要通過專門的信號(hào)調(diào)理電路，將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的信號(hào)，模擬量信號(hào)的處理電路如圖4所示。

其中，R1和R2為分壓電阻，第一級(jí)運(yùn)放U1A為電壓跟隨器，其輸出電壓范圍為±10.5 V。當(dāng)外界輸入的電壓Ain高于10.5 V時(shí)，會(huì)引起U3信號(hào)失真。通過R5和R10再次分壓后，運(yùn)放U2A輸出電壓UO被限定在3.3 V以內(nèi)，以滿足STM32 內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器對輸入電壓的要求，運(yùn)放U2A及其電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)有源二階低通濾波器。

圖4　模擬量信號(hào)處理申路原理圖

3）現(xiàn)場安裝使用

為確保采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映系統(tǒng)工作情況，在進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時(shí)，通過接入透明三通軟管的方式直接將壓力變送器安裝在完全停車傳感器的壓力源入口處，并將下位機(jī)放置于柴油機(jī)機(jī)旁，而上位機(jī)放置于集控室，這樣既解決現(xiàn)場狹小空間下數(shù)據(jù)采集裝置不便安裝的問題，又能直觀觀察管路內(nèi)是否有雜質(zhì)和氣泡混入。同時(shí)，還可以在不影響系統(tǒng)正常工作的情況下，將該壓力信號(hào)通過壓力變送器經(jīng)下位機(jī)采集后，送到集控室的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析處理。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)則直接通過并聯(lián)接線的方式從柴油機(jī)機(jī)旁轉(zhuǎn)速傳感器上獲取[5]。壓力變送器現(xiàn)場安裝如圖5所示。

圖5　壓力變送器現(xiàn)場安裝

4） 現(xiàn)場參數(shù)采集分析

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置，分別獲取了左、右柴油機(jī)啟動(dòng)過程中燃油系統(tǒng)壓力和轉(zhuǎn)速信號(hào)隨時(shí)間變化的參數(shù)，經(jīng)無量綱化處理后繪制的曲線如圖6、圖7所示。

圖6　左柴淮機(jī)啟動(dòng)過程中燃淮系統(tǒng)壓力和柴淮機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線

圖7　右柴淮機(jī)啟動(dòng)過程中燃淮系統(tǒng)壓力和柴淮機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線

對比分析圖6和圖7所示的左、右柴油機(jī)啟動(dòng)過程中燃油系統(tǒng)壓力和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線可知，左柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速上升高到I檔穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（圖6，第70秒附近）時(shí)，燃油系統(tǒng)壓力也達(dá)到最高點(diǎn)；而對于右柴油機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到I檔穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（圖7，第70秒附近）時(shí)，燃油系統(tǒng)壓力仍然在升高過程中，需要延遲5～6秒后燃油系統(tǒng)壓力才達(dá)到最高值。

5）故障診斷結(jié)論

從上述分析可以看出，右柴油機(jī)啟動(dòng)過程中，燃油系統(tǒng)壓力的升高滯后于轉(zhuǎn)速的升高，因此導(dǎo)致轉(zhuǎn)速達(dá)到完全停車傳感器額定動(dòng)作值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值時(shí)，燃油系統(tǒng)壓力仍未達(dá)到其動(dòng)作壓力，而等到燃油系統(tǒng)壓力達(dá)到其動(dòng)作壓力時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速已明顯高于允許動(dòng)作的轉(zhuǎn)速范圍。而如果調(diào)低完全停車傳感器的動(dòng)作值，將其設(shè)定在允許的轉(zhuǎn)速范圍，則其對應(yīng)的動(dòng)作壓力就低于正常動(dòng)作的壓力范圍，從而導(dǎo)致柴油機(jī)停機(jī)過程中轉(zhuǎn)速降低至完全停車傳感器正常斷開轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油系統(tǒng)壓力仍高于完全停車傳感器的實(shí)際斷開壓力值，完全停車傳感器不能及時(shí)斷開，引起本文所述的故障現(xiàn)象。

所以，柴油機(jī)啟動(dòng)過程中，系統(tǒng)燃油壓力的變化滯后于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化是導(dǎo)致完全停車傳感器動(dòng)作時(shí)機(jī)不能兼顧啟動(dòng)和停機(jī)過程均符合要求的主要原因。最終，通過更換燃油系統(tǒng)管路上的機(jī)帶燃油泵并對燃油管路進(jìn)行清潔保養(yǎng)，排除了上述故障。

2　結(jié) 語

針對某型船用柴油機(jī)出現(xiàn)的傳感器接通和斷開時(shí)機(jī)不當(dāng)引起的控制邏輯異常問題，通過對相關(guān)的完全停車傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，排除了傳感器故障的可能；然后，以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套現(xiàn)場參數(shù)采集裝置，通過對柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的采集分析，將故障原因定位為柴油機(jī)啟動(dòng)過程中燃油系統(tǒng)壓力建立緩慢造成的；最后，通過更換機(jī)帶燃油泵排除了系統(tǒng)故障，也為該類型故障的診斷排除提供了必要的設(shè)備，積累了排故經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

[1] 鄭偉勝，趙學(xué)鋒.基于單片機(jī)與PC通信的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.煤炭技術(shù)[J]，2013，32（1）:61-63.

[2] 馬曉榮，吳銀川.一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.電子設(shè)計(jì)工程[J]，2012,20（19）:14-16.

[3] 張旭，亓學(xué)廣，李世光等.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2010,33（11）:90-93.

[4] 常霞，馬建偉.基于STM32的列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,（4）:45-48.

[5] 笪月君.基于單片機(jī)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量模塊設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2012,32（7）:24-27.

Fault Analysis of Marine Diesel Engine Based on Field Data Acquisition

Pan Xinglong,He Guo
（College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China）

Abstract:A certain marine diesel engine control system is composed of relay,switch type sensor,and actuator for logical control.The operating value and logical relationship of the logic control devices are important for the normal working process of diesel engine.In allusion to the questions that clearing the fault of the connected value and open value of full-stop-sensor in the right side diesel engine can’t be simultaneously satisfied,a field data acquisition device is developed based on single chip microcomputer.According to analyzing the field parameter of both left side and right side diesel engine,the fault is located to that the fuel system pressure change is fall behind of rotate speed change,then,the fault is cleared by replacing the machine with fuel pump.So an effective method and device is proposed to analyze this type fault of the marine diesel engine.

Keywords:marine diesel engine;fault diagnosis;data acquisition;single chip microcomputer

作者簡介：潘興?。?983-），男，講師。研究方向：機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測與故障診斷。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0070-04