计算机控制故障监测系统在船舶柴油机中的应用

黄麟 林叶春 李大亮

（1. 上海海事大学商船学院，上海201306；2. 中国船级社秦皇岛分社，河北秦皇岛066002）

0 引言

在现代船舶系统中，传统柴油机的运行状态一般由机舱巡回监测报警系统进行监测，但系统不能对柴油机的技术状态进行综合评估，更不能对故障进行预测和诊断。新型船舶系统对柴油机技术状态进行综合诊断和趋势分析；不仅可以为设备的安全运营和管理提供技术手段，还对改善维修决策和维护保养具有重要指导意义。COCOS-EDS系统（以下简称EDS系统）利用报警监测系统送来的数据，利用软件技术对柴油机的状态参数进行分析，实现对柴油机技术状态综合诊断和趋势分析。

COCOS系统有两个主要应用程序，一个是柴油机故障诊断系统，用于监测并存储柴油机运行期间的参数并根据各个时期的数据做出预见性的故障诊断；另一个是维修保养体系，它主要包括维修保养计划和预警，备件预定和库存，工作执行，跟踪与报告和备件及维修说明，当EDS发出可能有故障的信号后，维护保养系统立即会列出一份维修计划表；备件预订和库存系统会自动检测是否有可利用的备件以及是否需要预订备件；备件明细表会以图表或文本的形式向轮机员显示当前备件的数量和规格型号等技术参数。这两个系统可以分开使用，也可以联机一起使用。

EDS系统适用于单引擎或者成组柴油机的监测，连续监测柴油机的运行状态，减少因为柴油机故障引起的不必要的经济损失，该系统有利于对柴油机进行早期干预和预防性维护，以减少柴油机突发故障的风险。EDS系统主要包括四个主要功能：数据记录，监测，诊断，和趋势分析。

1 系统结构组成及特点

1.1 硬件系统

如图1所示， EDS系统通过RS232与报警监测系统连接，源源不断的接收各传感器监测、收集的数据；同时又通过RS422与离线的爆压测量系统连接，该系统可通过手动测量各缸的爆压并通过键盘输入到报警系统，经过转换后，再通过RS232传输到EDS系统。EDS的监控，诊断与趋势分析的结果通过人机界面显示，该结果还可以通过以太网连接到位于驾驶室，轮机长室和航行办公室的 PC机上。系统主要的硬件设备为工控计算机，最少配置为： 10G硬盘空间，连接在线数据采集系统/网络适配器的通讯端口；报警监测系统为第三方产品，包括各主要传感器的警报装置；爆压测量系统是一个专用的检测系统，利用压电传感器实时检测各个气缸的爆压，再经过滤波处理、AD转换，通过计算机处理后通过通信发送给EDS系统，实现在线分析和处理。

图1 COCOS-EDS监测与诊断系统连接的硬件系统

1.2 软件系统

EDS系统可以分为在线和离线两种数据收集工作方式。

报警监测系统及其联接的实时传送数据的传感器系统是在线工作的，如图1所示的实线连接；系统的数据记录设备能从柴油机上的各种传感器上取得在线数据，然后与以前储存的数据进行对比分析，来执行监测，诊断和趋势分析功能。

爆压测量系统可以在线，也可选择离线工作，如图1所示的用虚线连接部分；离线时，可通过手动测量参数并通过键盘等输入到系统中，作为参考值向系统提供，而不是实时工作值。另外，下面几种情况也被认定为离线工作：

（1）在线系统只安装了“报警监视系统”，用户需要通过半自动或者手动使用便携式测量设备测量补充相关的数据输入到 EDS系统。这类设备是独立于EDS系统的，有温度计，压力表或更复杂的电子仪器等。

（2）柴油机处于停机状态时，EDS被认为是“离线”的或是作为一个独立使用的办公系统，如航行办公室中使用的EDS系统。

（3）当选择“离线”工作来存储或进入或手动编辑数据或查看归档数据时，如趋势数据等，EDS也被认定为离线系统。

2 主要功能分析

图2所示的是EDS内部的数据处理流程。数据记录是EDS功能流程的第一步，它自动地从报警和测量传感器系统收集数据，转换并储存在数据库中，作为下一步执行诊断，趋势分析的基础。

图2 COCOS-EDS数据处理流程(虚线为离线工作流程)

数据采集后经过过滤，与稳态工作值一起储存在测量和稳态工作值数据库中，这些数据经过计算转换为在线工作值。在线工作值一方面可以通过评估和诊断分析直接生成诊断报告，另一方面还可以储存为短期趋势值，并生成短期趋势报告；同时提取数据转换为长期趋势值，并生成长期趋势报告。

测量和稳态工作值也可以通过键盘输入添加重要的设定值，并转换为在线设定值，这些数值可以传输到工作值计算环节，也可以跳过这一环节直接储存为短期趋势值，同时还可以直接经过评估和诊断分析生成诊断报告。

原则上，数据库应尽可能多的收集柴油机开始的相关数据，并对最后的数据进行彻底处理。数据处理流程也反映了 EDS 设计的三个主要目的，即：监测，诊断和故障趋势判断。

2.1 系统监测

EDS通过对柴油机各缸工作状态和重要热工参数等的监视、记录来分析柴油机各主要参数的工作状态和热工参数的历史曲线及其发展趋势。

EDS自动转换输入的在线数据 ，把采集到的参数值分配到相应的测量单位，使他们能够反映柴油机实际的运行状态和功能；工作数据经过转换与设定值进行比较，数据记录显示有线性记录，条形图，特征图表，性能曲线等，方便管理人员更直观的了解柴油机的运行状况；在柴油机出现异常状态的早期阶段，任何重大的偏差，可以很容易地被操作人员监测到，使他们能够采取必要的措施减少损失。

下列设备的运行状态均可以被系统监测：

涡轮增压器及其滤器系统；

空气冷却器：含空气侧和水侧；

燃油滤器；

滑油/冷却油/水温度/压力的高低；

缸套温度的高低；

气缸排气温度的高低；

气缸爆压；

废气锅炉的状态等。

故障监测的范围包括从过滤器堵塞到一个重大故障前的各种迹象，系统通过监测并记录这些参数提供给EDS用来进一步的评估分析。

2.2 诊断

系统通过记录的柴油机各主要参数和重要的热工参数，包括其历史记录，进行相关的评估和诊断分析，根据参数变化的趋势和故障趋势进行故障诊断并发送警报，做出预警。

诊断是基于柴油机的工作状态，以工作参数作为评估参考的。主要作用是解释有什么样的故障，什么样的症状；寻找可能导致柴油机故障的原因或查找实际故障原因的过程，并建议可以采取何种措施来恢复正常运作。在诊断的过程中，EDS在线系统在设定的周期内如5分钟，自动评估柴油机的参数和运行状态。评估检查实际工作值与它的设定值是否在一个规定的限额值内。当评估显示，柴油机的运行状态与正常的工作参数和状态有较大的偏差时，EDS 会自动咨询其诊断数据库，生成诊断报告来描述引发这些症状的可能原因，并提供切实可用的纠正建议和措施。有时 EDS会根据目前初步诊断的结果，要求船员提供更多的详细信息然后生成一个最终的诊断。

下图为柴油机典型症状的诊断分析。

图3 柴油机相关症状的评估与诊断分析

根据排气温度①和②来诊断分析：如果单缸排气温度①出现增加，说明⑴，燃油阀需要检修；⑵，排气阀漏气或者活塞环磨损导致的压缩压力的降低。如果所有缸的排气温度②增加，则说明⑴，空气系统脏堵（滤器，鼓风机，冷却器，）；⑵，排气系统脏堵（透平轮，废弃锅炉等）。

根据压降③和⑤来诊断分析：如果通过空气滤器的压降ΔP③增加，则表明滤器脏堵；当ΔP增加超过出厂值50%时，系统会提示需要清洁滤器；如果出现通过空气器的压降ΔP⑤增加，则表明空气侧脏堵，当ΔP增加超过出厂值50%时，系统会提示需要清洁滤器。

根据进口空气温度④来诊断分析：如果出现进口腔室空气温度④的增加，系统将会判断柴油机的排气温度的增加。

根据温差增加⑥和⑦来诊断分析：如果进出口冷却水温差⑥增大，系统提示需要减小冷却水的流量；如果冷却后的空气和冷却水的进口之间的温差⑦增大，系统显示其原因是空冷器脏堵。

根据扫气空气压力⑧和温度⑨来诊断分析：如果出现扫气压力⑧下降，系统判断可能是由于空气系统的脏堵导致；而如果温度⑨增加，系统的分析结果是该原因会导致排气温度的增加。

根据压力⑩和⑾来诊断分析：如果燃烧室压力⑩下降，系统判断可能是由于活塞环磨损，活塞头烧蚀，排气阀泄露，燃油阀磨损等原因导致；平均压力指示⑾是用示功器可以测得最大爆压。

在柴油机出现故障征兆的早期阶段，EDS诊断生成明确的诊断报告，并建议采取适当的措施来纠正。了解这些信息后，轮机员可以立即决定采用相应对策来恢复正常运作，以及在不影响船舶班期的前提下制定相关的维修计划。

2.3 趋势分析

系统通过对各缸燃烧情况，增压器工作情况，各主要部件的磨损情况和工作性能状态情况进行综合评估，做出趋势分析，提出维修和保养建议。

趋势分析通过在线故障分析和历史数据的趋势查询来确定柴油机的运行状态，揭示设备技术状态变化的规律，从而寻找故障征兆，并给出预见性的判断报告。因此可以防止症状的进一步发展，减少事故发生的概率；为维修决策和制定保养计划提供技术依据。EDS提供三种类型的趋势分析：“短期趋势”，“长期趋势”和“测量”。

“短期趋势”提供了柴油机和其他设备一个短期的运行状态的图表。EDS在线系统按照设定的周期自动收集储存的过滤工作值和其相应的设定值，收集和存储最近的趋势数据库，根据评估诊断的结果提供短期趋势分析报告。

“长期趋势”提供给柴油机及其附属部件一个为期达两年工作状态的图形描述，对于处于负荷稳定期的柴油机，EDS自动从短期趋势覆盖各个时期内收集相关的参数值。每个短期趋势的副本根据操作时间存储在长期趋势的数据库中。然后系统综合分析、评估不同时期的数据变化规律，给出一个描述柴油机长期工作状态的报告。

“测量”是指允许使用离线设备测量数据，手动输入并存储在“手动测量”数据库。它可以分别用于短期或者长期趋势的分析，配合系统完成对柴油机工作状态的趋势分析；同时系统还为它提供了编辑和修改的功能。

此外，系统还可以通过对柴油机技术参数和历史数据的综合管理，对柴油机维修质量进行评测。同时系统可以为机务管理系统提供数据接口，为机务部门维护管理体系提供柴油机的即时技术状态和历史数据。

3 应用管理要点

EDS系统通过对数据进行收集，评估，诊断，并将诊断结论、处理措施等通过人机界面、打印机等设备输出给用户；同时还可以对一些参数进行增加、删除、修改等操作。EDS根据对数据的分析对柴油机故障进行诊断，其诊断过程为：获取故障基本信息与征兆→推断故障原因→得到故障结论→提出故障处理方案；其具有故障监测、故障诊断、故障趋势分析和培训评估等功能。 故障监测通过在线传感监测数据和部分离线设备输入的数据来监测柴油机的运行状态。故障诊断即针对柴油机故障状况，检索数据库，通过分析、对比，最终判断故障的原因，最后提出维修步骤或应急处理措施。故障趋势分析用以解释根据故障征兆推断出故障结论的过程，方便轮机管理人员了解、掌握故障生成机理以及未来可能出现的趋势，帮助轮机管理人员做出正确的分析和判断。此外，本系统还可以用于船员培训，它可以通过匹配船舶柴油机各构件图与相关的工作系统，使学员能学习、了解柴油机的结构和工作原理；同时，学员可以通过设置假设故障，迅速获取经验知识，学习掌握处理各种故障的能力。

4 结束语

本文研究的 EDS船舶柴油机故障诊断系统是基于警报监视和传感器系统，通过串行通信收集柴油机主要参数和重要的热工参数信息，总结柴油机故障诊断的经验设计而成的。该系统对船舶柴油机的故障诊断及故障处理具有重要指导作用，并已在实船中已得到应用。本文通过分析和研究EDS，掌握并灵活应用在上海海事大学自动化机舱的ME电喷柴油机上，通过对船舶柴油机故障诊断系统的应用，总结了一套合适管理方法，对快速、准确排除船舶柴油机故障，保障设备安全运行具有非常积极的作用。

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