耙吸船主機負荷控制的分析

目前，大型船舶的推進裝置主要有柴油機推進裝置和電力推進裝置。主機遙控裝置使得柴油機可以在機旁、集控室和駕駛臺三個部位進行操作和控制。遙控系統(tǒng)的主要組成部分之一：轉速與負荷控制單元，一方面通過閉環(huán)控制使主機最終運行在車令手柄設定的轉速，另一方面在加減速過程中要對加減速速率以及主機所承受的機械負荷和熱負荷進行必要的限制，以確保主機運轉的安全[1]。該耙吸工程船是由荷蘭IHC設計制造的萬方級自航式耙吸挖泥船，動力系統(tǒng)采用可變螺距螺旋槳，主機通過減速齒輪箱驅動軸帶發(fā)電機、變距槳以及大功率泥泵。由于主機拖帶的設備較多，運行工況較復雜，因此其負荷必須得到良好的控制，才能保證可靠運行且避免安全隱患。一、負荷控制系統(tǒng)原理轉速-負荷控制回路是一個綜合控制回路。負荷限制主要包括:啟動油量設置、轉矩限制、增壓空氣壓力限制、螺旋槳特性限制、最大油量限制。12ZAV40S主機和變距槳的控制方式可分為:機側控制，集控室和駕駛臺遙控，而遙控方式又根據(jù)控制工況的不同而分為疏浚模式、定速模式和組合模式。當所有控制選擇遙控方式時，主機負荷控制可由推進控制系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)(PMS）和變距槳控制系統(tǒng)LIPSTRONIC7000，綜合各氣缸排氣溫度、曲拐箱油霧濃度、增壓空氣壓力、大功率設備啟動、惡劣海況等各類因素計算得到良好的控制。若遙控系統(tǒng)發(fā)生故障，則12ZAV40S主機的轉速-負荷控制可由其數(shù)字調(diào)速器723綜合主機外部給定轉速信號、實際轉速信號、增壓空氣壓力信號得到良好的控制。二、遙控系統(tǒng)分析1、遙控系統(tǒng)負荷控制邏輯分析綜合分析整個遙控系統(tǒng)，主機的負荷控制，主要表現(xiàn)為變距槳的自動降低螺距，以防止主機發(fā)生過載，具體原理如圖1所示。圖1遙控主機負荷控制原理圖圖1中，LIPSCONTROLSYSTEM為CPP控制系統(tǒng)，ENGINESPEEDCONTROL為伍德沃德723主機轉速控制系統(tǒng)，IMTECH為船舶推進PLC系統(tǒng)。1:推進PLC去LIPSslowdown信號，2:LIPS外置負荷限制電位器，3:主機掃氣壓力信號進LIPS及推進PLC,4:主機的遙控轉速設定值，5:PMS允許主機最大負荷。6:主機的實際速度信號，接入數(shù)字調(diào)速器723,7:主機掃氣壓力信號進數(shù)字調(diào)速器723。信號③代表LIPS根據(jù)信號1至5計算出主機最大允許負荷，信號②代表723根據(jù)4、6、7信號計算出的主機實際負荷。變距槳控制系統(tǒng)通過②③比較進而控制CPP的螺距[2]。當信號1激活時，powerreductionrequired指示燈將會點亮，主要故障原因來自主機排溫偏高或排溫偏差過高，曲拐箱油霧濃度大，廢氣透平溫度高等反應主機工況的參數(shù)。當信號5激活時，PMSloadreduced指示燈點亮，主要原因為啟動側推時主機富余功率不足或泥泵離合器合排時主機富余功率不足，PMS發(fā)出的降螺距指令。當邏輯計算結果②③相當時，pitchreduced指示燈將會點亮,表明當前螺距指令會使得主機過載。2、723對主機負荷的控制當遙控系統(tǒng)發(fā)生重大故障例如螺距指令信號丟失，螺距反饋信號丟失，螺距控制系統(tǒng)LCM主控模塊故障等，CPP的控制模式會由FU隨動模式進入NFU非隨動模式，此時遙控系統(tǒng)便失去對主機負荷的控制作用，主機的負荷控制轉由其數(shù)字速度控制器723來調(diào)節(jié)，723的電氣控制邏輯框圖如2所示。圖2723的電氣控制邏輯框圖據(jù)圖分析，左側為723控制器的輸入端，右側為723控制器的輸出端。當723的CPU故障時，通過右側的邏輯“與”指令10封鎖所有的輸出，正常的CPU可監(jiān)測所有輸入信號的狀態(tài)并通過10,13予以顯示或者輸出警報12。按照正常邏輯流程，遙控速度設定1與實際速度2比較的偏差5產(chǎn)生PID結果8;掃氣壓力3、扭矩限制等比較產(chǎn)生結果6。邏輯結果6與8比較擇其較小值，最后輸出PWM信號9控制執(zhí)行器來控制主機負荷;與此同時邏輯結果6與8在7處比較，當兩者相當時產(chǎn)生過載信號11。在正常掃氣壓力情況下，PID結果8遠小于掃氣壓力限制值6，不會產(chǎn)生過載報警，若PID結果不斷增加，則原因較多。若掃氣壓力一直變化不大，則主機負荷勢必受到掃氣壓力限制，無法正常增加[3]。3、遙控系統(tǒng)產(chǎn)生減螺距的分析依據(jù)圖1分析，遙控系統(tǒng)產(chǎn)生減螺距信號來自:主推進控制PLC系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)PMS和可變螺距槳控制系統(tǒng)LIPS。產(chǎn)生的依據(jù)為主機工況不允許當前負荷運行或主機富余功率不足。主機工況是可以根據(jù)主機運行時油、氣、水等參數(shù)來綜合判斷,負荷控制可以人為參與控制，以避免邏輯系統(tǒng)減負荷。主機富余功率的邏輯判斷則綜合各大系統(tǒng)的諸多信號進行邏輯分析比較，在主機運行過程中可能會由于某種信號異常的出現(xiàn)導致遙控系統(tǒng)減螺距信號動作。在減螺距動作的情況下，主要表現(xiàn)為:1）在正常加車時主機推進控制柜pitchreduced指示燈亮時;2）泥泵合排時或者啟動橫向推進器時，監(jiān)控軟件判斷主機功率不足，PMSloadreduced指示燈點亮。針對此種狀況，首先需要根據(jù)主機實際負荷來判斷是否為正常的減螺距指令，正常的減螺距指令一般為PMSloadreduced，以此提醒操作人員需要觀察主機功率再進行相關疏浚設備操作。若為非正常的狀態(tài)指示，則需要管理人員進行相關邏輯判斷。一般情況下針對pitchreduced,需著重檢查圖1中紅色標記的7個信號，由此來判斷是某個遙控系統(tǒng)故障還是某個信號異常引起。下面以該輪發(fā)生過的一則pitchreduced實例，進行簡單的分析。故障現(xiàn)象為:在正常加車時主機推進控制柜pitchreduced指示燈亮;泥泵合排后，主機轉速無法正常上升，主機過載燈亮。針對此檢查圖1所示信號，結論為在一定范圍內(nèi)信號變化時，信號②和信號③都能跟隨變化。但隨著CPP槳角增加到某個刻度如60%左右,信號②和信號③相當，pitchreduced指示燈點亮，CPP槳角在60%左右便無法繼續(xù)增加。為便于分段排查故障，可在圖1紅色方框標記的信號②和信號③比較處將②信號斷開，或者CPP控制選擇NFU，再次嘗試加槳角。此時發(fā)現(xiàn)實際槳角可以增加到65%，但是主機過載指示燈點亮，監(jiān)控軟件內(nèi)主機功率顯示異常高，實際主機油門齒條40%，現(xiàn)場油門齒條刻度3.5格。迷續(xù)增加槳角至75%，實際也到75%，主機過載常亮，主機開始降速。至此將問題歸在723這里，檢查各個傳感器檢測回路均正常，測量723各個部件電源及線路均正常，進而嘗試更換723，通過編碼器將參數(shù)調(diào)至相同，動車試驗結果相同。至此，則可排除為遙控系統(tǒng)或者723故障導致。需要將思路重新調(diào)整到各控制器采集的信號是否正常，如掃氣壓力信號，主機轉速信號，油門齒條刻度信號等。因此，在雙主機運行時，通過723調(diào)速器數(shù)字編碼器復視的雙主機各項信號數(shù)據(jù)進行對比下一步判斷，如表1所示。指令大于65%后，左主機槳角不再增加，PitchReduced指示燈亮，主機負載不變。如表1、2所示：通過手持編碼器觀察左、右車槳角由45%到80%加車時獲取的數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)左車掃氣壓力異常，調(diào)速器輸出至執(zhí)行器信號異常，且當控制器LSS信號與去執(zhí)行器信號相同時，主機便減槳角，負荷維持在此不變。若拆掉信號②，當執(zhí)行器輸出與LSS相同時，主機過載指示亮，繼續(xù)增加負載，主機便出現(xiàn)降轉速。針對掃氣壓力異常，分析可能有3方面，1）掃氣檢測回路異常；2）調(diào)速器的執(zhí)行器異常；3）掃氣旁通異常。針對三方面我們采取以下措施:1)）對掃氣傳壓管路和閥塊疏通，傳感器O令換新，傳壓管路上銹蝕的氣液分離器更換，保證信號檢測能夠正常被檢測到，傳感器及信號線路單獨測試是否正常。2）停車對調(diào)速器執(zhí)行器進行更換滑油保養(yǎng)，油門桿活絡，各連接處注油，油門齒條遙控指示與實際刻度校對。3)掃氣旁通蝶閥控制空氣管路檢查，電磁閥單加電源試驗蝶閥開關功能及指示狀態(tài)是否正常。一切確認正常后,啟動主機,進行負荷試驗，重新測量上述各運行參數(shù)恢復正常，主機負荷控制恢復正常。三、結語主機的負荷計算是一個復雜的信號綜合采集分析結果