基于在線監(jiān)測的某船用鍋爐控制系統(tǒng)故障診斷

張曉東，薛紅軍，黃國安

●（1．海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2．海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031；3．上海磊華船舶工程有限公司，上海 200035）

基于在線監(jiān)測的某船用鍋爐控制系統(tǒng)故障診斷

張曉東1，薛紅軍2，黃國安3

●（1．海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2．海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031；3．上海磊華船舶工程有限公司，上海 200035）

針對某船用鍋爐控制系統(tǒng)運(yùn)行中間的非正常熄火及工作壓力劇烈波動(dòng)的故障，通過控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測和模擬信號試驗(yàn)，得出故障是由控制系統(tǒng)軟件與硬件參數(shù)設(shè)置的不匹配造成的。這為今后該控制系統(tǒng)軟件與硬件參數(shù)的匹配調(diào)整和鍋爐的優(yōu)化燃燒提供了途徑。

船用鍋爐；控制系統(tǒng)；故障診斷；在線監(jiān)測

0 引言

某船用鍋爐控制系統(tǒng)由蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路、空氣流量調(diào)節(jié)回路、鍋爐水位調(diào)節(jié)回路、燃油溫度調(diào)節(jié)回路、燃油壓力調(diào)節(jié)回路和燃油壓差調(diào)節(jié)回路等六個(gè)回路組成，全部調(diào)節(jié)回路由兩臺VME總線結(jié)構(gòu)互為熱備份的控制計(jì)算機(jī)及各個(gè)調(diào)節(jié)回路的傳感器、“奧瑪”電動(dòng)控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。該系統(tǒng)在裝船運(yùn)行初期就出現(xiàn)某些工況下鍋爐不明原因的熄火和工作參數(shù)不穩(wěn)定現(xiàn)象。數(shù)年后，該故障現(xiàn)象益加頻發(fā)，高參數(shù)工況下多次出現(xiàn)鍋爐壓力大幅波動(dòng)導(dǎo)致安全閥起跳的現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常工作。

為解決這一問題，需要從鍋爐控制系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行故障原因排查。由于系統(tǒng)本身不具備自我診斷能力，鍋爐運(yùn)行期間故障突發(fā)狀態(tài)下難以獲取故障信息，于是使用對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測和記錄的方法，通過一套自制監(jiān)測、記錄裝置，對控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測記錄，同時(shí)在系泊狀態(tài)下利用該裝置對控制系統(tǒng)施加正常的模擬信號，觀察系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。將在線監(jiān)測和模擬測試相結(jié)合，在航行狀態(tài)下對鍋爐的部分運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)踐證明，該方法有助于捕捉瞬時(shí)變化的故障信息，對于排查該船鍋爐控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定故障行之有效。

1 運(yùn)行期間控制系統(tǒng)在線監(jiān)測的實(shí)施方法

通過對控制系統(tǒng)的深入分析發(fā)現(xiàn)，影響鍋爐工作穩(wěn)定性的主要控制環(huán)節(jié)在于鍋爐的燃燒控制回路（蒸汽壓力控制回路及燃油控制回路）和增壓風(fēng)機(jī)的空氣流量控制回路，其中牽涉到的工作機(jī)械和控制部件比較多，查找故障則需要對各個(gè)工作機(jī)械運(yùn)行過程中的控制信號、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作、傳感器反饋信號等進(jìn)行全面的在線監(jiān)測和記錄分析，以便能夠獲取運(yùn)行中的故障信息。

系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測記錄裝置功能框圖如圖1所示。為保證測試記錄過程與鍋爐控制系統(tǒng)在電氣上互不影響和完全隔離，監(jiān)測記錄裝置由信號轉(zhuǎn)接單元、信號隔離單元、監(jiān)測控制單元和上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成。通過高精度電氣隔離模塊和接插件，將監(jiān)測裝置與鍋爐控制系統(tǒng)的輸入輸出信號板卡相連接，其中采集通道與輸入板卡MBA32連接方式如圖2所示，采集通道與其它板卡的連接方式和圖2基本相同。

圖1 監(jiān)測記錄裝置功能框圖

圖2 信號采集的電氣原理示意圖

針對控制系統(tǒng)中除水位和燃油溫度調(diào)節(jié)以外的四個(gè)回路，鍋爐運(yùn)行期間監(jiān)測記錄裝置的采集信號見表1。測試裝置中信號的采集和處理模塊以通訊方式上傳至由便攜式工控機(jī)構(gòu)成的上位計(jì)算機(jī)，進(jìn)行信號的處理和在線記錄。

表1 鍋爐控制系統(tǒng)在線監(jiān)測信號表

2 系泊狀態(tài)下控制系統(tǒng)的模擬信號試驗(yàn)

監(jiān)測裝置除了具備數(shù)據(jù)采集、記錄功能外，還具備模擬實(shí)驗(yàn)功能，采集記錄功能和模擬試驗(yàn)功能由軟件實(shí)現(xiàn)并能進(jìn)行功能切換。為了更為全面地捕捉控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的故障信息，在動(dòng)力裝置系泊狀態(tài)下開啟控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測記錄裝置的信號模擬功能向系統(tǒng)適當(dāng)施加模擬試驗(yàn)信號，監(jiān)測并記錄控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常動(dòng)作、動(dòng)作量值與輸入信號的對應(yīng)關(guān)系以及運(yùn)行中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件是否存在卡滯或失效，由此判定可能存在的故障或失效器件。系泊狀態(tài)下的模擬信號試驗(yàn)的信號列表見表2。利用監(jiān)測記錄裝置針對控制系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)功能，在鍋爐冷態(tài)和熱態(tài)無負(fù)荷情況下進(jìn)行了一系列系統(tǒng)測試和試驗(yàn)。

表2 系泊狀態(tài)下的模擬信號試驗(yàn)的信號列表

2.1 蒸汽壓力調(diào)節(jié)器控制回路的模擬信號試驗(yàn)

鍋爐冷態(tài)情況下向控制系統(tǒng)施加模擬信號，分別在低參數(shù)和高參數(shù)工況下測試記錄控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作值，測試、記錄蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路的控制特性和非線性區(qū)間。

鍋爐熱態(tài)無負(fù)荷情況下向控制系統(tǒng)施加小幅值模擬信號，在低參數(shù)工況下測試記錄控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作值，測試、記錄蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路的控制特性和非線性區(qū)間。

此項(xiàng)測試得到的數(shù)據(jù)對于定量區(qū)分“奧瑪”電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障卡滯和正常工作的非線性區(qū)間有較大意義。

2.2 空氣流量調(diào)節(jié)器控制回路的模擬信號試驗(yàn)

鍋爐冷態(tài)情況下向控制系統(tǒng)施加模擬信號，測試記錄空氣流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作值，測試、記錄空氣流量調(diào)節(jié)回路的控制特性和非線性區(qū)間。

改變主蒸汽調(diào)節(jié)回路控制數(shù)值，測試、記錄相應(yīng)鍋爐負(fù)荷下空氣流量調(diào)節(jié)回路的控制特性。

改變空氣流量壓差傳感器反饋量數(shù)值，測試、記錄空氣流量調(diào)節(jié)回路的控制特性。

鍋爐熱態(tài)無負(fù)荷情況下，小幅值改變控制系統(tǒng)中空氣流量壓差傳感器的反饋通道變送系數(shù)，測試、記錄控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作值以及增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。此項(xiàng)測試觀察到空氣流量壓差變送器的反饋通道變送系數(shù)對于增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性的重大影響。初步認(rèn)為，與空氣流量調(diào)節(jié)器相關(guān)的控制軟件只有與硬件參數(shù)有著較好的匹配，才能使增壓風(fēng)機(jī)在相應(yīng)鍋爐負(fù)荷下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果硬件參數(shù)產(chǎn)生較大漂移和偏差，就會(huì)導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性劇烈變化。

通過系泊狀態(tài)下的模擬信號試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并排除了空氣流量調(diào)節(jié)回路的部分硬件故障，在此基礎(chǔ)上制定了某船海上航行試驗(yàn)排故方案。

3 航行試驗(yàn)中鍋爐控制系統(tǒng)監(jiān)測和參數(shù)調(diào)整

在航行狀態(tài)下，將專用監(jiān)測記錄裝置與鍋爐控制系統(tǒng)相連，記錄各種工況下鍋爐相關(guān)的控制信號、傳感器信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作信號，根據(jù)記錄的信號數(shù)據(jù)對鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)（主要針對鍋爐燃油和空氣流量的匹配）進(jìn)行分析，并調(diào)整參數(shù)。實(shí)驗(yàn)鍋爐非正常熄火及工作壓力波動(dòng)的現(xiàn)象主要發(fā)生于鍋爐負(fù)載大幅度波動(dòng)的工況（航行中汽輪機(jī)突然加速、換向倒車等），該故障與空氣流量壓差變送器傳輸系數(shù)的取值密切相關(guān)。

航行試驗(yàn)中對鍋爐空氣流量壓差變送器的傳輸系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，效果明顯：鍋爐運(yùn)行過程中增壓風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與前比較下降約600轉(zhuǎn)，波動(dòng)情況有所緩解；鍋爐燃油和空氣流量配比得到改善；在低、高參數(shù)工況下鍋爐運(yùn)行狀況較平穩(wěn)；鍋爐非正常熄火現(xiàn)象大幅減少；鍋爐壓力波動(dòng)漸趨平穩(wěn)。

4 結(jié)論

1）通過鍋爐控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測和模擬信號試驗(yàn)，查明鍋爐非正常熄火及工作壓力劇烈波動(dòng)主要是由控制系統(tǒng)軟件與硬件參數(shù)設(shè)置不匹配造成的。

2）在航行試驗(yàn)中，通過調(diào)整部分硬件參數(shù)使得控制系統(tǒng)的蒸汽壓力控制回路和空氣流量控制回路在高、低參數(shù)工況下均能保持平穩(wěn)運(yùn)行。

3）在故障排查和試驗(yàn)過程中記錄了鍋爐工作的過程參數(shù)，為今后對鍋爐控制系統(tǒng)軟件與硬件控制參數(shù)的匹配調(diào)整積累了數(shù)據(jù)。

[1]費(fèi)千. 船舶輔機(jī)[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2000.

[2]趙欽新, 惠世恩. 燃油燃?xì)忮仩t[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2000.

Failure Diagnostics of Ship Boiler Control System Based on Online Surveillance

ZHANG Xiao-dong1, XUE Hong-jun2, HUANG Guo-an3
(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. The Naval Representative Office Stationed at No.704 Institute of CSIC, Shanghai 200031, China; 3. LEI-HUA Ship Engineering Limited Corporation, Shanghai 200035, China)

There are such failures as abnormal flameout and working pressure quick fluctuate in the operation of ship boiler. Through online surveillance of the control system operating parameters and analog signal experiments, it is found out that the reason of the failures is mismatching of control system software and the setout of hardware parameters. This paper provides technical approaches for adjustment of control system software and hardware parameters as well as combustion optimization.

ship boiler; control system; failure diagnostics; online surveillance

TK175

A

張曉東（1969-），碩士，副教授。研究方向：蒸汽動(dòng)力裝置。