基于現場參數的某型船用柴油機故障實例分析

潘興隆，賀　國（海軍工程大學動力工程學院，武漢　430033）

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基于現場參數的某型船用柴油機故障實例分析

潘興隆，賀國
（海軍工程大學動力工程學院，武漢430033）

摘要：某型船用柴油機主要由繼電器、開關式傳感器、執行器等實施邏輯控制，這些邏輯控制器件的動作值及其相互間邏輯關系是柴油機正常工作的重要保證。針對某船右柴油機出現的完全停車傳感器接通和斷開時機無法同時滿足控制邏輯要求的故障，設計開發了基于單片機的現場參數采集裝置，通過對比分析左、右柴油機現場采集的參數，診斷出該故障是由右柴油機啟動過程中燃油系統壓力變化滯后于轉速變化導致的，通過更換機帶燃油泵將故障排除，從而為該型船用柴油機該類型故障診斷提供了有效方法和設備。

關鍵詞：船用柴油機故障診斷數據采集單片機

0　引言

柴油機以其良好的動力性能，較高的可靠性、經濟性等特點，成為現代船舶、機車等的重要原動機。某型船采用兩臺柴油機作為主動力裝置的原動機，該型柴油機的監控系統是一種以繼電器、開關式傳感器、執行器等邏輯控制器件為主的邏輯控制型系統，主要功能是對柴油機的盤車、啟動、調速、停機等工作過程實施邏輯控制，并具有參數越界報警和應急停機保護等功能。

該型柴油機監控系統中有一類開關式壓力傳感器，通常稱之為完全停車傳感器，安裝于柴油機的燃油系統中，當燃油系統壓力高于某一壓力值時（啟動過程），傳感器觸點接通；當燃油系統壓力低于某一壓力值時（停機過程），傳感器觸點斷開。而燃油系統的壓力又是由柴油機的機帶燃油泵產生的，因此燃油系統的壓力是隨柴油機的轉速變化而變化的，即燃油系統壓力的變化實際上反映的是柴油機的轉速變化，而監控系統通過燃油系統上安裝的壓力傳感器的狀態信號可以間接得到柴油機的轉速變化情況，并據此對柴油機實施控制。

完全停車傳感器的接通與斷開時機，反映了柴油機啟動和停機過程中兩個重要轉速：1）啟動過程，隨著柴油機轉速升高，燃油系統壓力升高，當達到一定轉速（記為n1）時，系統壓力升高到一定值（記為p1），傳感器觸點接通，意味著柴油機已正式進入啟動階段，監控系統將斷開啟動電路，接通停機預備電路，以便任何情況下系統可自動或人為控制進行停機操作；2）停機過程，隨著柴油機轉速降低，燃油系統壓力下降，當轉速降低到一定值（記為n2），燃油系統壓力隨之下降到一定值（記為p2），傳感器觸點斷開，意味著柴油機轉速已下降至不能自行恢復正常工作轉速的轉速，此時監控系統將控制柴油機附屬系統關閉柴油機進排氣擋板，以免舷外海水倒灌進入柴油機。上述兩個轉速n1和n2必須在規定的范圍之內，并確保與其它控制器件之間的邏輯關系正確，否則可能會引起監控系統控制邏輯紊亂或產生安全隱患。

某船在進廠修理維護后，在對柴油機及其監控系統進行出廠檢驗調試過程中，發現右柴油機的完全停車傳感器無法保證在啟動、停機過程中接通和斷開時對應的轉速n1和n2均在額定范圍內，具體故障現象為：如果將接通轉速n1調整至正常工作范圍，并保證與其它控制器件的邏輯關系正確，則斷開時對應的轉速n2明顯低于正常斷開范圍，從而無法控制進排氣擋板及時關閉，容易引起舷外海水倒灌；而如果將斷開轉速n2調整至正常工作范圍，則接通轉速n1遠遠高于正常工作范圍，從而引起啟動過程控制邏輯紊亂，并且存在緊急情況下無法控制柴油機及時停機等安全隱患。

1　故障原因分析

由于完全停車傳感器的動作值是由燃油系統壓力決定的，而燃油系統壓力是由柴油機機帶燃油泵產生，并隨柴油機轉速變化而變化的，因此，產生上述故障的原因可能有三個：

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

2）燃油系統壓力異常；

3）柴油機轉速傳感器故障，顯示的柴油機轉速值不準。

上述三個可能的故障原因中，如果是完全停車傳感器或轉速傳感器導致的故障，可通過對傳感器進行調試標定來診斷和排除；如果是燃油系統壓力異常導致的故障，則由于監控系統自身無法實時檢測燃油系統壓力隨轉速的變化情況，則需專門的數據采集裝置，處理起來較為復雜。因此，實際操作過程中，采取先易后難的方法，首先對傳感器進行標定，然后再考慮燃油系統壓力因素的影響。

1.1 完全停車傳感器標定

將完全停車傳感器拆卸后，在實驗室壓力標定平臺上進行調試，對其動作值進行標定。

圖1　完全停車傳感器動作值標定

如圖1 所示，在壓力標定平臺上，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狀態值，記錄其接通與斷開時對應的壓力值及其切換差值，通過與額定值比較，證實該傳感器的動作值在正常范圍內。所以，排除由于完全停車傳感器動作值不準或切換差過大引起上述故障的原因。

1.2 轉速傳感器標定

將轉速傳感器拆卸后，在轉速標定平臺上對其進行轉速測量和顯示精度進行標定。

如圖2所示，將轉速傳感器與轉速標定裝置的標準轉速輸出端連接，在轉速顯示儀上觀察轉速傳感器測量的轉速值，并與轉速標定平臺的標準輸出值進行比較，結果顯示轉速傳感器的測量值與標準值的誤差在1r/min之內，滿足正常測量需求。所以，排除由于轉速傳感器測量不準引起上述故障的原因。

1.3 現場參數檢測

排除了完全停車傳感器和轉速傳感器可能導致上述故障現象的因素后，需要對燃油系統的壓力隨轉速變化情況進行檢測，以確定故障原因。為此，需設計開發專用的現場參數采集裝置。

圖2　轉速傳感器標定

1） 總體方案

考慮到柴油機機艙工作現場空間狹小，振動噪聲高等因素，現場參數采集裝置采用上位機和下位機分別設計的方案，總體方案如圖3所示。下位機放置于數據采集現場，以STM32單片機為核心，主要負責現場壓力信號和轉速信號的采集并通過網絡通信傳輸給上位機進行分析處理。上位機放置于柴油機的集控室，采用便攜式PC機，主要用于對下位機采集的壓力和轉速數據進行處理和實時顯示，并根據需要向下位機發出控制指令[1-4]。

圖3　現場參數檢測方案

2） 關鍵電路分析

現場參數的采集包括壓力信號和轉速信號兩種，由于該型柴油機轉速傳感器為數字式傳感器，傳感器的輸出及顯示信號即為數字信號，因此，現場參數采集設備可直接讀取轉速傳感器輸出的數字信號，從而獲得柴油機的實時轉速值。燃油系統壓力信號是隨柴油機轉速變化的模擬量信號，需要先利用壓力變送器將壓力信號轉換成電信號，再送入單片機中進行分析處理。由于壓力變送器輸出的是0～5V電壓信號，而STM32單片機的A/D輸入范圍是0～3.3V，因此需對0～5V電壓信號進行轉換，為此需要通過專門的信號調理電路，將其轉換成單片機可處理的信號，模擬量信號的處理電路如圖4所示。

其中，R1和R2為分壓電阻，第一級運放U1A為電壓跟隨器，其輸出電壓范圍為±10.5 V。當外界輸入的電壓Ain高于10.5 V時，會引起U3信號失真。通過R5和R10再次分壓后，運放U2A輸出電壓UO被限定在3.3 V以內，以滿足STM32 內A/D轉換器對輸入電壓的要求，運放U2A及其電阻網絡構成一個有源二階低通濾波器。

圖4　模擬量信號處理申路原理圖

3）現場安裝使用

為確保采集到的數據準確反映系統工作情況，在進行現場數據采集時，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，并將下位機放置于柴油機機旁，而上位機放置于集控室，這樣既解決現場狹小空間下數據采集裝置不便安裝的問題，又能直觀觀察管路內是否有雜質和氣泡混入。同時，還可以在不影響系統正常工作的情況下，將該壓力信號通過壓力變送器經下位機采集后，送到集控室的上位機進行實時監測和分析處理。柴油機轉速信號則直接通過并聯接線的方式從柴油機機旁轉速傳感器上獲取[5]。壓力變送器現場安裝如圖5所示。

圖5　壓力變送器現場安裝

4） 現場參數采集分析

通過現場數據采集裝置，分別獲取了左、右柴油機啟動過程中燃油系統壓力和轉速信號隨時間變化的參數，經無量綱化處理后繪制的曲線如圖6、圖7所示。

圖6　左柴淮機啟動過程中燃淮系統壓力和柴淮機轉速隨時間變化的曲線

圖7　右柴淮機啟動過程中燃淮系統壓力和柴淮機轉速隨時間變化的曲線

對比分析圖6和圖7所示的左、右柴油機啟動過程中燃油系統壓力和柴油機轉速隨時間變化的曲線可知，左柴油機在轉速上升高到I檔穩定轉速（圖6，第70秒附近）時，燃油系統壓力也達到最高點；而對于右柴油機，當轉速升高到I檔穩定轉速（圖7，第70秒附近）時，燃油系統壓力仍然在升高過程中，需要延遲5～6秒后燃油系統壓力才達到最高值。

5）故障診斷結論

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

所以，柴油機啟動過程中，系統燃油壓力的變化滯后于柴油機轉速變化是導致完全停車傳感器動作時機不能兼顧啟動和停機過程均符合要求的主要原因。最終，通過更換燃油系統管路上的機帶燃油泵并對燃油管路進行清潔保養，排除了上述故障。

2　結 語

針對某型船用柴油機出現的傳感器接通和斷開時機不當引起的控制邏輯異常問題，通過對相關的完全停車傳感器和轉速傳感器進行實驗室標定，排除了傳感器故障的可能；然后，以單片機為核心，設計開發了一套現場參數采集裝置，通過對柴油機及其輔助系統相關參數的采集分析，將故障原因定位為柴油機啟動過程中燃油系統壓力建立緩慢造成的；最后，通過更換機帶燃油泵排除了系統故障，也為該類型故障的診斷排除提供了必要的設備，積累了排故經驗。

參考文獻:

[1] 鄭偉勝，趙學鋒.基于單片機與PC通信的數據采集控制系統設計研究.煤炭技術[J]，2013，32（1）:61-63.

[2] 馬曉榮，吳銀川.一種多通道數據采集系統設計研究.電子設計工程[J]，2012,20（19）:14-16.

[3] 張旭，亓學廣，李世光等.基于STM32電力數據采集系統的設計[J].電子測量技術,2010,33（11）:90-93.

[4] 常霞，馬建偉.基于STM32的列車空氣動力學數據采集系統[J].儀表技術與傳感器,2011,（4）:45-48.

[5] 笪月君.基于單片機的柴油機轉速測量模塊設計[J].船電技術，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：潘興隆（1983-），男，講師。研究方向：機艙自動化系統設計、檢測與故障診斷。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0070-04