瓦錫蘭W38主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)故障特點(diǎn)和分析

盛衛(wèi)明，張家洪

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

某耙吸船的主機(jī)是2臺(tái)WARTSILA中速柴油機(jī)12V38B（W38機(jī)），每臺(tái)主機(jī)額定功率為8700kW，與柴油機(jī)配套的監(jiān)控系統(tǒng)是UNIC C2系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計(jì)，以冗余CAN總線連接各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)模塊進(jìn)行通訊，來采集和處理柴油機(jī)的各運(yùn)行參數(shù)，并發(fā)送指令給柴油機(jī)的各控制部件；以Modbus總線與船舶報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。此系統(tǒng)的一個(gè)明顯設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將所有模塊和相關(guān)部件直接安裝在機(jī)器上。因?yàn)闆]有控制模塊分開安裝在外部的控制柜中，從而使該機(jī)器的設(shè)計(jì)顯得緊湊，也允許機(jī)器在工廠里做完整的調(diào)試。UNIC C2系統(tǒng)主要包括主控模塊、輸入輸出模塊、安保模塊、電源分配模塊、現(xiàn)場(chǎng)控制面板和現(xiàn)場(chǎng)顯示單元，它能處理多種任務(wù)，包括柴油機(jī)啟動(dòng)停止管理、安保功能、速度負(fù)載控制、重要參數(shù)顯示和系統(tǒng)診斷等，該控制系統(tǒng)的綜合圖如1所示。

圖1 UNIC C2控制系統(tǒng)綜合圖

雖然瓦錫蘭開發(fā)的UNIC C2系統(tǒng)功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)本身優(yōu)點(diǎn)較多，但是該系統(tǒng)在船舶運(yùn)行過程中還是暴露出不少故障，具體分為模塊類故障、通訊線路類故障和傳感器類故障，下面將通過列舉故障案例來分析故障和改善建議。

1 UNIC C2的模塊類故障

1.1 系統(tǒng)中各模塊的作用和關(guān)系

UNIC C2主機(jī)控制系統(tǒng)的MCM主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，IOM輸入輸出模塊負(fù)責(zé)對(duì)柴油機(jī)油、水、氣系統(tǒng)的壓力、溫度、液位等各參數(shù)的采集，以及采集轉(zhuǎn)速傳感器和油門刻度等參數(shù)，同時(shí)操作人員的指令會(huì)通過此模塊到達(dá)終端，使閥件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)按操作人員要求動(dòng)作。經(jīng)過IOM處理的數(shù)據(jù)會(huì)通過CAN總線傳到MCM主控模塊(圖2所示)、ESM安保模塊進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果反饋給本系統(tǒng)相關(guān)模塊和操作人員，MCM模塊同時(shí)通過CAN總線將一些重要參數(shù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)顯示單元LDU，給操作人員直觀的感受。PDU電源分配模塊負(fù)責(zé)向各個(gè)模塊提供互為備份的兩路24V電源，通過模塊也向各個(gè)傳感器進(jìn)行供電。ESM安保模塊在主機(jī)的運(yùn)行中作用明顯，擔(dān)負(fù)主機(jī)基本的安保功能，該模塊也是停車裝置和部分傳感器之間的中間環(huán)節(jié)。

此系統(tǒng)中的MCM主控模塊所起的作用很大，除了負(fù)責(zé)主機(jī)的啟動(dòng)、停車管理外，還肩負(fù)主機(jī)的速度和負(fù)載控制功能，以及對(duì)許多其他終端設(shè)備的控制。因耙吸船的主推進(jìn)柴油機(jī)12V38B功能不只是驅(qū)動(dòng)螺旋槳，而且該主機(jī)又通過齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)和通過離合器驅(qū)動(dòng)泥泵，所以UNIC C2系統(tǒng)要處理的參數(shù)多，以致該系統(tǒng)需使用2塊MCM模塊，以便實(shí)現(xiàn)主機(jī)控制的完整功能。

1.2 故障現(xiàn)象

有一次某耙吸船備車起錨時(shí)，發(fā)現(xiàn)左主機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速直接上升到630r/min（主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為600r/min），試圖通過推進(jìn)控制柜上的60%、85%、100%額度轉(zhuǎn)速控制按鈕降速，但主機(jī)轉(zhuǎn)速無變化，后手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)速器速度設(shè)定旋鈕，將主機(jī)速度降低至510r/min。初步懷疑電子調(diào)速器不起作用。首先排查了轉(zhuǎn)速傳感器，并且測(cè)量了主推進(jìn)柜PCU到MCM的隔離模塊、推進(jìn)柜接線排、和MCM接線排的速度設(shè)定模擬量信號(hào)，電流都為7.03mA（右主機(jī)為7.05mA），此時(shí)可確定速度傳感器和速度設(shè)定控制信號(hào)都沒有問題,根據(jù)UNIC C2監(jiān)控系統(tǒng)說明書的描述，MCM主控模塊負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)速和負(fù)載進(jìn)行控制，該模塊的輸出信號(hào)接到調(diào)速器的執(zhí)行器。

1.3 故障原因排查和分析

為了判斷此故障根源在左主機(jī)的MCM-1模塊上，首先測(cè)量MCM-1輸出至調(diào)速器的電壓信號(hào)，顯示為0V，將左主機(jī)MCM-1輸出至調(diào)速器的接線挑開，測(cè)量輸出電壓信號(hào)變?yōu)?4V。電機(jī)員重啟左主機(jī)MCM-1模塊后，測(cè)量該模塊輸出為21V，但是將調(diào)速器的接線再次接入MCM后，測(cè)量電壓為0V,將接線重新挑開后，測(cè)量MCM輸出又變?yōu)?4V。而測(cè)量右主機(jī)MCM-1輸出至調(diào)速器的電壓信號(hào)正常為5V，將至調(diào)速器的接線挑開后，測(cè)量該模塊的輸出電壓為21V。可初步判斷此故障由MCM模塊問題引起左主機(jī)轉(zhuǎn)速無法控制。

為了確認(rèn)此故障，輪機(jī)部人員更換備用調(diào)速器，再次啟動(dòng)主機(jī)，故障依舊。檢查安保模塊絕緣良好，萬用表測(cè)量調(diào)速器線圈及MCM至調(diào)速器的電纜對(duì)地絕緣良好。采取以上措施后，電機(jī)員對(duì)調(diào)了左右主機(jī)的MCM-1模塊，重新啟動(dòng)左主機(jī)，發(fā)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速直接上升至600r/min（100%），在推進(jìn)控制柜上操作速度設(shè)定按鈕60%，85%，100%，轉(zhuǎn)速仍然無變化，無法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。經(jīng)過詢問得知，左右主機(jī)的MCM-1模塊物理結(jié)構(gòu)雖然一樣，但是灌入模塊的程序和設(shè)定的地址不一樣，所以兩塊主控模塊不能直接對(duì)調(diào)使用。故障原因已經(jīng)明確，解決時(shí)則需要專業(yè)灌模塊程序軟件的支持，以及模塊地址的設(shè)置等工作。除了安裝在MC控制箱里的MCM和ESM模塊外，在12V38B機(jī)上還有7塊IOM模塊（圖3），雖然IOM模塊的物理結(jié)構(gòu)一樣，但是每塊模塊的內(nèi)置程序和地址設(shè)置不同，一般不能混用。

從主機(jī)多年的運(yùn)行情況來看，模塊的故障率也不低，近兩年陸續(xù)損壞3塊模塊，分別是MCM主控模塊、ESM安保模塊和IOM輸入輸出模塊。模塊故障率高的原因和緊湊型設(shè)計(jì)有密切關(guān)系，因?yàn)樗心K都安裝在機(jī)側(cè)，模塊里的電子元器件都要承受高溫、劇烈振動(dòng)和油氣的考驗(yàn)，從而縮短了模塊的壽命，設(shè)備的可靠性降低。

圖2 MCM主控模塊

圖3 機(jī)側(cè)IOM數(shù)據(jù)采集模塊

2 UNIC C2的通訊和線路類故障

2.1 故障現(xiàn)象

該耙吸船在航行時(shí)左主機(jī)各軸承溫度在機(jī)側(cè)顯示屏和AMS上皆大幅度波動(dòng)，造成第0號(hào)軸承溫度超過停車報(bào)警值，并導(dǎo)致左主機(jī)停車。同時(shí)波動(dòng)的參數(shù)還有部分缸套溫度及左主機(jī)部分排溫，只是波動(dòng)幅度還未到報(bào)警或停車設(shè)定值。發(fā)生故障時(shí)在機(jī)側(cè)顯示屏上顯示如下圖4和圖5所示報(bào)警。從機(jī)側(cè)的報(bào)警來看，MCM-11 2個(gè)故障和IOM10 A1通訊故障是該故障原因的主要懷疑對(duì)象。

圖4 MCM-11主控模塊報(bào)警

圖5 IOM-A1模塊通訊失敗報(bào)警

2.2 故障原因排查和分析

左主機(jī)停車后，打開曲拐箱道門，檢查各道主軸承和連桿大端軸承，檢查結(jié)果正常。隨后，電機(jī)員分別更換MCM-11模塊及IOM-A1采集模塊，更換A1采集模塊后，機(jī)側(cè)顯示及AMS顯示無數(shù)據(jù)；更換MCM-11模塊后，部分參數(shù)顯示數(shù)據(jù)異常，并在主機(jī)起動(dòng)后轉(zhuǎn)速升至85%時(shí)，保護(hù)停車。因備用模塊無適用的程序?qū)е聼o法發(fā)揮正常功能。隨后，重新更換上原來用的模塊，起動(dòng)左主機(jī)后，原波動(dòng)的參數(shù)顯示正常。但是當(dāng)槳角接近60%時(shí)，再次出現(xiàn)主軸承溫度大幅波動(dòng)的現(xiàn)象。通過多次測(cè)試，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)槳角接近或超過60%時(shí)，軸承溫度波動(dòng)幅度大幅加大，并會(huì)超過報(bào)警值導(dǎo)致停車。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析，因主機(jī)振動(dòng)幅度加大而導(dǎo)致的故障大部分與接線接觸不良或者電源線迅時(shí)接地有關(guān)。在停車狀態(tài)下，技術(shù)人員對(duì)左主機(jī)整體絕緣和各采集模塊中的絕緣都進(jìn)行了測(cè)量，目前左主機(jī)各采集模塊中的絕緣最小為0.8MΩ，應(yīng)該基本能夠排除因模塊絕緣引起的故障。除了測(cè)量各模塊絕緣以外，還對(duì)通訊線的絕緣和連接進(jìn)行了檢查確認(rèn)，并無大的發(fā)現(xiàn)。最后又開始測(cè)量各模塊電源線的絕緣情況，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)IOM-B1模塊和IOM-TC模塊的電源線有破損，破損位置剛好在增壓器下方，難于發(fā)現(xiàn)。因電源線破損并和柴油機(jī)機(jī)殼偶發(fā)性接地，造成整個(gè)UNIC C2系統(tǒng)的電源電壓不穩(wěn)定，而各類軸承溫度和各缸排氣溫度的采集信號(hào)都是4~20mA，所以電源信號(hào)的不穩(wěn)定，造成IOM模塊采集信號(hào)不穩(wěn)定，從而使軸承溫度在監(jiān)控系統(tǒng)中顯示波動(dòng)。隨著主機(jī)負(fù)荷的加大，振動(dòng)加劇，破損的電源線和機(jī)殼金屬接觸頻率增加，電源線接地影響明顯增大；當(dāng)主軸承波動(dòng)的最高溫度超過動(dòng)作值，該UNIC C2系統(tǒng)將輸出保護(hù)停車信號(hào)使柴油機(jī)自動(dòng)停車。

3 UNIC C2的傳感器類故障

3.1 故障現(xiàn)象

該耙吸船正在施工挖泥的過程中，集控室AMS（機(jī)艙監(jiān)視與報(bào)警系統(tǒng)）顯示右主機(jī)重大故障報(bào)警，駕駛臺(tái)控制面板上右主機(jī)負(fù)荷指示來回波動(dòng)，并且要求功率降低指示燈亮起，當(dāng)班輪機(jī)員通過觀察也發(fā)現(xiàn)機(jī)艙集控室推進(jìn)控制柜PCU顯示屏上右主機(jī)轉(zhuǎn)速從520r/min到600r/min之間來回波動(dòng)。

3.2 故障原因分析和處理

問題出現(xiàn)后，電機(jī)員立即著手分析故障，查找原因。首先使用手持測(cè)速儀到主機(jī)飛輪端現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)試結(jié)果顯示主機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在598r/min，屬于主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速范圍。既然主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]問題，那會(huì)不會(huì)是主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器有問題了？通過查看主機(jī)圖紙發(fā)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器一共有4個(gè)，2個(gè)安裝在飛輪端（ST196P、ST196S），2個(gè)安裝在凸輪端（ST173、ST174），如圖6所示。這4個(gè)傳感器通過主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊WTB-DE IOM接入主機(jī)MC主控箱內(nèi)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器ST196P、ST196S接至主控模塊MCM-11上，起調(diào)速作用；2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器ST173、ST174接至安保模塊ESM上，并通過分路輸出ST174的信號(hào)，將該轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送至推進(jìn)控制系統(tǒng)。PCU顯示的轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)，而實(shí)際主機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，因此可以判斷出故障來源可能出現(xiàn)在輸入安保模塊的轉(zhuǎn)速傳感器處。

在初步確定問題可能是由主機(jī)凸輪端的2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器（ST173，ST174）故障引起之后，在主機(jī)停車時(shí)將凸輪軸端端蓋打開，測(cè)量好傳感器與齒輪間隙后將2個(gè)傳感器換新（注意傳感器與齒輪之間的間隙一定要測(cè)量好，否則安裝間隙不對(duì)的話可能會(huì)引起主機(jī)飛車等事故）。正常啟動(dòng)主機(jī)，發(fā)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600r/min，主機(jī)負(fù)荷指示穩(wěn)定，逐漸加大主機(jī)負(fù)荷并脫合泥泵數(shù)次，主機(jī)轉(zhuǎn)速依然穩(wěn)定，故障排除。

圖6 凸輪軸端轉(zhuǎn)速傳感器

3.3 傳感器類故障特點(diǎn)

事后查看主機(jī)維修保養(yǎng)記錄發(fā)現(xiàn)，右主機(jī)凸輪端2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器在2018年3月份換新過，一年不到，又出現(xiàn)損壞。此主機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器故障率明顯偏高，而其他壓力、溫度傳感器的故障率在可接受范圍內(nèi)。船員申請(qǐng)這個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)量一般都要10個(gè)以上，可見此類傳感器更換之頻繁。傳感器和機(jī)側(cè)的模塊一樣，都工作在惡劣的環(huán)境下，中速機(jī)震動(dòng)比低速機(jī)劇烈，尤其是在主機(jī)高負(fù)荷的時(shí)候特別明顯，這就使得主機(jī)的這些傳感器既要承受高溫，又要受劇烈振動(dòng)的影響，從而大大縮短了它們的正常使用壽命。

4 結(jié)語

UNIC C2主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)雖然較多，但在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮機(jī)器本身的緊湊性和試驗(yàn)的便利性，而使系統(tǒng)的模塊類故障、通訊線路類故障和傳感器類故障增加，整個(gè)使用周期內(nèi)故障率升高。

為了降低故障率，首先建議設(shè)計(jì)上可以將各個(gè)模塊的安裝位置獨(dú)立于柴油機(jī)，模塊和傳感器之間可以通過硬線或者無線連接，目的是避免機(jī)器的劇烈振動(dòng)和散發(fā)的熱量影響到各個(gè)模塊和線路。例如MAN的V32/40主機(jī)就將各類模塊集中在機(jī)艙的集控室里，從而避免柴油機(jī)本身高振、高溫的影響，降低模塊的故障率。再次，船舶電機(jī)員在平時(shí)的施工過程中要注意檢查主機(jī)各類傳感器的工作狀態(tài)，包括傳感器信號(hào)傳輸線和電源線，以及防止這類線因?yàn)橹鳈C(jī)震動(dòng)而與機(jī)身摩擦；在船舶拋錨停車時(shí)做好主機(jī)傳感器的維護(hù)保養(yǎng)工作，盡可能地提高傳感器的使用壽命，以充分保證主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。