1、2023 年 1 月航海技术第 1 期Alphatronic 2000 PSC 型船舶推进系统实际功率故障实例郑州贾明军(交通运输部北海救助局)主机的功率计算是船舶推进控制系统协同工作的关键，其计算形式复杂多样，本文从主机转速信号问题来阐述其与实际功率故障的关系，并通过实际案例介绍由速度信号引起的功率故障的分析过程及问题排查的方法，供同人参考。1设备简介和操作方法某救助船舶配备2 台 MAN BW 四冲程柴油主机，其型号为 7L32/40，该柴油机为中速柴油机，额定功率为 3 360 kW，与之相匹配的推进系统为可变螺距推进系统、GMCK750 齿轮箱和轴带发电机 PTO系统。其控制系统采用
2、Alphatronic 2000 PCS，主要由驾驶台前控制屏、驾驶台后控制屏、集中控制室控制屏、组合控制单元组成。组合控制单元包括主机控制箱、主机安全箱与推进系统控制箱。驾驶台和集中控制室控制屏主要完成控制发送、操作模式的选择、控制参数的设定、运行参数的显示和报警等功能。组合控制单元是整个控制系统的核心部分，根据操作模式和设定的参数信号给出最佳的控制信号，将其分别输出到螺距伺服控制器、齿轮箱系统和主机调速系统，实现螺距和柴油机转速的控制。该系统有 3 种操控模式:独立控制模式、恒转速操控模式和组合操控模式。独立控制模式可以实现柴油机转速和螺距分别独立控制，该模式下的转速设定值较低，常用于合排
3、和分排操作;恒转速操控模式下柴油机的转速设定值是不变的，即柴油机在某一转速下稳定运行，此时控制台(驾驶台或者集中控制室)的操纵手柄仅仅控制螺旋桨的螺距，该转速能在合排后用于轴带发电机正常运行，该转速值可以通过操控面板的参数设定按钮进行设定，并且在与柴油发电机并网过程中，转速可发生变化;在组合操控模式下，控制台上的操纵手柄既控制柴油机的转速，又控制螺旋桨的螺距，可以提高船舶机动性能。由于该船舶配备了轴带发电机，因此日常采用恒转速操控模式，具体备车操作流程见图 1，额定转速设定为 750 r/min。为安全起见，该船舶一般在机旁完成冲车和启动，待主机启动转速达到发火转速100 r/min 时，把驾
4、控权转给集控室，此时进入独立控制模式，转速为 450 r/min;在集控室完成合排操作，等齿轮箱离合器完全啮合后，在推进系统操控面板按下“CONSTANT”键，主机开始升速，并达到恒转速操控模式的设定值 750 r/min;接着合上轴带发电机主开关，必要情况也可以合上侧推主开关;最后把驾控权转给驾驶台，完成备车操作。图 1备车操作流程2故障现象某救助船舶在备车过程中发现推进系统在独立控制模式下操作齿轮箱离合器合排指令以后，切换成恒转速操控模式失败，并在推进面板报“METACHO 1 EAO ALM(主机转速 1 错误报警)”和“ME ACTUAL POWE FAIL(主机实际功率故障)”(见图
5、 2)。推进面板无实际功率比例显示，集控台的主机转速表指示正常，主机控制箱也无故障报警。图 2推进系统操控面板报警3故障分析根据发动机的公式可知，柴油机的输出功率为P=NM/9 550式中:N 为主机的转速，r/min;M 为主机的输出扭矩，kN m。在合排以后，由于螺旋桨的螺距为 0，油门齿条的位置稳定，主机输出的主轴扭矩也相对稳定，可看作主机的输出扭矩 M 不变，则主机的输出的实际功率与转速呈正相关关系。假设主机速度监测系统出问题，必然会导致主机的实际功率无法精确计算，出现“ME ACTUAL POWE FAIL”警报。根据上述假设和传感器信号的传递过程绘制如下流程图(见图 3)。图 3传
6、感器信号传递流程图3 11SE1000 传感器故障该转速传感器为磁性脉冲型传感器，通过扫描齿轮轮廓来获取实际主机转速，每个经过传感器的轮齿都会产生磁力，随后在轮齿间隙中衰减，因此磁力信号频率与主机转速成正比。传感器固定在飞轮的支架上(见图 4)，主机运行过程中产生的振动、高温都会直接影响传感器测量的磁力精度和传感器的使用寿命。假设传感器本身发生故障或受振动影响，导致传感器探头和飞轮齿轮的间隙过大，无法有效地测量，则会出现传感器错误报警。图 4主机飞轮处的转速传感器3 21SE1000 传感器线路故障该船舶是 2005 年正式出厂投入使用的，距今已有十余年，机舱常年的恶劣条件导致传感器的线路老化
7、或线路接头虚接，直接影响传感器信号的传输。该传感器线路直接布置在机体的接线箱上，加剧线路故障发生的可能。3 3主机控制箱系统故障或推进系统控制箱故障根据主机的电气说明书可知，主机的转速信号先通过 1SE1000 传感器，再由主机控制箱进行转换和分配，然后传输到推进系统，经过推进系统计算，最终通过 S485 总线传给推进系统的操作面板进行显示2(见图 5)。主机控制箱内部和转速信号相关的模块主要有光耦隔离模块、频率信号变送器、隔离栅和主机速度监测模块。光耦隔离模块是为了把主机机体线路与控制箱内部线路进行电气隔离，以光信号的方式传递传感器的频率脉冲信号，起到保护主机控制箱的作用;频率信号变送器是把
8、频率脉冲信号转化为 4 20 mA 的通用电流信号，便于其他模块识别读取;隔离栅把主机控制箱与其他外围设备进行电气隔离，在电气隔离中又能传递 0 20mA 的电流信号;主机速度监测模块通过读取隔离栅的转速信号，再传给主机控制箱的 PLC 作为速度冗余控制。推进系统控制箱内部和转速信号相关的模块有模拟量输入模块和中央处理单元。模拟量输入模块先读取主机控制箱传过来的转速信号，再通过内部总线传给中央处理单元，最后中央处理单元把计算处理过的信息通过 S485 传给集控室和驾驶台的推进系统操控面板。由于 2 个控制箱的器件主要为集成电路模块，模块内电子元器件的参考使用寿命为 1 万 h，目前控制箱内部模
9、块从出厂到现在一直处于通电状态，其运行时间已远超 1 万 h，这就意味着无法保障电子元器件正常工作，可能导致转速信号的转换传输过程中出现错误或中断。图 5转速信号传递逻辑3 4推进系统操控面板故障推进系统操控面板为人机交互终端，既可显示推进系统相关的各种参数和报警，又可以通过人工输入相关指令促使推进系统协同工作。如果推进操控面板出现故障或误报警，也可能会影响人工的指令操作。以往也出现过类似情况，推进系统操控面板故障出现误报警，导致主机停车。24航海技术第 1 期4故障排查和解决4 1排除传感器和线路故障根据主机的说明书可知，主机的飞轮支架上有4 个型号相同的转速传感器，编号分别为 1SE100
10、0、2SE1000、3SE1000、4SE1000。1SE1000 传感器主要指示各仪表的转速和为推进系统提供转速信号;2SE1000 传感器负责超速保护;3SE1000、4SE1000这 2 个传感器负责为调速系统提供速度反馈。由故障现象可知，在推进系统出现问题故障报警时，各仪表参数都正常。可间接排除 1SE1000 传感器故障的可能，同时也可以排除从机体到主机控制箱这一段线路故障。4 2排除推进系统操控面板故障推进系统操控面板和推进系统控制箱主要通过2 根 S485 总线实现通信，内部为复杂的集成电路，无法直接地判断面板是否故障。因此最高效的处理办法就是更换推进系统操控面板。通过更换新的推
11、进系统操控面板，重新备车合排，依然出现上述的故障报警和故障现象，从而排除推进系统操控面板故障。4 3故障定位及解决利用最简单的方法，把上述几种导致故障出现的可能性排除后，故障主要定位在集控室的 2 个控制箱(主机控制箱和推进系统控制箱)内部。依据图纸可知，1SE1000 转速传感器直接接到主机控制箱的 U101 的光耦隔离模块上，经过光耦隔离模块把脉冲信号传给 A108 信号转换器上，信号转换器把脉冲的频率信号转换成通信用的 4 20 mA 电流信号，转换出来的电流信号分别供给 3 路装置:第 1路通过隔离栅(U102)被传给仪表终端;第 2 路信号通过隔离栅(U145)被传给推进系统控制箱;
12、第 3 路信号被传给主机控制箱的 A100 控制模块。控制箱内部有 3 个隔离栅，它们直接相互串联，其中一个隔离栅(U103)作为备用。接下来对隔离栅进行故障诊断，根据基本的欧姆定律，隔离栅在串联电路中作为负载，只要有电流流过，两端必然有电压，并且 3个隔离栅信号一样，那么在相同转速(电流信号值)下，三者的负载电压相同。在主机低速合排运行时，通过测量 3 个隔离栅的输入电压发现:供给推进系统控制箱电流信号的隔离栅输入端偏压较其他两个隔离栅的输入端电压严重偏低，仅为 1 3 mV 左右，其他两者的电压为 106 mV 左右。由此可以判定可能是该隔离栅发生故障，为了更进一步定位故障，对3 个隔离栅
13、的输出信号进行测量发现:供给推进系统控制箱电流信号的隔离栅输出端电压几乎为 0。于是把备用隔离栅和故障的隔离栅进行对调，再次备车合排，推进系统操控面板无任何报警，实际负荷功率比例也出现了，并且可以正常升速转驾。经过后续几个月使用，也未出现任何异常。5总结不仅由于船舶老龄化严重，船舶控制箱内部的电子元器件出现故障的可能性增加，而且在日常维护过程中无法直观判断将要出现故障的模块。因此对年龄较老的船舶需要为重要设备准备好充足的备用模块，以备不时之需;在经济条件良好的单位，可对关键设备的老旧模块进行整体换新，这样可以避免船舶航行过程中出现问题，保障船舶安全运营。在故障排除的方法上，首先综合分析故障问题的相关信息，例如在排除传感器本身的问题，并不需要对传感器进行更换，只要根据实际故障的现象 集控台的转速仪表显示正常，就可间接排除传感器本身故障，但是前提要熟悉说明书的电气原理图，明确转速仪表的信号来自同一个传感器。其次，在定位故障时，要初步了解各模块的故障诊断方法，对于同功能的模块可采用对比方法，例如在判断隔离栅故障时，要利用其他 2 个模块测量数据进行对比，这样可以快速准确地定位故障点。作者简介:郑州，电子电气员，(E-mail)18850556124 qq com34第 1 期郑州，等:Alphatronic 2000 PSC 型船舶推进系统实际功率故障实例
