基于在線監測的某船用鍋爐控制系統故障診斷

張曉東，薛紅軍，黃國安

●（1．海軍工程大學，武漢 430033；2．海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031；3．上海磊華船舶工程有限公司，上海 200035）

基于在線監測的某船用鍋爐控制系統故障診斷

張曉東1，薛紅軍2，黃國安3

●（1．海軍工程大學，武漢 430033；2．海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031；3．上海磊華船舶工程有限公司，上海 200035）

針對某船用鍋爐控制系統運行中間的非正常熄火及工作壓力劇烈波動的故障，通過控制系統運行參數在線監測和模擬信號試驗，得出故障是由控制系統軟件與硬件參數設置的不匹配造成的。這為今后該控制系統軟件與硬件參數的匹配調整和鍋爐的優化燃燒提供了途徑。

船用鍋爐；控制系統；故障診斷；在線監測

0 引言

某船用鍋爐控制系統由蒸汽壓力調節回路、空氣流量調節回路、鍋爐水位調節回路、燃油溫度調節回路、燃油壓力調節回路和燃油壓差調節回路等六個回路組成，全部調節回路由兩臺VME總線結構互為熱備份的控制計算機及各個調節回路的傳感器、“奧瑪”電動控制閥執行機構、液壓電磁閥執行機構等組成。該系統在裝船運行初期就出現某些工況下鍋爐不明原因的熄火和工作參數不穩定現象。數年后，該故障現象益加頻發，高參數工況下多次出現鍋爐壓力大幅波動導致安全閥起跳的現象，這嚴重影響了設備的正常工作。

為解決這一問題，需要從鍋爐控制系統的硬件和軟件結構兩個方面進行故障原因排查。由于系統本身不具備自我診斷能力，鍋爐運行期間故障突發狀態下難以獲取故障信息，于是使用對運行數據進行在線監測和記錄的方法，通過一套自制監測、記錄裝置，對控制系統的運行參數進行在線監測記錄，同時在系泊狀態下利用該裝置對控制系統施加正常的模擬信號，觀察系統參數的變化情況。將在線監測和模擬測試相結合，在航行狀態下對鍋爐的部分運行參數進行調整。實踐證明，該方法有助于捕捉瞬時變化的故障信息，對于排查該船鍋爐控制系統運行不穩定故障行之有效。

1 運行期間控制系統在線監測的實施方法

通過對控制系統的深入分析發現，影響鍋爐工作穩定性的主要控制環節在于鍋爐的燃燒控制回路（蒸汽壓力控制回路及燃油控制回路）和增壓風機的空氣流量控制回路，其中牽涉到的工作機械和控制部件比較多，查找故障則需要對各個工作機械運行過程中的控制信號、執行機構動作、傳感器反饋信號等進行全面的在線監測和記錄分析，以便能夠獲取運行中的故障信息。

系統運行監測記錄裝置功能框圖如圖1所示。為保證測試記錄過程與鍋爐控制系統在電氣上互不影響和完全隔離，監測記錄裝置由信號轉接單元、信號隔離單元、監測控制單元和上位計算機構成。通過高精度電氣隔離模塊和接插件，將監測裝置與鍋爐控制系統的輸入輸出信號板卡相連接，其中采集通道與輸入板卡MBA32連接方式如圖2所示，采集通道與其它板卡的連接方式和圖2基本相同。

圖1 監測記錄裝置功能框圖

圖2 信號采集的電氣原理示意圖

針對控制系統中除水位和燃油溫度調節以外的四個回路，鍋爐運行期間監測記錄裝置的采集信號見表1。測試裝置中信號的采集和處理模塊以通訊方式上傳至由便攜式工控機構成的上位計算機，進行信號的處理和在線記錄。

表1 鍋爐控制系統在線監測信號表

2 系泊狀態下控制系統的模擬信號試驗

監測裝置除了具備數據采集、記錄功能外，還具備模擬實驗功能，采集記錄功能和模擬試驗功能由軟件實現并能進行功能切換。為了更為全面地捕捉控制系統工作不穩定的故障信息，在動力裝置系泊狀態下開啟控制系統，通過監測記錄裝置的信號模擬功能向系統適當施加模擬試驗信號，監測并記錄控制系統的執行機構是否正常動作、動作量值與輸入信號的對應關系以及運行中各個執行機構部件是否存在卡滯或失效，由此判定可能存在的故障或失效器件。系泊狀態下的模擬信號試驗的信號列表見表2。利用監測記錄裝置針對控制系統的模擬試驗功能，在鍋爐冷態和熱態無負荷情況下進行了一系列系統測試和試驗。

表2 系泊狀態下的模擬信號試驗的信號列表

2.1 蒸汽壓力調節器控制回路的模擬信號試驗

鍋爐冷態情況下向控制系統施加模擬信號，分別在低參數和高參數工況下測試記錄控制系統執行機構的動作值，測試、記錄蒸汽壓力調節回路的控制特性和非線性區間。

鍋爐熱態無負荷情況下向控制系統施加小幅值模擬信號，在低參數工況下測試記錄控制系統執行機構的動作值，測試、記錄蒸汽壓力調節回路的控制特性和非線性區間。

此項測試得到的數據對于定量區分“奧瑪”電動執行機構的故障卡滯和正常工作的非線性區間有較大意義。

2.2 空氣流量調節器控制回路的模擬信號試驗

鍋爐冷態情況下向控制系統施加模擬信號，測試記錄空氣流量控制系統的執行機構的動作值，測試、記錄空氣流量調節回路的控制特性和非線性區間。

改變主蒸汽調節回路控制數值，測試、記錄相應鍋爐負荷下空氣流量調節回路的控制特性。

改變空氣流量壓差傳感器反饋量數值，測試、記錄空氣流量調節回路的控制特性。

鍋爐熱態無負荷情況下，小幅值改變控制系統中空氣流量壓差傳感器的反饋通道變送系數，測試、記錄控制系統執行機構的動作值以及增壓風機轉速的動態和穩態特性。此項測試觀察到空氣流量壓差變送器的反饋通道變送系數對于增壓風機轉速動態和穩態特性的重大影響。初步認為，與空氣流量調節器相關的控制軟件只有與硬件參數有著較好的匹配，才能使增壓風機在相應鍋爐負荷下平穩運轉。如果硬件參數產生較大漂移和偏差，就會導致增壓風機轉速動態特性劇烈變化。

通過系泊狀態下的模擬信號試驗，發現并排除了空氣流量調節回路的部分硬件故障，在此基礎上制定了某船海上航行試驗排故方案。

3 航行試驗中鍋爐控制系統監測和參數調整

在航行狀態下，將專用監測記錄裝置與鍋爐控制系統相連，記錄各種工況下鍋爐相關的控制信號、傳感器信號和執行機構的動作信號，根據記錄的信號數據對鍋爐的運行狀態（主要針對鍋爐燃油和空氣流量的匹配）進行分析，并調整參數。實驗鍋爐非正常熄火及工作壓力波動的現象主要發生于鍋爐負載大幅度波動的工況（航行中汽輪機突然加速、換向倒車等），該故障與空氣流量壓差變送器傳輸系數的取值密切相關。

航行試驗中對鍋爐空氣流量壓差變送器的傳輸系數進行了調整，效果明顯：鍋爐運行過程中增壓風機穩態轉速與前比較下降約600轉，波動情況有所緩解；鍋爐燃油和空氣流量配比得到改善；在低、高參數工況下鍋爐運行狀況較平穩；鍋爐非正常熄火現象大幅減少；鍋爐壓力波動漸趨平穩。

4 結論

1）通過鍋爐控制系統運行參數在線監測和模擬信號試驗，查明鍋爐非正常熄火及工作壓力劇烈波動主要是由控制系統軟件與硬件參數設置不匹配造成的。

2）在航行試驗中，通過調整部分硬件參數使得控制系統的蒸汽壓力控制回路和空氣流量控制回路在高、低參數工況下均能保持平穩運行。

3）在故障排查和試驗過程中記錄了鍋爐工作的過程參數，為今后對鍋爐控制系統軟件與硬件控制參數的匹配調整積累了數據。

[1]費千. 船舶輔機[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2000.

[2]趙欽新, 惠世恩. 燃油燃氣鍋爐[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2000.

Failure Diagnostics of Ship Boiler Control System Based on Online Surveillance

ZHANG Xiao-dong1, XUE Hong-jun2, HUANG Guo-an3
(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. The Naval Representative Office Stationed at No.704 Institute of CSIC, Shanghai 200031, China; 3. LEI-HUA Ship Engineering Limited Corporation, Shanghai 200035, China)

There are such failures as abnormal flameout and working pressure quick fluctuate in the operation of ship boiler. Through online surveillance of the control system operating parameters and analog signal experiments, it is found out that the reason of the failures is mismatching of control system software and the setout of hardware parameters. This paper provides technical approaches for adjustment of control system software and hardware parameters as well as combustion optimization.

ship boiler; control system; failure diagnostics; online surveillance

TK175

A

張曉東（1969-），碩士，副教授。研究方向：蒸汽動力裝置。