瓦錫蘭W38主機監控系統故障特點和分析

盛衛明，張家洪

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

某耙吸船的主機是2臺WARTSILA中速柴油機12V38B（W38機），每臺主機額定功率為8700kW，與柴油機配套的監控系統是UNIC C2系統。該系統通過模塊化設計，以冗余CAN總線連接各個現場模塊進行通訊，來采集和處理柴油機的各運行參數，并發送指令給柴油機的各控制部件；以Modbus總線與船舶報警監測系統進行通訊。此系統的一個明顯設計特點是將所有模塊和相關部件直接安裝在機器上。因為沒有控制模塊分開安裝在外部的控制柜中，從而使該機器的設計顯得緊湊，也允許機器在工廠里做完整的調試。UNIC C2系統主要包括主控模塊、輸入輸出模塊、安保模塊、電源分配模塊、現場控制面板和現場顯示單元，它能處理多種任務，包括柴油機啟動停止管理、安保功能、速度負載控制、重要參數顯示和系統診斷等，該控制系統的綜合圖如1所示。

圖1 UNIC C2控制系統綜合圖

雖然瓦錫蘭開發的UNIC C2系統功能強大，結構緊湊，系統本身優點較多，但是該系統在船舶運行過程中還是暴露出不少故障，具體分為模塊類故障、通訊線路類故障和傳感器類故障，下面將通過列舉故障案例來分析故障和改善建議。

1 UNIC C2的模塊類故障

1.1 系統中各模塊的作用和關系

UNIC C2主機控制系統的MCM主控模塊是整個系統的大腦，IOM輸入輸出模塊負責對柴油機油、水、氣系統的壓力、溫度、液位等各參數的采集，以及采集轉速傳感器和油門刻度等參數，同時操作人員的指令會通過此模塊到達終端，使閥件或執行機構按操作人員要求動作。經過IOM處理的數據會通過CAN總線傳到MCM主控模塊(圖2所示)、ESM安保模塊進行運算，并將運算結果反饋給本系統相關模塊和操作人員，MCM模塊同時通過CAN總線將一些重要參數傳輸到現場顯示單元LDU，給操作人員直觀的感受。PDU電源分配模塊負責向各個模塊提供互為備份的兩路24V電源，通過模塊也向各個傳感器進行供電。ESM安保模塊在主機的運行中作用明顯，擔負主機基本的安保功能，該模塊也是停車裝置和部分傳感器之間的中間環節。

此系統中的MCM主控模塊所起的作用很大，除了負責主機的啟動、停車管理外，還肩負主機的速度和負載控制功能，以及對許多其他終端設備的控制。因耙吸船的主推進柴油機12V38B功能不只是驅動螺旋槳，而且該主機又通過齒輪箱帶動發電機和通過離合器驅動泥泵，所以UNIC C2系統要處理的參數多，以致該系統需使用2塊MCM模塊，以便實現主機控制的完整功能。

1.2 故障現象

有一次某耙吸船備車起錨時，發現左主機啟動后轉速直接上升到630r/min（主機額定轉速為600r/min），試圖通過推進控制柜上的60%、85%、100%額度轉速控制按鈕降速，但主機轉速無變化，后手動調節調速器速度設定旋鈕，將主機速度降低至510r/min。初步懷疑電子調速器不起作用。首先排查了轉速傳感器，并且測量了主推進柜PCU到MCM的隔離模塊、推進柜接線排、和MCM接線排的速度設定模擬量信號，電流都為7.03mA（右主機為7.05mA），此時可確定速度傳感器和速度設定控制信號都沒有問題,根據UNIC C2監控系統說明書的描述，MCM主控模塊負責對轉速和負載進行控制，該模塊的輸出信號接到調速器的執行器。

1.3 故障原因排查和分析

為了判斷此故障根源在左主機的MCM-1模塊上，首先測量MCM-1輸出至調速器的電壓信號，顯示為0V，將左主機MCM-1輸出至調速器的接線挑開，測量輸出電壓信號變為14V。電機員重啟左主機MCM-1模塊后，測量該模塊輸出為21V，但是將調速器的接線再次接入MCM后，測量電壓為0V,將接線重新挑開后，測量MCM輸出又變為14V。而測量右主機MCM-1輸出至調速器的電壓信號正常為5V，將至調速器的接線挑開后，測量該模塊的輸出電壓為21V。可初步判斷此故障由MCM模塊問題引起左主機轉速無法控制。

為了確認此故障，輪機部人員更換備用調速器，再次啟動主機，故障依舊。檢查安保模塊絕緣良好，萬用表測量調速器線圈及MCM至調速器的電纜對地絕緣良好。采取以上措施后，電機員對調了左右主機的MCM-1模塊，重新啟動左主機，發現主機轉速直接上升至600r/min（100%），在推進控制柜上操作速度設定按鈕60%，85%，100%，轉速仍然無變化，無法調節轉速。經過詢問得知，左右主機的MCM-1模塊物理結構雖然一樣，但是灌入模塊的程序和設定的地址不一樣，所以兩塊主控模塊不能直接對調使用。故障原因已經明確，解決時則需要專業灌模塊程序軟件的支持，以及模塊地址的設置等工作。除了安裝在MC控制箱里的MCM和ESM模塊外，在12V38B機上還有7塊IOM模塊（圖3），雖然IOM模塊的物理結構一樣，但是每塊模塊的內置程序和地址設置不同，一般不能混用。

從主機多年的運行情況來看，模塊的故障率也不低，近兩年陸續損壞3塊模塊，分別是MCM主控模塊、ESM安保模塊和IOM輸入輸出模塊。模塊故障率高的原因和緊湊型設計有密切關系，因為所有模塊都安裝在機側，模塊里的電子元器件都要承受高溫、劇烈振動和油氣的考驗，從而縮短了模塊的壽命，設備的可靠性降低。

圖2 MCM主控模塊

圖3 機側IOM數據采集模塊

2 UNIC C2的通訊和線路類故障

2.1 故障現象

該耙吸船在航行時左主機各軸承溫度在機側顯示屏和AMS上皆大幅度波動，造成第0號軸承溫度超過停車報警值，并導致左主機停車。同時波動的參數還有部分缸套溫度及左主機部分排溫，只是波動幅度還未到報警或停車設定值。發生故障時在機側顯示屏上顯示如下圖4和圖5所示報警。從機側的報警來看，MCM-11 2個故障和IOM10 A1通訊故障是該故障原因的主要懷疑對象。

圖4 MCM-11主控模塊報警

圖5 IOM-A1模塊通訊失敗報警

2.2 故障原因排查和分析

左主機停車后，打開曲拐箱道門，檢查各道主軸承和連桿大端軸承，檢查結果正常。隨后，電機員分別更換MCM-11模塊及IOM-A1采集模塊，更換A1采集模塊后，機側顯示及AMS顯示無數據；更換MCM-11模塊后，部分參數顯示數據異常，并在主機起動后轉速升至85%時，保護停車。因備用模塊無適用的程序導致無法發揮正常功能。隨后，重新更換上原來用的模塊，起動左主機后，原波動的參數顯示正常。但是當槳角接近60%時，再次出現主軸承溫度大幅波動的現象。通過多次測試，技術人員發現當槳角接近或超過60%時，軸承溫度波動幅度大幅加大，并會超過報警值導致停車。

根據經驗和分析，因主機振動幅度加大而導致的故障大部分與接線接觸不良或者電源線迅時接地有關。在停車狀態下，技術人員對左主機整體絕緣和各采集模塊中的絕緣都進行了測量，目前左主機各采集模塊中的絕緣最小為0.8MΩ，應該基本能夠排除因模塊絕緣引起的故障。除了測量各模塊絕緣以外，還對通訊線的絕緣和連接進行了檢查確認，并無大的發現。最后又開始測量各模塊電源線的絕緣情況，經排查發現IOM-B1模塊和IOM-TC模塊的電源線有破損，破損位置剛好在增壓器下方，難于發現。因電源線破損并和柴油機機殼偶發性接地，造成整個UNIC C2系統的電源電壓不穩定，而各類軸承溫度和各缸排氣溫度的采集信號都是4~20mA，所以電源信號的不穩定，造成IOM模塊采集信號不穩定，從而使軸承溫度在監控系統中顯示波動。隨著主機負荷的加大，振動加劇，破損的電源線和機殼金屬接觸頻率增加，電源線接地影響明顯增大；當主軸承波動的最高溫度超過動作值，該UNIC C2系統將輸出保護停車信號使柴油機自動停車。

3 UNIC C2的傳感器類故障

3.1 故障現象

該耙吸船正在施工挖泥的過程中，集控室AMS（機艙監視與報警系統）顯示右主機重大故障報警，駕駛臺控制面板上右主機負荷指示來回波動，并且要求功率降低指示燈亮起，當班輪機員通過觀察也發現機艙集控室推進控制柜PCU顯示屏上右主機轉速從520r/min到600r/min之間來回波動。

3.2 故障原因分析和處理

問題出現后，電機員立即著手分析故障，查找原因。首先使用手持測速儀到主機飛輪端現場檢測主機轉速，測試結果顯示主機轉速穩定在598r/min，屬于主機的額定轉速范圍。既然主機實際轉速沒問題，那會不會是主機轉速傳感器有問題了？通過查看主機圖紙發現主機轉速傳感器一共有4個，2個安裝在飛輪端（ST196P、ST196S），2個安裝在凸輪端（ST173、ST174），如圖6所示。這4個傳感器通過主機數據采集模塊WTB-DE IOM接入主機MC主控箱內，其中2個轉速傳感器ST196P、ST196S接至主控模塊MCM-11上，起調速作用；2個轉速傳感器ST173、ST174接至安保模塊ESM上，并通過分路輸出ST174的信號，將該轉速信號傳送至推進控制系統。PCU顯示的轉速信號波動，而實際主機運行的轉速穩定，因此可以判斷出故障來源可能出現在輸入安保模塊的轉速傳感器處。

在初步確定問題可能是由主機凸輪端的2個轉速傳感器（ST173，ST174）故障引起之后，在主機停車時將凸輪軸端端蓋打開，測量好傳感器與齒輪間隙后將2個傳感器換新（注意傳感器與齒輪之間的間隙一定要測量好，否則安裝間隙不對的話可能會引起主機飛車等事故）。正常啟動主機，發現主機轉速穩定在600r/min，主機負荷指示穩定，逐漸加大主機負荷并脫合泥泵數次，主機轉速依然穩定，故障排除。

圖6 凸輪軸端轉速傳感器

3.3 傳感器類故障特點

事后查看主機維修保養記錄發現，右主機凸輪端2個轉速傳感器在2018年3月份換新過，一年不到，又出現損壞。此主機的轉速傳感器故障率明顯偏高，而其他壓力、溫度傳感器的故障率在可接受范圍內。船員申請這個轉速傳感器的數量一般都要10個以上，可見此類傳感器更換之頻繁。傳感器和機側的模塊一樣，都工作在惡劣的環境下，中速機震動比低速機劇烈，尤其是在主機高負荷的時候特別明顯，這就使得主機的這些傳感器既要承受高溫，又要受劇烈振動的影響，從而大大縮短了它們的正常使用壽命。

4 結語

UNIC C2主機監控系統的優點雖然較多，但在設計時只考慮機器本身的緊湊性和試驗的便利性，而使系統的模塊類故障、通訊線路類故障和傳感器類故障增加，整個使用周期內故障率升高。

為了降低故障率，首先建議設計上可以將各個模塊的安裝位置獨立于柴油機，模塊和傳感器之間可以通過硬線或者無線連接，目的是避免機器的劇烈振動和散發的熱量影響到各個模塊和線路。例如MAN的V32/40主機就將各類模塊集中在機艙的集控室里，從而避免柴油機本身高振、高溫的影響，降低模塊的故障率。再次，船舶電機員在平時的施工過程中要注意檢查主機各類傳感器的工作狀態，包括傳感器信號傳輸線和電源線，以及防止這類線因為主機震動而與機身摩擦；在船舶拋錨停車時做好主機傳感器的維護保養工作，盡可能地提高傳感器的使用壽命，以充分保證主機監控系統運行的穩定性。