基于碟式離心分離機邏輯控制的健康管理設計與分析

袁吉勝，謝昌成，朱殿璞

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

從船舶發展的總體需求分析來看，未來船舶現代化水平的差異主要體現在信息化程度的高低上。船舶上的機電設備種類繁多，系統非常龐大，而且隨著船舶性能指標的不斷提升，新的機電設備將源源不斷地被整合到船舶系統中。船員不僅需要掌握裝備的操作方式，而且要在突發故障時擁有快速解決故障的能力；與此同時，船員人數被更加嚴格地控制以節約成本。船舶機電設備需要擁有一套完善的健康管理系統，系統包含在線檢測、監測保護、數據管理、分析診斷等模塊。現以碟式離心分離機邏輯控制的健康管理設計為例，詳細分析健康管理系統的各模塊。

1 在線檢測

碟式離心分離機工作前，需確認壓縮空氣、工作水和蒸汽等外部保障條件的正常供給。蒸汽加熱器對蒸汽的需求量由蒸汽管路上的溫控閥控制。程序控制箱根據加熱器內滑油流量和滑油溫度的實際情況，自動調節溫控閥的開度，確保進入分離機的滑油溫度滿足要求。壓縮空氣和工作水需滿足壓力要求，否則將影響各閥組的正常工作。功能流程見如圖1。

圖1 功能流程圖

依據實際工作流程，在人機交互界面進行系統規劃。人機界面層次、排布合理清晰，主界面的流程示意跟裝備實物流程嚴格保持一致，在界面左上角直觀地實時顯示裝備實際狀態，如圖 2所示。

圖2所示界面能夠幫助船員直觀地了解整個碟式離心分離機的工作流程、管路布局和設備組成。設備的主要技術參數，如供油泵電流、油溫、分離機電流、凈油油壓和水壓等，一般可在相關設備旁讀取。有了該界面后，當船員想要了解相關設備的參數時，可以直接在人機界面上讀取，無需跑到設備旁，從而提升了工作效率。

圖2 碟式離心分離機示意圖

整個碟式離心分離機工作流程數量多且每個工作流程時間長。根據歷年的使用經驗以及顧客的反饋，其最大缺點就是不能直觀地觀察到機組運行狀態。因此，在線檢測的設計中增加了分離工況實時顯示以及每個工況的倒計時顯示。

在主界面新增一個I/O界面，如圖3所示。此界面的所有數據都是采樣的原始數據，且采樣數據實時在線刷新。此窗口可以有效地幫助工程師進行例行檢修，船員也可以通過此窗口判斷相關傳感器的狀態。

圖3 I/O界面圖

2 監測保護

為了全面監測分析裝備的運行情況，本系統需要監測分離機轉速、管路油溫、分離機電流、供油泵電流、凈油排放壓力、水排放壓力、本地輸入、遙控輸入、自檢輸入、分離機本地啟動、分離機本地停止、供油泵本地啟動、供油泵本地停止等工況參數。系統測點清單如表1所示，這些測點可以滿足碟式離心分離機健康管理系統的基本要求。

表1 系統測點清單（單臺套裝備）

根據設計初衷，監測保護系統被定義為健康管理系統最為核心的架構之一，同時也是系統眾多窗口中開放程度最低的一個，需要一定的用戶權限才能打開此窗口。用戶權限界面如圖4所示。

在編寫下位機控制程序時，采用功能塊的形式進行搭建，故可以通過此窗口的參數輸入修改控制流程以及報警閥值。同時，由于通過此窗口可以直接修改碟式離心分離機的控制流程和報警停止動作，因此此窗口是不對外開放的，僅在工程師調試時用于針對每個裝備的差異做少許調整。參數設置界面如圖5所示。

圖4 用戶權限界面圖

圖5 參數設置界面圖

3 數據管理

3.1 數據記錄

在設計時，將數據管理系統大致分為數據采集記錄和數據存儲兩大部分。

數據采集記錄架構分為歷史報警和輸入記錄。歷史報警是為了方便工程設計人員了解單個裝備的運行狀態，現場操作人員可以使用此功能輔助分析故障原因。在設計時增加了分離機轉速實時檢測曲線和油溫加熱檢測曲線，以方便操作人員評估裝備狀態，如圖6所示。

圖6 歷史報警界面圖

輸入記錄架構采用單點下降沿觸發全輸入的方式記錄裝備的所有輸入信號，其作用是幫助操作人員剔除誤操作記錄、追溯輸入指令和輸入次數，其界面如圖7所示。

圖7 輸入記錄界面圖

3.2 數據存儲

在設計數據存儲方案時，根據裝備的使用習慣和數據處理量的大小，估算出所需要的硬件內存和數據導出頻率。本系統中：1）共需采集 39種數據，每次采集的單條記錄大約為2 kB，根據以往使用習慣，1 h平均采集各種數據累積約為80條；2）依據歷年報警記錄，開機運行1 h，存儲數據量約10 kB；3）查看以往的裝備運行情況，1年約運行1 500 h。

綜上所訴，按照平均兩年導出一次數據記錄的頻率，系統所需內存為512 Mb。

4 分析診斷

分析診斷分系統是整個系統能否有效發揮預警功能以及能否對故障原因做出準確判斷的關鍵系統。

該系統架構嚴格遵循系統控制邏輯流程，如圖8所示。在設計架構時，充分利用裝備的使用和維修經驗，將實船使用中的情況與邏輯判斷相結合，形成在主界面右側的以故障樹為藍本，以故障信息、原因分析診斷為輔的系統架構。

現以分離機低轉速報警為例進行分析。通過分析可知，分離機轉速突減的原因主要有3個：1）電機皮帶打滑；2）水壓過低導致托盤下降，水壓通過排渣口卸荷；3）電機自身故障。

圖8 系統控制邏輯圖

由圖9可知，M10.0是判斷電機運轉時電流是否異常的標志位，M10.0為“0”時，可以看做電機正常運轉；M10.1是判斷分離機運行過程中水壓是否正常的標志位，M10.1為“0”時，可以判斷分離機運轉過程中水壓持續保持在正常范圍。設計時，為避免在分離機轉速突降時發生誤報警的情況，通過定時器 T110做一個持續性的觸發計時。只有當報警持續一段時間后才會觸發報警輸出，并在人機交換界面顯示報警信息“分離機轉速突降”和分析原因“分離機皮帶打滑”（因排除電機自身問題和水壓異常問題，故可以準確地給出診斷信息），如圖10所示。

圖9 轉速突減的邏輯控制原理圖

圖10 轉速突減故障診斷示意圖

5 結論

本文根據工程應用經驗，將碟式離心分離機邏輯控制的健康管理系統分解為在線檢測、監測保護、數據管理和分析診斷4個模塊。借助該系統，操作人員能夠在較短的時間內掌握裝備的操作方式，并能在突發故障時快速掌握故障原因并制定相應的解決方案，從而提高其對裝備的使用、維護和排故障能力。