噴水推進自動化監控系統故障自診斷技術研究

袁 木，陳天平，曹士杰

（711研究所，上海 201108）

0 引 言

近年來，隨著造船技術的快速發展，很多新型高速船舶安裝了噴水推進裝置。作為一種特殊的推進方式，噴水推進有別于傳統的螺旋槳推進方式，具有推進效率高；抗空泡能力強；操縱性能優異；工作平穩、噪聲低；適應變工況能力強、主機不易過載；適用于高性能船舶的性能和特點。

船舶的運動推力是通過噴水泵噴水的反作用力來獲得的，并通過操作方向舵來實現轉向運動，通過操作倒航斗來實現前進和后退[1]。典型的噴水泵見圖1。

圖1 噴水泵

噴水推進裝置通常由進口流道、推進泵、操舵倒航機構、液壓系統和控制系統5部分組成。噴水推進自動監控系統安全可靠地應用，并對出現的故障能夠及時準確地進行診斷[2]是實現控制功能的重要保障。

船舶故障自診斷技術可以分為兩大部分，一是設備故障和異常停機時，快速、準確地找到故障點，分析故障原因，排除故障，恢復正常運行。二是在船舶運行中，對關鍵設備的狀態和零件的參數進行實時監測，根據參數的變化趨勢，分析可能出現的問題，為采取防范措施提供依據。

結合故障自診斷技術和船舶自動化監控系統的特點，設計出基于總線控制技術的噴水推進自動化監控系統故障自診斷系統，該系統可以對噴水推進裝置的運行狀態進行在線監測，實時反饋故障報警，并根據故障的類型和發生的頻率，提出設備的檢修和維護建議。同時還可以根據系統存在的安全隱患，提前發出故障預警，減少突發事故，降低后期的維護成本。

1 噴水推進自動化監控系統

該系統以高速雙體船為設計對象，在船左右側體都配有獨立的噴水推進裝置，其系統見圖2。

圖2 噴水推進系統

系統的控制對象是噴水推進裝置內的方向舵和倒航斗，方向舵控制船的左右轉向，倒航斗控制船的前進和后退。其控制部件電磁閥位于泵艙內，通過控制電磁閥的開關來通斷液壓裝置，驅動方向舵和倒航斗動作，達到控制整船運動的目的。

控制系統的核心功能分為3大部分：主站、左從站和右從站，站與站之間通過CAN總線進行數據冗余通訊。

主站裝配在駕駛室控制臺內，用于采集和處理來自操縱單元和控制單元的信號，控制臺面上安裝有方向舵和倒航斗指示儀表、主機轉速指示表、報警指示、兩只手柄、一只手輪、控制選擇板、備用控制板、離合器控制板等。

左從站、右從站分別裝配在左舷泵艙和右舷泵艙內,通過比例放大板的電流輸出控制電磁閥，電磁閥打開液壓裝置驅動方向舵和倒航斗。方向舵和倒航斗的位置傳感器可以實時將舵和斗的位置反饋到從站內。

故障自診斷數據檢測器通過主站和整個系統相連，通過總線進行數據的傳輸和監測，可以對發生的故障進行實時報警，也可以對潛在的故障進行預警。

2 故障自診斷技術的應用

針對控制對象的特點，便于操作人員理解和應用，將故障類型分為兩大部分，即系統報警和控制故障報警。

系統報警主要是指當系統出現安全隱患，但不影響系統對船的控制，還可以進行正常的船舶操縱，此時可以暫時不去處理，等船舶停止運行或靠岸時再處理。

控制故障報警是指系統出現失控，已經無法對控制對象進行操縱，必須查明原因并及時排除故障的情況。

故障自診斷檢測器實時監測的重要報警點，如方向舵、倒航斗位置，手柄、手輪位置，總線傳輸等都遠程傳輸到控制臺上的報警板，當檢測的報警點出現異常時，以指示燈發光，喇叭發聲的方式提醒駕駛員。故障自診斷檢測器將監測到的故障以故障碼的形式存儲在計算機的存儲器中，維修查詢時，以一定的方式讀出故障代碼，進行故障的后期處理。故障類型分類見圖3。

圖3 故障類型分類流程

2.1 總線網絡的自診斷

總線自診斷功能不僅可以對接收的數據實時監測，也可以對自身的故障發出報警。

系統采用雙冗余CAN網絡，主要的網絡節點有，主站、左從站、右從站、故障自診斷檢測器等。主站負責對駕駛室控制臺內的手輪和手柄等控制信號進行處理，從站負責對方向舵和倒航斗的控制電磁閥和反饋位置等進行處理，故障自診斷檢測器主要負責故障信號的集中反饋和處理。主站將控制命令信號通過總線傳到對應的從站，從站將反饋的位置信號通過總線傳到主站，總線構建了數據傳輸的通道。

當雙 CAN總線中有一路發生數據通訊故障時，故障自診斷檢測器發出系統故障報警，另外一路正常工作的總線將承擔數據傳輸的任務，不影響對船舶的控制。當雙總線同時無法通訊時，故障自診斷檢測器發出控制故障報警，此時主站和從站之間已經無法進行正常的數據通訊，控制命令無法通過總線傳到從站，船舶將失去控制[3]。

2.2 手柄和手輪的故障自診斷

手輪和手柄位于駕駛室的控制臺上，對方向舵的控制范圍為左滿舵到右滿舵，手輪和手柄通過內部轉化電路，可輸出最大范圍為0～10V的控制電壓，主站內的AD數據采集模塊到手柄和手輪的控制電壓后，通過CPU（中央處理器）模塊轉換為對應的數字量，再通過總線將采集到的數據傳輸到從站，由從站內的驅動程序來完成控制命令。

將左滿舵對應的電壓值設定為2.5V，右滿舵對應的電壓設定為7.5V，當主站采集到2.5～7.5V之間的電壓值時，認定為正常采集值。超出2.5～7.5V范圍，但是還在0～10V內的電壓值認定為危險值，發出系統報警，當數值在0～10V之外時，發出控制故障報警。

2.3 方向舵和倒航斗的反饋位置故障自診斷

當監測對象正常工作時，對應的傳感器的輸入和輸出都有一定的工作范圍。當傳感器出現故障時，信號的電壓范圍超出正常范圍或送入計算機不能識別的信號，且在一定時間內無法消失，計算機就判斷傳感器相應部位發生故障，將故障以代碼的形式存入存儲器中，同時發出聲光報警。

方向舵和倒航斗的位置是重要的監測數據，其反饋數據是4～20mA電流模擬量。方向舵和倒航斗的位置反饋傳感器位于泵艙內，通過從站內的AD數據采集模塊進行數據采集，CAN通訊模塊負責數據的傳輸，CPU模塊進行數據的處理。系統配置見圖4。

圖4 方向舵和倒航斗系統配置

位置傳感器的輸出為4～20mA的電流值，數據從小到大，連續變化。在數據采集后，將6mA作為方向舵左滿舵的設定值，17mA作為方向舵右滿舵的設定值。6～17mA之間為正常范圍。當數值在4～6mA和17～20.0mA之內時發出系統報警。從站通過CAN通訊模塊將系統報警傳輸到故障自診斷檢測器。

2.4 同側泵防碰撞自診斷

雙體高速艇的同一側體安裝了 2臺噴水泵（內側泵和外側泵），彼此的安裝位置比較接近，當外側泵進行打右舵，內側泵進行打左舵操作時，2臺泵會互相靠近，超過一定范圍會發生碰撞。為此設計了防碰撞自診斷功能。

根據同體的內側泵同外側泵發生碰撞的實際位置，測量出一個發生碰撞的危險范圍，記錄發生碰撞的臨界值對應的兩臺泵的舵角反饋值。從站以臨界值的大小為參考，實時監測反饋值的大小，當兩個舵角進入該范圍內時，及時發出報警信號，并鎖定兩臺泵的方向舵，當恢復到正常范圍的時候，才可以重新控制，實現了自診斷系統的提前預警功能，避免碰撞事故發生。

2.5 控制故障自診斷

正常的控制流程是：控制器件（手輪或手柄）發出控制指令，信號通過總線傳到對應的從站，從站通過輸出電流來控制噴水泵的液壓系統的電磁閥來驅動方向舵和倒航斗的移動。整個控制流程采用閉環負反饋模式，使設定值和反饋值的差值在規定時間內，如果無法達到規定范圍，則發出控制故障報警，并對液壓電磁閥輸出降為零，鎖定出現控制故障的部位，防止出現誤操作[4]。其原理見圖5。

圖5 控制故障自診斷

在控制面板上設置“重新連接”按鈕，當控制故障排除后，“重新連接”按鈕亮，這時按下按鈕，系統復位，重啟控制功能。

3 結 語

以雙體噴水推進船為應用案例，闡述了噴水推進自動化監控系統故障自診斷的設計原理，通過不同類型故障的具體實施方法，最終設計并實現了一個可靠的故障自診斷系統。經過實船的長期運行，該系統可以及時檢查出軟件和硬件的故障，并反饋給操作人員，大大減少了維修，并縮短了維修時間，保障了船舶的安全運行，具有極高的使用價值。

[1] 徐筱欣. 船舶動力系統[M]. 上海：上海交通大學出版社，2007.

[2] 黃忠秀，等 船舶現代控制理論[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 周德澤，等. 計算機智能檢測控制系統的設計及應用[M]. 北京：清華大學出版社，2002.

[4] 王立祥. 噴水推進及噴水推進泵[J]. GM通用機械，2007, (10).