噴水推進(jìn)自動(dòng)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(diǎn)。

船舶的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，通過操作倒航斗來實(shí)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(dòng)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(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷[2]是實(shí)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(shí)，快速、準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于總線控制技術(shù)的噴水推進(jìn)自動(dòng)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(shí)時(shí)反饋故障報(bào)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(shí)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)以高速雙體船為設(shè)計(jì)對象，在船左右側(cè)體都配有獨(dú)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(dòng)方向舵和倒航斗動(dòng)作，達(dá)到控制整船運(yùn)動(dòng)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(bào)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(dòng)方向舵和倒航斗。方向舵和倒航斗的位置傳感器可以實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)時(shí)報(bào)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(diǎn)，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(bào)警和控制故障報(bào)警。

系統(tǒng)報(bào)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(shí)可以暫時(shí)不去處理，等船舶停止運(yùn)行或靠岸時(shí)再處理。

控制故障報(bào)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(shí)排除故障的情況。

故障自診斷檢測器實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要報(bào)警點(diǎn)，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(bào)警板，當(dāng)檢測的報(bào)警點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，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(jì)算機(jī)的存儲器中，維修查詢時(shí)，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(shí)時(shí)監(jiān)測，也可以對自身的故障發(fā)出報(bào)警。

系統(tǒng)采用雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)，主要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)，故障自診斷檢測器發(fā)出系統(tǒng)故障報(bào)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(shí)無法通訊時(shí)，故障自診斷檢測器發(fā)出控制故障報(bào)警，此時(shí)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)綇恼荆蓮恼緝?nèi)的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(xiǎn)值，發(fā)出系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)數(shù)值在0～10V之外時(shí)，發(fā)出控制故障報(bào)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(shí)，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(shí)，信號的電壓范圍超出正常范圍或送入計(jì)算機(jī)不能識別的信號，且在一定時(shí)間內(nèi)無法消失，計(jì)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(shí)發(fā)出聲光報(bào)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(shí)發(fā)出系統(tǒng)報(bào)警。從站通過CAN通訊模塊將系統(tǒng)報(bào)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(shí)，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(jì)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(shí)際位置，測量出一個(gè)發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測反饋值的大小，當(dāng)兩個(gè)舵角進(jìn)入該范圍內(nèi)時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)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(shí)候，才可以重新控制，實(shí)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(dòng)方向舵和倒航斗的移動(dòng)。整個(gè)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(shí)間內(nèi)，如果無法達(dá)到規(guī)定范圍，則發(fā)出控制故障報(bào)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(shí)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)故障自診斷的設(shè)計(jì)原理，通過不同類型故障的具體實(shí)施方法，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可靠的故障自診斷系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)船的長期運(yùn)行，該系統(tǒng)可以及時(shí)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(shí)間，保障了船舶的安全運(yùn)行，具有極高的使用價(jià)值。

[1] 徐筱欣. 船舶動(dòng)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(jì)算機(jī)智能檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

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