新海鳳推進(jìn)控制系統(tǒng)原理及維修

張棟成

（中港疏浚有限公司，上海200136）

0 引言

船舶前進(jìn)的動(dòng)力由主機(jī)燃燒柴油將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能通過推進(jìn)器轉(zhuǎn)化而來，人員操作推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)船舶離靠泊碼頭、機(jī)動(dòng)航行，而推進(jìn)器的操縱離不開控制系統(tǒng)的作用。瓦錫蘭是世界著名的柴油機(jī)生產(chǎn)制造商，新海鳳輪采用瓦錫蘭16V38B型四沖程柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿ρb置，通過帶推進(jìn)離合器的變速齒輪箱拖帶艉軸 CPP和軸帶發(fā)電機(jī)，通過帶泥泵離合器的減速齒輪箱拖帶泥泵。推進(jìn)控制系統(tǒng)采用瓦錫蘭Lipstrnoic7000，實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)推進(jìn)器的操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)主機(jī)、MSB/PMS、泥泵控制系統(tǒng)、VDR、AMS與推進(jìn)控制系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)與通訊，如圖1所示。只有理解了Lips7000的基本原理，才能在出現(xiàn)故障時(shí)，快速有效地解決問題，保障船舶安全航行。

1 Lipstronic7000的系統(tǒng)原理

Lipstronic7000系統(tǒng)旨在控制 CPP螺距角度和CPP響應(yīng)速度的設(shè)定[1]。實(shí)際在新海鳳輪，Lips還兼顧主機(jī)調(diào)速和控制，泥泵合排與脫排控制。

1.1 螺距角度控制

新海鳳輪 CPP的螺距控制分為：Backup control、Local control和 Remote control。

1.1.1 Backup control

遙控 NFU（非隨動(dòng)模式），通過開關(guān)量觸點(diǎn)或HMI與Backup PLC RS232通信方式，將信號(hào)傳遞給Backup PLC，Backup PLC 輸出直接作用在相應(yīng)的電磁閥上。由于Backup control不受任何負(fù)載限制控制，亦不受螺距反饋?zhàn)饔?，所以控制螺距精度不高，且?yōu)先級(jí)低于 Local control，用于遙控系統(tǒng)發(fā)生重大故障時(shí)的備用控制，原理見圖2。Backup control激活方式可分為人為操作和自動(dòng)激活，激活需要控制權(quán)在ECS或BCS。

人為操作：如圖 2所示，右側(cè) BRIDGE GROUP駕駛臺(tái)中央航行控制臺(tái)上和側(cè)翼控制臺(tái)上BACKUP CONTROL按鈕激活， 左側(cè)BRIDGE GROUP的Ahead和Astern按鈕操作CPP。ECS機(jī)艙HMI人機(jī)界面F8 NFU憑借密碼進(jìn)入相關(guān)操作界面激活，通過HMI上的按鍵F5、F6操作CPP。

自動(dòng)激活條件：如圖2左下角所示，當(dāng)MAIN PLC故障，或遙控系統(tǒng)發(fā)生重大故障，例如控制中的螺距信號(hào)丟失、螺距反饋信號(hào)丟失，MAIN PLC失電，Lips會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示操作人員推進(jìn)系統(tǒng)重大故障并確認(rèn)Backup control。

圖1 Lipstronic7000系統(tǒng)框圖

圖2 Backup control原理框圖

1.1.2 Local control

NFU非隨動(dòng)模式、應(yīng)急操作，為機(jī)側(cè)控制箱控制，優(yōu)先級(jí)最高。通過機(jī)側(cè)控制箱上開關(guān)量的觸點(diǎn)動(dòng)作輸入至PCU控制柜Backup PLC，Backup PLC輸出單獨(dú)作用在相應(yīng)的電磁閥上，控制是非閉環(huán)的，不受螺距反饋的控制，亦不受遙控系統(tǒng)的負(fù)荷程序等設(shè)定限制，角度無(wú)法精確控制。如圖3所示。

圖3 Local control原理圖

1.1.3 Remote control

Remote control由 PCU柜內(nèi) MAIN PLC 按照設(shè)定程序，配合安裝在主機(jī)的油門齒條傳感器、速度傳感器，各控制臺(tái)螺距信號(hào)發(fā)生器，螺距信號(hào)反饋發(fā)生器，CPP執(zhí)行器和電磁閥完成，螺距的控制是閉環(huán)的。如圖4所示，螺距信號(hào)PITCH ORDER由操縱桿給出并經(jīng)過加速度限制器，螺距負(fù)反饋FEEDBACK由反饋電位器給出，MAIN PLC將模擬量螺距信號(hào)和螺距反饋通過A/D轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字量偏差信號(hào)，經(jīng)圖5曲線選擇相應(yīng)值。同時(shí)依據(jù)主機(jī)油門齒條和轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)時(shí)負(fù)荷計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)值，按圖6負(fù)荷限制曲線產(chǎn)生數(shù)值。最后將圖5和圖6產(chǎn)生數(shù)值對(duì)比。若選擇負(fù)載限制，則經(jīng)過最小信號(hào)選擇器LSS選擇最小控制信號(hào)；若取消負(fù)載限制，則經(jīng)過最大信號(hào)選擇器HSS選擇最大信號(hào)。最后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出至執(zhí)行器，執(zhí)行器產(chǎn)生最佳PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥做出準(zhǔn)確的動(dòng)作，CPP角度可以準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)期角度。

1.2 響應(yīng)速度控制

由圖 4、圖 5、圖 6分析可知，CPP的響應(yīng)速度控制是一個(gè)多信號(hào)比較選擇的結(jié)果。

1.2.1 圖5分析

圖5為位置速度曲線，橫軸代表信號(hào)偏差（螺距指令與反饋），縱軸代表響應(yīng)速度，Treshold區(qū)域代表即將達(dá)到預(yù)期槳角降速區(qū)，虛線部分代表滯環(huán)。起初偏差信號(hào)為 0，人為操縱車鐘產(chǎn)生偏差信號(hào)，若信號(hào)偏差小于outer db響應(yīng)死區(qū)外界限時(shí)，響應(yīng)速度為0；偏差較大超過outerdb，則響應(yīng)速度按照上述曲線比例給出響應(yīng)速度；若信號(hào)偏差大于降速區(qū)域時(shí)，響應(yīng)速度按照設(shè)定最大速度；隨著CPP動(dòng)作，信號(hào)偏差逐漸減小，當(dāng)實(shí)際槳角即將到達(dá)期望位置時(shí)，即進(jìn)入Treshold區(qū)域，CPP按照曲線比例降速，直至偏差小于inner db響應(yīng)死區(qū)內(nèi)界限，響應(yīng)速度降為0。此曲線意在設(shè)定 CPP即將達(dá)到期望角度時(shí)的響應(yīng)速度的變化，Treshold點(diǎn)為即將進(jìn)入預(yù)期角度點(diǎn)。

1.2.2 圖 6分析

圖6為負(fù)載速度曲線，橫軸代表主機(jī)實(shí)時(shí)負(fù)荷，縱軸代表響應(yīng)速度，100%以下曲線代表負(fù)載速度曲線，100%以上代表過載速度曲線。

負(fù)載曲線分析：當(dāng)主機(jī)負(fù)荷較低，低于a點(diǎn)時(shí)，響應(yīng)速度按照設(shè)定最大速度；若不存在減負(fù)荷區(qū)域，則 b點(diǎn)與 c點(diǎn)重合，響應(yīng)速度按照 a-c的K曲線響應(yīng)，c點(diǎn)、d點(diǎn)之間為滯環(huán)；若引入減負(fù)荷區(qū)（b點(diǎn)至100%），當(dāng)主機(jī)負(fù)荷位于a與b點(diǎn)之間時(shí)，響應(yīng)速度按照a-b的K曲線響應(yīng)，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷進(jìn)入減負(fù)荷區(qū)域，速度降為最小，主機(jī)負(fù)荷超過d點(diǎn)后，響應(yīng)速度降為0，僅當(dāng)主機(jī)負(fù)荷再次低于 b點(diǎn)，再給出響應(yīng)速度，b點(diǎn)、d點(diǎn)之間為滯環(huán)；若主機(jī)負(fù)荷在d和e之間，響應(yīng)速度為0；當(dāng)主機(jī)負(fù)荷在b（c）和d之間時(shí)，響應(yīng)速度由上一掃描狀態(tài)決定，或?yàn)樵O(shè)定最小或?yàn)?，因此減負(fù)荷區(qū)意在降低惡劣工況、主機(jī)高負(fù)荷情況下CPP的小角度頻繁動(dòng)作。

過載曲線分析：當(dāng)主機(jī)負(fù)荷超過 100%，則采取過載曲線設(shè)定。當(dāng)主機(jī)過載，超過e點(diǎn)后，響應(yīng)速度將設(shè)為負(fù)的最??；直至超過f點(diǎn)之后，將按照過載K曲線設(shè)定；超過g點(diǎn)后，將按照負(fù)的最大速度。以此來實(shí)現(xiàn)主機(jī)過載時(shí)，自動(dòng)降螺距減負(fù)荷[2]。

圖4 Remote control原理圖

圖5 位置速度曲線圖

1.3 LIPSTRONIC 7000 的其他接口

1.3.1 主機(jī)的起停、調(diào)速和負(fù)荷限制

Lips系統(tǒng)負(fù)責(zé)主機(jī)的遙控啟動(dòng)、停止、應(yīng)急停止和調(diào)速，并且負(fù)責(zé)遙控位置之間的相互轉(zhuǎn)移和確認(rèn)。啟動(dòng)、安保停車連鎖條件是否滿足由主機(jī)自身主控模塊MCM700b決定，并將ready for start、engine shut down 等信號(hào)反饋給遙控系統(tǒng)。與齒輪箱相關(guān)的安保停車由Lips決定。主機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，CPP轉(zhuǎn)速，螺距角度等信息可以在PCU控制柜上獲得。

主機(jī)調(diào)速：若Lips主PLC發(fā)生故障，則主機(jī)轉(zhuǎn)速由 Lips備用主機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器控制轉(zhuǎn)速在100%；主PLC正常工作，則根據(jù)的推進(jìn)模式?jīng)Q定主機(jī)轉(zhuǎn)速，并產(chǎn)生相應(yīng)的四種二進(jìn)制動(dòng)態(tài)參數(shù)輸送至723調(diào)速器。推進(jìn)模式分為：定速模式，疏浚模式，推進(jìn)離合器脫開模式。定速模式Lips使得主機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在97%-100%，與CPP螺距角度無(wú)關(guān)。疏浚模式下，主機(jī)轉(zhuǎn)速可由疏浚臺(tái)主機(jī)速度控制旋鈕 85%-100%、PCU控制柜上85%、100%按鈕控制。推進(jìn)離合器脫開發(fā)電機(jī)斷路器合閘情況下，主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整允許在 85%- 100%，信號(hào)來自MSB/PMS PLC給出的開關(guān)量信號(hào)、PCU柜按鈕和疏浚臺(tái)轉(zhuǎn)速旋鈕。推進(jìn)離合器脫開發(fā)電機(jī)斷路器未合閘情況下，主機(jī)轉(zhuǎn)速可由PCU控制柜上60%、85%、100%、increase、decrease按鈕，從怠速 60%到全速 100%可調(diào)。所有信號(hào)經(jīng)過LIPS主PLC計(jì)算，主PLC發(fā)出均勻變化的4～20mA信號(hào)至723調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)指令的對(duì)應(yīng)速度。

主機(jī)負(fù)荷控制：Lips根據(jù)自身load calculation system判斷控制和接受 PMS臨時(shí)降螺距信號(hào)調(diào)節(jié)（1.3.3介紹）。自身系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)油門齒條傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)判斷，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷沒有達(dá)到 100%的時(shí)候，螺距按負(fù)荷曲線和位置速度曲線綜合調(diào)節(jié)；當(dāng)主機(jī)負(fù)荷超過100%，將按照?qǐng)D6過載曲線，自動(dòng)降低螺距，防止主機(jī)進(jìn)一步過載。無(wú)論何時(shí)發(fā)生推進(jìn)齒輪箱伺服油壓力低推進(jìn)系統(tǒng)請(qǐng)求減負(fù)荷，主機(jī)滑油溫度高、排溫高等主機(jī)請(qǐng)求減負(fù)荷，AMS請(qǐng)求減負(fù)荷，Lips都會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示操作人員降低螺距。

圖6 負(fù)載速度曲線圖

1.3.2 泥泵的控制

Lips控制泥泵可分為集控室控制和疏浚臺(tái)控制。控制泥泵合排、脫排的條件分別來自泥泵齒輪箱、離合器、艉液壓 PLC和 PMS，并在疏?？刂葡到y(tǒng)中呈現(xiàn)條件是否滿足。合排、脫排控制信號(hào)來自相應(yīng)的控制位置，合排、脫排、安全脫排動(dòng)作由Lips發(fā)出，并給出燈光指示。

1.3.3 PMS/MSB

Lips激活NFU模式，PMS將不起作用,需要人為去降低螺距以降低主機(jī)負(fù)荷。

PMS即功率管理系統(tǒng)，MSB即主配電板系統(tǒng)，新海鳳輪的PMS系統(tǒng)用于防止主機(jī)和發(fā)電機(jī)過載并采取相應(yīng)的措施。防止主機(jī)過載的主要措施就是PMS降低CPP螺距，僅當(dāng)Lips控制模式選擇 FU，PMS降螺距信號(hào)才起作用。例如泥泵離合器合排、側(cè)推的啟動(dòng)（發(fā)電機(jī)功率充足而主機(jī)功率不足）等，各系統(tǒng)會(huì)向PMS發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求，此時(shí)PMS會(huì)檢測(cè)主機(jī)功率是否足夠，功率不足則通過Lips降低螺距調(diào)整主機(jī)功率，最后給予啟動(dòng)允許或不予啟動(dòng)反饋。

PMS負(fù)責(zé)軸帶發(fā)電機(jī)同步和配電模式轉(zhuǎn)換，PMS會(huì)向 Lips發(fā)出同步請(qǐng)求，當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)同步條件（主機(jī)轉(zhuǎn)速≥97%且泥泵離合器脫開）滿足時(shí)，Lips將主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整在 97%-100%，反饋至PMS同步允許，之后開始接收來自MSB PLC的加減速信號(hào)控制。直至PMS同步請(qǐng)求消失即：發(fā)電機(jī)斷路器合閘信號(hào)反饋至Lips或同步超時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速控制權(quán)轉(zhuǎn)移至Lips，軸發(fā)同步成功之后主機(jī)調(diào)速范圍允許在85%-100%[3]。

1.3.4 VDR

Lips將重要數(shù)據(jù)傳輸給VDR保存。模擬量：螺距指令，螺距反饋、主機(jī)轉(zhuǎn)速給定、螺旋槳轉(zhuǎn)速；開關(guān)量：重大故障、駕駛臺(tái)控制中。

1.3.4 AMS

Lips給出RS485信號(hào)，經(jīng)過CS6型CAN數(shù)據(jù)處理器轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)，將gearbox相關(guān)傳感器的參數(shù)傳遞給AMS。Lips還輸出以下開關(guān)量主要報(bào)警點(diǎn)至AMS：推進(jìn)系統(tǒng)重大項(xiàng)目報(bào)警、推進(jìn)系統(tǒng)一般項(xiàng)目報(bào)警、離合器報(bào)警、推進(jìn)系統(tǒng)降負(fù)荷報(bào)警、軸鎖裝置激活報(bào)警、調(diào)速器重大項(xiàng)目報(bào)警、調(diào)速器一般項(xiàng)目報(bào)警。以上參數(shù)用來監(jiān)視和報(bào)警。

AMS 發(fā)送 load reduction request至 Lips，提示操作人員降低螺距。

2 預(yù)見性的維護(hù)

2.1 每日

所有控制面板的指示燈測(cè)試；檢查各復(fù)示器顯示是否正常；檢查控制系統(tǒng)是否有報(bào)警（AMS觸點(diǎn)報(bào)警或HMI報(bào)警）。

2.2 每周

檢查控制柜的主要電源電壓和后備電源電壓是否為標(biāo)稱 24 VDC；檢查所有控制站的備用控制功能，檢查主機(jī)備用速度控制模塊是否正常，檢查各控制站之間的控制切換；檢查所有模式下每個(gè)控制站對(duì)CPP的操作。

2.3 5 年

為了防止MAIN PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失，5年左右更換控制柜內(nèi)PLC中的內(nèi)部充電電池，更換時(shí)確保保持PLC電源打開，否則程序?qū)G失。

3 故障及排查

3.1 CPP槳角顯示一側(cè)無(wú)窮大

1）顯示故障

由于CPP槳角指示器是由MAIN PLC的模擬量輸出模塊給出4-20 mA電流驅(qū)動(dòng)表頭，因此所有表頭串聯(lián)在一起，任意一個(gè)故障或者線路不通就會(huì)出現(xiàn)偏向一側(cè)無(wú)窮大。

2）主機(jī)高負(fù)荷甚至過載，實(shí)際槳角與顯示相同

CPP選擇FU模式情況下，正、倒車電磁閥由PAM-195P執(zhí)行器產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制，因此利用Local control排除機(jī)械故障情況下，則需要檢查執(zhí)行器和MAIN PLC的模擬量輸出模塊是否存在故障，新海鳳輪曾經(jīng)因?yàn)镻LC模擬量輸出模塊故障導(dǎo)致CPP正車電磁閥一直得電，進(jìn)而導(dǎo)致主機(jī)過載。

3.2 主機(jī)實(shí)際速度與指令設(shè)定速度差異較大

主機(jī)的轉(zhuǎn)速由伍德沃德 723電子調(diào)速器控制，控制信號(hào)來自LIPS給出的4-20 mA電流和兩個(gè)動(dòng)態(tài)開關(guān)量輸入，雙速度探頭作為反饋，同時(shí)綜合主機(jī)油門齒條傳感器和增壓空氣壓力傳感器的信號(hào)，經(jīng)過邏輯判斷，輸出180-10 mA電流控制機(jī)械調(diào)速器[4]。因此，主機(jī)轉(zhuǎn)速故障需要綜合速度探頭信號(hào)，LIPS的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，輸出至機(jī)械調(diào)速器信號(hào)多方面綜合判斷。新海鳳輪曾出現(xiàn)主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏低故障，具體原因?yàn)?LIPS的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)由于 PLC模塊故障導(dǎo)致給定信號(hào)偏低。

3.3 遙控?zé)o螺距響應(yīng)或與指令不匹配

1）檢查L(zhǎng)IPS是否發(fā)出報(bào)警（應(yīng)急電源故障、重大故障等）。

2）檢查是否選擇按鈕控制（Backup control或者 Local control）。

3）檢查螺距指示功能是否正常，觀察機(jī)側(cè)螺距機(jī)械刻度。

4）檢查液壓泵是否正常運(yùn)行，并檢查液壓壓力是否正常。

5）檢查閥驅(qū)動(dòng)器（PAM 模塊）功能是否正常，并檢查電磁閥線圈是否存在斷線。

6）檢查應(yīng)急停止條件是否激活。

7）檢查負(fù)載控制是否激活，并由此減小螺距。

8）檢查螺距反饋傳感器信號(hào)和指令發(fā)送器信號(hào)是否正常。

參考文獻(xiàn)：

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