計算機控制故障監測系統在船舶柴油機中的應用

黃麟 林葉春 李大亮

（1. 上海海事大學商船學院，上海201306；2. 中國船級社秦皇島分社，河北秦皇島066002）

0 引言

在現代船舶系統中，傳統柴油機的運行狀態一般由機艙巡回監測報警系統進行監測，但系統不能對柴油機的技術狀態進行綜合評估，更不能對故障進行預測和診斷。新型船舶系統對柴油機技術狀態進行綜合診斷和趨勢分析；不僅可以為設備的安全運營和管理提供技術手段，還對改善維修決策和維護保養具有重要指導意義。COCOS-EDS系統（以下簡稱EDS系統）利用報警監測系統送來的數據，利用軟件技術對柴油機的狀態參數進行分析，實現對柴油機技術狀態綜合診斷和趨勢分析。

COCOS系統有兩個主要應用程序，一個是柴油機故障診斷系統，用于監測并存儲柴油機運行期間的參數并根據各個時期的數據做出預見性的故障診斷；另一個是維修保養體系，它主要包括維修保養計劃和預警，備件預定和庫存，工作執行，跟蹤與報告和備件及維修說明，當EDS發出可能有故障的信號后，維護保養系統立即會列出一份維修計劃表；備件預訂和庫存系統會自動檢測是否有可利用的備件以及是否需要預訂備件；備件明細表會以圖表或文本的形式向輪機員顯示當前備件的數量和規格型號等技術參數。這兩個系統可以分開使用，也可以聯機一起使用。

EDS系統適用于單引擎或者成組柴油機的監測，連續監測柴油機的運行狀態，減少因為柴油機故障引起的不必要的經濟損失，該系統有利于對柴油機進行早期干預和預防性維護，以減少柴油機突發故障的風險。EDS系統主要包括四個主要功能：數據記錄，監測，診斷，和趨勢分析。

1 系統結構組成及特點

1.1 硬件系統

如圖1所示， EDS系統通過RS232與報警監測系統連接，源源不斷的接收各傳感器監測、收集的數據；同時又通過RS422與離線的爆壓測量系統連接，該系統可通過手動測量各缸的爆壓并通過鍵盤輸入到報警系統，經過轉換后，再通過RS232傳輸到EDS系統。EDS的監控，診斷與趨勢分析的結果通過人機界面顯示，該結果還可以通過以太網連接到位于駕駛室，輪機長室和航行辦公室的 PC機上。系統主要的硬件設備為工控計算機，最少配置為： 10G硬盤空間，連接在線數據采集系統/網絡適配器的通訊端口；報警監測系統為第三方產品，包括各主要傳感器的警報裝置；爆壓測量系統是一個專用的檢測系統，利用壓電傳感器實時檢測各個氣缸的爆壓，再經過濾波處理、AD轉換，通過計算機處理后通過通信發送給EDS系統，實現在線分析和處理。

圖1 COCOS-EDS監測與診斷系統連接的硬件系統

1.2 軟件系統

EDS系統可以分為在線和離線兩種數據收集工作方式。

報警監測系統及其聯接的實時傳送數據的傳感器系統是在線工作的，如圖1所示的實線連接；系統的數據記錄設備能從柴油機上的各種傳感器上取得在線數據，然后與以前儲存的數據進行對比分析，來執行監測，診斷和趨勢分析功能。

爆壓測量系統可以在線，也可選擇離線工作，如圖1所示的用虛線連接部分；離線時，可通過手動測量參數并通過鍵盤等輸入到系統中，作為參考值向系統提供，而不是實時工作值。另外，下面幾種情況也被認定為離線工作：

（1）在線系統只安裝了“報警監視系統”，用戶需要通過半自動或者手動使用便攜式測量設備測量補充相關的數據輸入到 EDS系統。這類設備是獨立于EDS系統的，有溫度計，壓力表或更復雜的電子儀器等。

（2）柴油機處于停機狀態時，EDS被認為是“離線”的或是作為一個獨立使用的辦公系統，如航行辦公室中使用的EDS系統。

（3）當選擇“離線”工作來存儲或進入或手動編輯數據或查看歸檔數據時，如趨勢數據等，EDS也被認定為離線系統。

2 主要功能分析

圖2所示的是EDS內部的數據處理流程。數據記錄是EDS功能流程的第一步，它自動地從報警和測量傳感器系統收集數據，轉換并儲存在數據庫中，作為下一步執行診斷，趨勢分析的基礎。

圖2 COCOS-EDS數據處理流程(虛線為離線工作流程)

數據采集后經過過濾，與穩態工作值一起儲存在測量和穩態工作值數據庫中，這些數據經過計算轉換為在線工作值。在線工作值一方面可以通過評估和診斷分析直接生成診斷報告，另一方面還可以儲存為短期趨勢值，并生成短期趨勢報告；同時提取數據轉換為長期趨勢值，并生成長期趨勢報告。

測量和穩態工作值也可以通過鍵盤輸入添加重要的設定值，并轉換為在線設定值，這些數值可以傳輸到工作值計算環節，也可以跳過這一環節直接儲存為短期趨勢值，同時還可以直接經過評估和診斷分析生成診斷報告。

原則上，數據庫應盡可能多的收集柴油機開始的相關數據，并對最后的數據進行徹底處理。數據處理流程也反映了 EDS 設計的三個主要目的，即：監測，診斷和故障趨勢判斷。

2.1 系統監測

EDS通過對柴油機各缸工作狀態和重要熱工參數等的監視、記錄來分析柴油機各主要參數的工作狀態和熱工參數的歷史曲線及其發展趨勢。

EDS自動轉換輸入的在線數據 ，把采集到的參數值分配到相應的測量單位，使他們能夠反映柴油機實際的運行狀態和功能；工作數據經過轉換與設定值進行比較，數據記錄顯示有線性記錄，條形圖，特征圖表，性能曲線等，方便管理人員更直觀的了解柴油機的運行狀況；在柴油機出現異常狀態的早期階段，任何重大的偏差，可以很容易地被操作人員監測到，使他們能夠采取必要的措施減少損失。

下列設備的運行狀態均可以被系統監測：

渦輪增壓器及其濾器系統；

空氣冷卻器：含空氣側和水側；

燃油濾器；

滑油/冷卻油/水溫度/壓力的高低；

缸套溫度的高低；

氣缸排氣溫度的高低；

氣缸爆壓；

廢氣鍋爐的狀態等。

故障監測的范圍包括從過濾器堵塞到一個重大故障前的各種跡象，系統通過監測并記錄這些參數提供給EDS用來進一步的評估分析。

2.2 診斷

系統通過記錄的柴油機各主要參數和重要的熱工參數，包括其歷史記錄，進行相關的評估和診斷分析，根據參數變化的趨勢和故障趨勢進行故障診斷并發送警報，做出預警。

診斷是基于柴油機的工作狀態，以工作參數作為評估參考的。主要作用是解釋有什么樣的故障，什么樣的癥狀；尋找可能導致柴油機故障的原因或查找實際故障原因的過程，并建議可以采取何種措施來恢復正常運作。在診斷的過程中，EDS在線系統在設定的周期內如5分鐘，自動評估柴油機的參數和運行狀態。評估檢查實際工作值與它的設定值是否在一個規定的限額值內。當評估顯示，柴油機的運行狀態與正常的工作參數和狀態有較大的偏差時，EDS 會自動咨詢其診斷數據庫，生成診斷報告來描述引發這些癥狀的可能原因，并提供切實可用的糾正建議和措施。有時 EDS會根據目前初步診斷的結果，要求船員提供更多的詳細信息然后生成一個最終的診斷。

下圖為柴油機典型癥狀的診斷分析。

圖3 柴油機相關癥狀的評估與診斷分析

根據排氣溫度①和②來診斷分析：如果單缸排氣溫度①出現增加，說明⑴，燃油閥需要檢修；⑵，排氣閥漏氣或者活塞環磨損導致的壓縮壓力的降低。如果所有缸的排氣溫度②增加，則說明⑴，空氣系統臟堵（濾器，鼓風機，冷卻器，）；⑵，排氣系統臟堵（透平輪，廢棄鍋爐等）。

根據壓降③和⑤來診斷分析：如果通過空氣濾器的壓降ΔP③增加，則表明濾器臟堵；當ΔP增加超過出廠值50%時，系統會提示需要清潔濾器；如果出現通過空氣器的壓降ΔP⑤增加，則表明空氣側臟堵，當ΔP增加超過出廠值50%時，系統會提示需要清潔濾器。

根據進口空氣溫度④來診斷分析：如果出現進口腔室空氣溫度④的增加，系統將會判斷柴油機的排氣溫度的增加。

根據溫差增加⑥和⑦來診斷分析：如果進出口冷卻水溫差⑥增大，系統提示需要減小冷卻水的流量；如果冷卻后的空氣和冷卻水的進口之間的溫差⑦增大，系統顯示其原因是空冷器臟堵。

根據掃氣空氣壓力⑧和溫度⑨來診斷分析：如果出現掃氣壓力⑧下降，系統判斷可能是由于空氣系統的臟堵導致；而如果溫度⑨增加，系統的分析結果是該原因會導致排氣溫度的增加。

根據壓力⑩和⑾來診斷分析：如果燃燒室壓力⑩下降，系統判斷可能是由于活塞環磨損，活塞頭燒蝕，排氣閥泄露，燃油閥磨損等原因導致；平均壓力指示⑾是用示功器可以測得最大爆壓。

在柴油機出現故障征兆的早期階段，EDS診斷生成明確的診斷報告，并建議采取適當的措施來糾正。了解這些信息后，輪機員可以立即決定采用相應對策來恢復正常運作，以及在不影響船舶班期的前提下制定相關的維修計劃。

2.3 趨勢分析

系統通過對各缸燃燒情況，增壓器工作情況，各主要部件的磨損情況和工作性能狀態情況進行綜合評估，做出趨勢分析，提出維修和保養建議。

趨勢分析通過在線故障分析和歷史數據的趨勢查詢來確定柴油機的運行狀態，揭示設備技術狀態變化的規律，從而尋找故障征兆，并給出預見性的判斷報告。因此可以防止癥狀的進一步發展，減少事故發生的概率；為維修決策和制定保養計劃提供技術依據。EDS提供三種類型的趨勢分析：“短期趨勢”，“長期趨勢”和“測量”。

“短期趨勢”提供了柴油機和其他設備一個短期的運行狀態的圖表。EDS在線系統按照設定的周期自動收集儲存的過濾工作值和其相應的設定值，收集和存儲最近的趨勢數據庫，根據評估診斷的結果提供短期趨勢分析報告。

“長期趨勢”提供給柴油機及其附屬部件一個為期達兩年工作狀態的圖形描述，對于處于負荷穩定期的柴油機，EDS自動從短期趨勢覆蓋各個時期內收集相關的參數值。每個短期趨勢的副本根據操作時間存儲在長期趨勢的數據庫中。然后系統綜合分析、評估不同時期的數據變化規律，給出一個描述柴油機長期工作狀態的報告。

“測量”是指允許使用離線設備測量數據，手動輸入并存儲在“手動測量”數據庫。它可以分別用于短期或者長期趨勢的分析，配合系統完成對柴油機工作狀態的趨勢分析；同時系統還為它提供了編輯和修改的功能。

此外，系統還可以通過對柴油機技術參數和歷史數據的綜合管理，對柴油機維修質量進行評測。同時系統可以為機務管理系統提供數據接口，為機務部門維護管理體系提供柴油機的即時技術狀態和歷史數據。

3 應用管理要點

EDS系統通過對數據進行收集，評估，診斷，并將診斷結論、處理措施等通過人機界面、打印機等設備輸出給用戶；同時還可以對一些參數進行增加、刪除、修改等操作。EDS根據對數據的分析對柴油機故障進行診斷，其診斷過程為：獲取故障基本信息與征兆→推斷故障原因→得到故障結論→提出故障處理方案；其具有故障監測、故障診斷、故障趨勢分析和培訓評估等功能。 故障監測通過在線傳感監測數據和部分離線設備輸入的數據來監測柴油機的運行狀態。故障診斷即針對柴油機故障狀況，檢索數據庫，通過分析、對比，最終判斷故障的原因，最后提出維修步驟或應急處理措施。故障趨勢分析用以解釋根據故障征兆推斷出故障結論的過程，方便輪機管理人員了解、掌握故障生成機理以及未來可能出現的趨勢，幫助輪機管理人員做出正確的分析和判斷。此外，本系統還可以用于船員培訓，它可以通過匹配船舶柴油機各構件圖與相關的工作系統，使學員能學習、了解柴油機的結構和工作原理；同時，學員可以通過設置假設故障，迅速獲取經驗知識，學習掌握處理各種故障的能力。

4 結束語

本文研究的 EDS船舶柴油機故障診斷系統是基于警報監視和傳感器系統，通過串行通信收集柴油機主要參數和重要的熱工參數信息，總結柴油機故障診斷的經驗設計而成的。該系統對船舶柴油機的故障診斷及故障處理具有重要指導作用，并已在實船中已得到應用。本文通過分析和研究EDS，掌握并靈活應用在上海海事大學自動化機艙的ME電噴柴油機上，通過對船舶柴油機故障診斷系統的應用，總結了一套合適管理方法，對快速、準確排除船舶柴油機故障，保障設備安全運行具有非常積極的作用。

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