雙全回轉舵槳拖船大幅度擺舵故障分析與排除

張擁軍，朱旭東，糜艷軍

(1.上海華潤大東船務工程有限公司,上海 202155；2.上海船廠船舶有限公司，上海 202164)

某拖船由某船廠完全自主建造，該拖船采用2臺2 940 kW全回轉舵槳作為主推進動力和方向控制,全回轉舵槳實物圖見圖1，故其舵槳具有舵和槳的雙重功能，拖船可以在水平面內360°任意方向回轉，提供360°全方位的推力輸出，使船舶操作更加簡單靈活，機動性能無限大[1]。

圖1 全回轉舵槳實物圖

1 故障現象

經過多年的高強度使用，目前該拖船在運行過程中，時常發生擺舵現象(舵槳在全速運行時發生不受控的突然擺舵)。舵槳實際控制角的不受控偏離，嚴重影響了船體的穩定性，甚至可能會導致船體側翻，存在著嚴重的安全隱患。同時操控性變差，給拖船的精確定位、長時間護航等工作帶來了極大的不便和安全隱患。

2 故障分析與排除

2.1 工作原理

該拖船控制系統采用西門子S7-200系列PLC控制系統進行搭建，系統主要由操作手柄、主控柜、舵角傳感器、舵角指示器、信號放大器和電磁閥及舵槳控制裝置等單元組成，全回轉舵槳控制原理如圖2所示。主控柜是整套系統的核心，其作用是對外部接口送入的數據進行采集、分析處理，最后經運算后發出控制信號和指示信號給放大器和舵角指示器；操作手柄用于控制人員發出舵槳的操作信號給主控制器(主控柜)[2]；舵角傳感器用于采集舵槳當前的實際狀態并送給主控柜；舵角指示器用于顯示舵槳的當前狀態；放大器用于放大來自主控柜的控制信號并送給電磁閥及舵槳控制裝置；電磁閥及舵槳控制裝置是執行機構，用于控制和推進舵槳。該系統的控制是一個典型的負反饋控制回路，系統將操作手柄給出的設定值信號與舵角傳感器測得的實際值信號進行比較，如果2個值相等，則保持舵槳當前狀態；如果有偏差，則由主控柜發出一糾偏信號給放大器，經控制放大器后，執行機構(電磁閥及舵槳控制裝置)動作，直至偏差信號消失、設定值信號與舵角傳感器測得的實際值一致為止[3-4]。

圖2 全回轉舵槳控制原理

2.2 故障分析

舵槳在全速運行時發生不受控的突然擺舵，初步判斷是由于控制器受到了干擾信號引起的，根據干擾信號的來源，主要由以下3個方面引起。

1)操作手柄輸入信號及舵角傳感器信號受到干擾。操作手柄和舵角傳感器的標準輸出為4～20 mA的電流信號，但由于操作手柄與主控柜的距離較長(大概50 m)，原先的安裝是沿船體與電纜一起進行橋架、穿管敷設，因周邊電纜有較多的交流強電信號，容易產生較大的交流電磁感性干擾，同時中間的信號輸出線纜采用的是普通電纜，并非專用的信號屏蔽電纜。在無干擾的理想狀態下，手柄和舵角的信號應該都是一條直線型控制線，而由示波器在現場實際測得的該類信號卻是一條振幅和頻率極不穩定的鋸齒型噪聲波[5]。

2)主控制程序的設計抗干擾能力弱。原主控制程序包含有對4～20 mA標準輸入信號的一個主信號振幅的抗干擾處理，即當手柄信號輸入變化值超過某一設定值時，將其確認為有效輸入信號，否則將其視為干擾性無效信號而予以忽略。但是由于無法確定外界干擾信號的強度大小，以及對手柄操控靈敏度也有較高需求。所以當該值設定較大時，雖可以有效抑制干擾信號，但會引起手柄操縱的靈敏度下降；而當該值的設定較小時，雖可獲得非常靈敏的手柄操縱性能，但對輸入信號中的干擾信號過濾能力較差。故該原主控制程序的設計在信號的抗干擾和濾波的總體性能上比較差，雖進行過多次調試，仍無法滿足抗干擾和操控實際需求。

3)信號放大器數值的調整不正確。信號放大器的作用主要有3個：第一是信號隔離作用，用于隔離執行機構電磁閥和PLC控制器的直接聯系，保護PLC控制器的輸入、輸出電位；第二是信號的放大作用，由于PLC控制器輸出的信號強度不大，需要由放大器將其放大后輸出給執行機構，才能讓執行機構直接動作；第三是放大器可以進行軟控制輸出(平滑輸入輸出)。信號放大器工作原理如圖3所示，放大器動作有4個時間區間：最小值區間、加速區間、最大值區間和減速區間。最小值區間中對應的值是最小值，為電壓啟動值(觸發動作值)；最大值區間中對應的值是最大值，為輸出電壓的最大值；加速區間是從最小值加速到最大值的時間段(平滑上升)；減速區間為最大值降到最小值的時間段(平滑下降)。所以通過放大器也可以很好地抑制干擾，但同樣的，系統的抗干擾能力強了，其操控靈敏度必定會下降，所以將放大器調整到一個合適的范圍值極其重要。當把操作手柄輸入信號及舵角傳感器信號的抗干擾和主控制程序的抗干擾設計完成后，就必須進行放大器性能的合理調試[6]。

圖3 信號放大器工作原理

2.3 故障排除

針對2.2中所提出的3個故障原因，分別采取以下措施進行消除和改進。

1)采用質量優良的屏蔽雙絞線作為操作手柄與主控柜的信號傳輸線，并良好接地。采用屏蔽雙絞線可以很好地減少環境電磁場對主通訊線路的干擾影響。根據現場實際情況，做好線路敷設，盡量避免與強電線路的伴行。如果確實無法避免，應采用十字交叉法、橋接等方法抗干擾[7]。

2)采用光纖替代傳統線路傳輸。光纖的主要優點是：①傳輸距離長。依靠光纖作為傳輸介質傳輸光信號，由于光纖對光的衰減極小，抗干擾性強，無論在光纖周圍盤繞著多么復雜的強電，信號傳輸速率始終保持不變，這使得光信號可傳輸的距離更長；②適應能力強。光傳輸使用的光纖不怕外界強電磁場的干擾，耐腐蝕，抗擾性強；③體積小、重量輕、便于施工和維護。光纜的敷設方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設，又可以在水底和空中敷設。

上述1)、2)是針對干擾信號的來源進行了有效預防，對于實在無法從源頭上預防的干擾信號，則采取了改進的軟件過濾的辦法。

3)主控軟件抗干擾的改進設計。由于操作手柄和舵角傳感器傳輸的是4～20 mA標準信號，其中的干擾信號是一條振幅、頻率不穩定的鋸齒波，原主控程序只采用了振幅濾波一個物理量進行軟件抗干擾，振幅濾波原理示意圖如圖4所示。改進后則是在基于原程序的基礎上，又增加單位時間穩定性第二個物理量的判斷功能，振幅+單位時間濾波原理梯形示意圖如圖5所示[8]。2個物理量同時滿足后，才確定主控程序的信號有效。通過這樣的主控程序修改，既可以快速地判斷信號的有效性，同時也可以縮短判斷時間，增加操作信號的靈敏度。在PLC的RUDDER控制程序中，VW406起到振幅濾波的作用。新改進的程序中，在VW406單元后，串聯了T33單元的單位時間濾波，從而有效地消除了干擾信號的影響。

圖4 振幅濾波原理示意圖

圖5 振幅+單位時間濾波原理梯形示意圖

4)信號放大器數值的正確調整。經過上述3項改進后，已可以滿足99%的抗干擾要求。最后通過調整放大器的控制信號的斜率，即調整最小值和上升時間，讓干擾信號產生的瞬間信號在上升時間的過程中達不到電磁閥動作的臨界值，從而達到抗干擾的效果，干擾信號在上升時間中的位置如圖6所示，同時需滿足拖輪的操作使用要求。

圖6 干擾信號在上升時間中的位置

3 結束語

某拖船經過上述的硬件和軟件上的抗干擾改造，實際運行后，不再產生突然擺舵現象，目前拖船運行平穩、安全。通過這次實船的改造，進一步了解了干擾在設備中帶來的種種困擾及安全隱患，并對抗干擾的方法有了更加深入的、更加符合實際工況的了解，希望這些方法可以更好地服務于公司設備、船廠設備。