噴水推進(jìn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)研究

袁 木，陳天平，曹士杰

（711研究所，上海 201108）

0 引 言

近年來，隨著造船技術(shù)的快速發(fā)展，很多新型高速船舶安裝了噴水推進(jìn)裝置。作為一種特殊的推進(jìn)方式，噴水推進(jìn)有別于傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)方式，具有推進(jìn)效率高；抗空泡能力強(qiáng)；操縱性能優(yōu)異；工作平穩(wěn)、噪聲低；適應(yīng)變工況能力強(qiáng)、主機(jī)不易過載；適用于高性能船舶的性能和特點。

船舶的運(yùn)動推力是通過噴水泵噴水的反作用力來獲得的，并通過操作方向舵來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動，通過操作倒航斗來實現(xiàn)前進(jìn)和后退[1]。典型的噴水泵見圖1。

圖1 噴水泵

噴水推進(jìn)裝置通常由進(jìn)口流道、推進(jìn)泵、操舵倒航機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5部分組成。噴水推進(jìn)自動監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠地應(yīng)用，并對出現(xiàn)的故障能夠及時準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷[2]是實現(xiàn)控制功能的重要保障。

船舶故障自診斷技術(shù)可以分為兩大部分，一是設(shè)備故障和異常停機(jī)時，快速、準(zhǔn)確地找到故障點，分析故障原因，排除故障，恢復(fù)正常運(yùn)行。二是在船舶運(yùn)行中，對關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)和零件的參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)參數(shù)的變化趨勢，分析可能出現(xiàn)的問題，為采取防范措施提供依據(jù)。

結(jié)合故障自診斷技術(shù)和船舶自動化監(jiān)控系統(tǒng)的特點，設(shè)計出基于總線控制技術(shù)的噴水推進(jìn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對噴水推進(jìn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，實時反饋故障報警，并根據(jù)故障的類型和發(fā)生的頻率，提出設(shè)備的檢修和維護(hù)建議。同時還可以根據(jù)系統(tǒng)存在的安全隱患，提前發(fā)出故障預(yù)警，減少突發(fā)事故，降低后期的維護(hù)成本。

1 噴水推進(jìn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)以高速雙體船為設(shè)計對象，在船左右側(cè)體都配有獨立的噴水推進(jìn)裝置，其系統(tǒng)見圖2。

圖2 噴水推進(jìn)系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制對象是噴水推進(jìn)裝置內(nèi)的方向舵和倒航斗，方向舵控制船的左右轉(zhuǎn)向，倒航斗控制船的前進(jìn)和后退。其控制部件電磁閥位于泵艙內(nèi)，通過控制電磁閥的開關(guān)來通斷液壓裝置，驅(qū)動方向舵和倒航斗動作，達(dá)到控制整船運(yùn)動的目的。

控制系統(tǒng)的核心功能分為3大部分：主站、左從站和右從站，站與站之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余通訊。

主站裝配在駕駛室控制臺內(nèi)，用于采集和處理來自操縱單元和控制單元的信號，控制臺面上安裝有方向舵和倒航斗指示儀表、主機(jī)轉(zhuǎn)速指示表、報警指示、兩只手柄、一只手輪、控制選擇板、備用控制板、離合器控制板等。

左從站、右從站分別裝配在左舷泵艙和右舷泵艙內(nèi),通過比例放大板的電流輸出控制電磁閥，電磁閥打開液壓裝置驅(qū)動方向舵和倒航斗。方向舵和倒航斗的位置傳感器可以實時將舵和斗的位置反饋到從站內(nèi)。

故障自診斷數(shù)據(jù)檢測器通過主站和整個系統(tǒng)相連，通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)測，可以對發(fā)生的故障進(jìn)行實時報警，也可以對潛在的故障進(jìn)行預(yù)警。

2 故障自診斷技術(shù)的應(yīng)用

針對控制對象的特點，便于操作人員理解和應(yīng)用，將故障類型分為兩大部分，即系統(tǒng)報警和控制故障報警。

系統(tǒng)報警主要是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患，但不影響系統(tǒng)對船的控制，還可以進(jìn)行正常的船舶操縱，此時可以暫時不去處理，等船舶停止運(yùn)行或靠岸時再處理。

控制故障報警是指系統(tǒng)出現(xiàn)失控，已經(jīng)無法對控制對象進(jìn)行操縱，必須查明原因并及時排除故障的情況。

故障自診斷檢測器實時監(jiān)測的重要報警點，如方向舵、倒航斗位置，手柄、手輪位置，總線傳輸?shù)榷歼h(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂婆_上的報警板，當(dāng)檢測的報警點出現(xiàn)異常時，以指示燈發(fā)光，喇叭發(fā)聲的方式提醒駕駛員。故障自診斷檢測器將監(jiān)測到的故障以故障碼的形式存儲在計算機(jī)的存儲器中，維修查詢時，以一定的方式讀出故障代碼，進(jìn)行故障的后期處理。故障類型分類見圖3。

圖3 故障類型分類流程

2.1 總線網(wǎng)絡(luò)的自診斷

總線自診斷功能不僅可以對接收的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，也可以對自身的故障發(fā)出報警。

系統(tǒng)采用雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)，主要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有，主站、左從站、右從站、故障自診斷檢測器等。主站負(fù)責(zé)對駕駛室控制臺內(nèi)的手輪和手柄等控制信號進(jìn)行處理，從站負(fù)責(zé)對方向舵和倒航斗的控制電磁閥和反饋位置等進(jìn)行處理，故障自診斷檢測器主要負(fù)責(zé)故障信號的集中反饋和處理。主站將控制命令信號通過總線傳到對應(yīng)的從站，從站將反饋的位置信號通過總線傳到主站，總線構(gòu)建了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

當(dāng)雙 CAN總線中有一路發(fā)生數(shù)據(jù)通訊故障時，故障自診斷檢測器發(fā)出系統(tǒng)故障報警，另外一路正常工作的總線將承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，不影響對船舶的控制。當(dāng)雙總線同時無法通訊時，故障自診斷檢測器發(fā)出控制故障報警，此時主站和從站之間已經(jīng)無法進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通訊，控制命令無法通過總線傳到從站，船舶將失去控制[3]。

2.2 手柄和手輪的故障自診斷

手輪和手柄位于駕駛室的控制臺上，對方向舵的控制范圍為左滿舵到右滿舵，手輪和手柄通過內(nèi)部轉(zhuǎn)化電路，可輸出最大范圍為0～10V的控制電壓，主站內(nèi)的AD數(shù)據(jù)采集模塊到手柄和手輪的控制電壓后，通過CPU（中央處理器）模塊轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，再通過總線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇恼?，由從站?nèi)的驅(qū)動程序來完成控制命令。

將左滿舵對應(yīng)的電壓值設(shè)定為2.5V，右滿舵對應(yīng)的電壓設(shè)定為7.5V，當(dāng)主站采集到2.5～7.5V之間的電壓值時，認(rèn)定為正常采集值。超出2.5～7.5V范圍，但是還在0～10V內(nèi)的電壓值認(rèn)定為危險值，發(fā)出系統(tǒng)報警，當(dāng)數(shù)值在0～10V之外時，發(fā)出控制故障報警。

2.3 方向舵和倒航斗的反饋位置故障自診斷

當(dāng)監(jiān)測對象正常工作時，對應(yīng)的傳感器的輸入和輸出都有一定的工作范圍。當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時，信號的電壓范圍超出正常范圍或送入計算機(jī)不能識別的信號，且在一定時間內(nèi)無法消失，計算機(jī)就判斷傳感器相應(yīng)部位發(fā)生故障，將故障以代碼的形式存入存儲器中，同時發(fā)出聲光報警。

方向舵和倒航斗的位置是重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其反饋數(shù)據(jù)是4～20mA電流模擬量。方向舵和倒航斗的位置反饋傳感器位于泵艙內(nèi)，通過從站內(nèi)的AD數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，CAN通訊模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)配置見圖4。

圖4 方向舵和倒航斗系統(tǒng)配置

位置傳感器的輸出為4～20mA的電流值，數(shù)據(jù)從小到大，連續(xù)變化。在數(shù)據(jù)采集后，將6mA作為方向舵左滿舵的設(shè)定值，17mA作為方向舵右滿舵的設(shè)定值。6～17mA之間為正常范圍。當(dāng)數(shù)值在4～6mA和17～20.0mA之內(nèi)時發(fā)出系統(tǒng)報警。從站通過CAN通訊模塊將系統(tǒng)報警傳輸?shù)焦收献栽\斷檢測器。

2.4 同側(cè)泵防碰撞自診斷

雙體高速艇的同一側(cè)體安裝了 2臺噴水泵（內(nèi)側(cè)泵和外側(cè)泵），彼此的安裝位置比較接近，當(dāng)外側(cè)泵進(jìn)行打右舵，內(nèi)側(cè)泵進(jìn)行打左舵操作時，2臺泵會互相靠近，超過一定范圍會發(fā)生碰撞。為此設(shè)計了防碰撞自診斷功能。

根據(jù)同體的內(nèi)側(cè)泵同外側(cè)泵發(fā)生碰撞的實際位置，測量出一個發(fā)生碰撞的危險范圍，記錄發(fā)生碰撞的臨界值對應(yīng)的兩臺泵的舵角反饋值。從站以臨界值的大小為參考，實時監(jiān)測反饋值的大小，當(dāng)兩個舵角進(jìn)入該范圍內(nèi)時，及時發(fā)出報警信號，并鎖定兩臺泵的方向舵，當(dāng)恢復(fù)到正常范圍的時候，才可以重新控制，實現(xiàn)了自診斷系統(tǒng)的提前預(yù)警功能，避免碰撞事故發(fā)生。

2.5 控制故障自診斷

正常的控制流程是：控制器件（手輪或手柄）發(fā)出控制指令，信號通過總線傳到對應(yīng)的從站，從站通過輸出電流來控制噴水泵的液壓系統(tǒng)的電磁閥來驅(qū)動方向舵和倒航斗的移動。整個控制流程采用閉環(huán)負(fù)反饋模式，使設(shè)定值和反饋值的差值在規(guī)定時間內(nèi)，如果無法達(dá)到規(guī)定范圍，則發(fā)出控制故障報警，并對液壓電磁閥輸出降為零，鎖定出現(xiàn)控制故障的部位，防止出現(xiàn)誤操作[4]。其原理見圖5。

圖5 控制故障自診斷

在控制面板上設(shè)置“重新連接”按鈕，當(dāng)控制故障排除后，“重新連接”按鈕亮，這時按下按鈕，系統(tǒng)復(fù)位，重啟控制功能。

3 結(jié) 語

以雙體噴水推進(jìn)船為應(yīng)用案例，闡述了噴水推進(jìn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷的設(shè)計原理，通過不同類型故障的具體實施方法，最終設(shè)計并實現(xiàn)了一個可靠的故障自診斷系統(tǒng)。經(jīng)過實船的長期運(yùn)行，該系統(tǒng)可以及時檢查出軟件和硬件的故障，并反饋給操作人員，大大減少了維修，并縮短了維修時間，保障了船舶的安全運(yùn)行，具有極高的使用價值。

[1] 徐筱欣. 船舶動力系統(tǒng)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

[2] 黃忠秀，等 船舶現(xiàn)代控制理論[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 周德澤，等. 計算機(jī)智能檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[4] 王立祥. 噴水推進(jìn)及噴水推進(jìn)泵[J]. GM通用機(jī)械，2007, (10).