瓦锡兰W38主机监控系统故障特点和分析

盛卫明，张家洪

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

某耙吸船的主机是2台WARTSILA中速柴油机12V38B（W38机），每台主机额定功率为8700kW，与柴油机配套的监控系统是UNIC C2系统。该系统通过模块化设计，以冗余CAN总线连接各个现场模块进行通讯，来采集和处理柴油机的各运行参数，并发送指令给柴油机的各控制部件；以Modbus总线与船舶报警监测系统进行通讯。此系统的一个明显设计特点是将所有模块和相关部件直接安装在机器上。因为没有控制模块分开安装在外部的控制柜中，从而使该机器的设计显得紧凑，也允许机器在工厂里做完整的调试。UNIC C2系统主要包括主控模块、输入输出模块、安保模块、电源分配模块、现场控制面板和现场显示单元，它能处理多种任务，包括柴油机启动停止管理、安保功能、速度负载控制、重要参数显示和系统诊断等，该控制系统的综合图如1所示。

图1 UNIC C2控制系统综合图

虽然瓦锡兰开发的UNIC C2系统功能强大，结构紧凑，系统本身优点较多，但是该系统在船舶运行过程中还是暴露出不少故障，具体分为模块类故障、通讯线路类故障和传感器类故障，下面将通过列举故障案例来分析故障和改善建议。

1 UNIC C2的模块类故障

1.1 系统中各模块的作用和关系

UNIC C2主机控制系统的MCM主控模块是整个系统的大脑，IOM输入输出模块负责对柴油机油、水、气系统的压力、温度、液位等各参数的采集，以及采集转速传感器和油门刻度等参数，同时操作人员的指令会通过此模块到达终端，使阀件或执行机构按操作人员要求动作。经过IOM处理的数据会通过CAN总线传到MCM主控模块(图2所示)、ESM安保模块进行运算，并将运算结果反馈给本系统相关模块和操作人员，MCM模块同时通过CAN总线将一些重要参数传输到现场显示单元LDU，给操作人员直观的感受。PDU电源分配模块负责向各个模块提供互为备份的两路24V电源，通过模块也向各个传感器进行供电。ESM安保模块在主机的运行中作用明显，担负主机基本的安保功能，该模块也是停车装置和部分传感器之间的中间环节。

此系统中的MCM主控模块所起的作用很大，除了负责主机的启动、停车管理外，还肩负主机的速度和负载控制功能，以及对许多其他终端设备的控制。因耙吸船的主推进柴油机12V38B功能不只是驱动螺旋桨，而且该主机又通过齿轮箱带动发电机和通过离合器驱动泥泵，所以UNIC C2系统要处理的参数多，以致该系统需使用2块MCM模块，以便实现主机控制的完整功能。

1.2 故障现象

有一次某耙吸船备车起锚时，发现左主机启动后转速直接上升到630r/min（主机额定转速为600r/min），试图通过推进控制柜上的60%、85%、100%额度转速控制按钮降速，但主机转速无变化，后手动调节调速器速度设定旋钮，将主机速度降低至510r/min。初步怀疑电子调速器不起作用。首先排查了转速传感器，并且测量了主推进柜PCU到MCM的隔离模块、推进柜接线排、和MCM接线排的速度设定模拟量信号，电流都为7.03mA（右主机为7.05mA），此时可确定速度传感器和速度设定控制信号都没有问题,根据UNIC C2监控系统说明书的描述，MCM主控模块负责对转速和负载进行控制，该模块的输出信号接到调速器的执行器。

1.3 故障原因排查和分析

为了判断此故障根源在左主机的MCM-1模块上，首先测量MCM-1输出至调速器的电压信号，显示为0V，将左主机MCM-1输出至调速器的接线挑开，测量输出电压信号变为14V。电机员重启左主机MCM-1模块后，测量该模块输出为21V，但是将调速器的接线再次接入MCM后，测量电压为0V,将接线重新挑开后，测量MCM输出又变为14V。而测量右主机MCM-1输出至调速器的电压信号正常为5V，将至调速器的接线挑开后，测量该模块的输出电压为21V。可初步判断此故障由MCM模块问题引起左主机转速无法控制。

为了确认此故障，轮机部人员更换备用调速器，再次启动主机，故障依旧。检查安保模块绝缘良好，万用表测量调速器线圈及MCM至调速器的电缆对地绝缘良好。采取以上措施后，电机员对调了左右主机的MCM-1模块，重新启动左主机，发现主机转速直接上升至600r/min（100%），在推进控制柜上操作速度设定按钮60%，85%，100%，转速仍然无变化，无法调节转速。经过询问得知，左右主机的MCM-1模块物理结构虽然一样，但是灌入模块的程序和设定的地址不一样，所以两块主控模块不能直接对调使用。故障原因已经明确，解决时则需要专业灌模块程序软件的支持，以及模块地址的设置等工作。除了安装在MC控制箱里的MCM和ESM模块外，在12V38B机上还有7块IOM模块（图3），虽然IOM模块的物理结构一样，但是每块模块的内置程序和地址设置不同，一般不能混用。

从主机多年的运行情况来看，模块的故障率也不低，近两年陆续损坏3块模块，分别是MCM主控模块、ESM安保模块和IOM输入输出模块。模块故障率高的原因和紧凑型设计有密切关系，因为所有模块都安装在机侧，模块里的电子元器件都要承受高温、剧烈振动和油气的考验，从而缩短了模块的寿命，设备的可靠性降低。

图2 MCM主控模块

图3 机侧IOM数据采集模块

2 UNIC C2的通讯和线路类故障

2.1 故障现象

该耙吸船在航行时左主机各轴承温度在机侧显示屏和AMS上皆大幅度波动，造成第0号轴承温度超过停车报警值，并导致左主机停车。同时波动的参数还有部分缸套温度及左主机部分排温，只是波动幅度还未到报警或停车设定值。发生故障时在机侧显示屏上显示如下图4和图5所示报警。从机侧的报警来看，MCM-11 2个故障和IOM10 A1通讯故障是该故障原因的主要怀疑对象。

图4 MCM-11主控模块报警

图5 IOM-A1模块通讯失败报警

2.2 故障原因排查和分析

左主机停车后，打开曲拐箱道门，检查各道主轴承和连杆大端轴承，检查结果正常。随后，电机员分别更换MCM-11模块及IOM-A1采集模块，更换A1采集模块后，机侧显示及AMS显示无数据；更换MCM-11模块后，部分参数显示数据异常，并在主机起动后转速升至85%时，保护停车。因备用模块无适用的程序导致无法发挥正常功能。随后，重新更换上原来用的模块，起动左主机后，原波动的参数显示正常。但是当桨角接近60%时，再次出现主轴承温度大幅波动的现象。通过多次测试，技术人员发现当桨角接近或超过60%时，轴承温度波动幅度大幅加大，并会超过报警值导致停车。

根据经验和分析，因主机振动幅度加大而导致的故障大部分与接线接触不良或者电源线迅时接地有关。在停车状态下，技术人员对左主机整体绝缘和各采集模块中的绝缘都进行了测量，目前左主机各采集模块中的绝缘最小为0.8MΩ，应该基本能够排除因模块绝缘引起的故障。除了测量各模块绝缘以外，还对通讯线的绝缘和连接进行了检查确认，并无大的发现。最后又开始测量各模块电源线的绝缘情况，经排查发现IOM-B1模块和IOM-TC模块的电源线有破损，破损位置刚好在增压器下方，难于发现。因电源线破损并和柴油机机壳偶发性接地，造成整个UNIC C2系统的电源电压不稳定，而各类轴承温度和各缸排气温度的采集信号都是4~20mA，所以电源信号的不稳定，造成IOM模块采集信号不稳定，从而使轴承温度在监控系统中显示波动。随着主机负荷的加大，振动加剧，破损的电源线和机壳金属接触频率增加，电源线接地影响明显增大；当主轴承波动的最高温度超过动作值，该UNIC C2系统将输出保护停车信号使柴油机自动停车。

3 UNIC C2的传感器类故障

3.1 故障现象

该耙吸船正在施工挖泥的过程中，集控室AMS（机舱监视与报警系统）显示右主机重大故障报警，驾驶台控制面板上右主机负荷指示来回波动，并且要求功率降低指示灯亮起，当班轮机员通过观察也发现机舱集控室推进控制柜PCU显示屏上右主机转速从520r/min到600r/min之间来回波动。

3.2 故障原因分析和处理

问题出现后，电机员立即着手分析故障，查找原因。首先使用手持测速仪到主机飞轮端现场检测主机转速，测试结果显示主机转速稳定在598r/min，属于主机的额定转速范围。既然主机实际转速没问题，那会不会是主机转速传感器有问题了？通过查看主机图纸发现主机转速传感器一共有4个，2个安装在飞轮端（ST196P、ST196S），2个安装在凸轮端（ST173、ST174），如图6所示。这4个传感器通过主机数据采集模块WTB-DE IOM接入主机MC主控箱内，其中2个转速传感器ST196P、ST196S接至主控模块MCM-11上，起调速作用；2个转速传感器ST173、ST174接至安保模块ESM上，并通过分路输出ST174的信号，将该转速信号传送至推进控制系统。PCU显示的转速信号波动，而实际主机运行的转速稳定，因此可以判断出故障来源可能出现在输入安保模块的转速传感器处。

在初步确定问题可能是由主机凸轮端的2个转速传感器（ST173，ST174）故障引起之后，在主机停车时将凸轮轴端端盖打开，测量好传感器与齿轮间隙后将2个传感器换新（注意传感器与齿轮之间的间隙一定要测量好，否则安装间隙不对的话可能会引起主机飞车等事故）。正常启动主机，发现主机转速稳定在600r/min，主机负荷指示稳定，逐渐加大主机负荷并脱合泥泵数次，主机转速依然稳定，故障排除。

图6 凸轮轴端转速传感器

3.3 传感器类故障特点

事后查看主机维修保养记录发现，右主机凸轮端2个转速传感器在2018年3月份换新过，一年不到，又出现损坏。此主机的转速传感器故障率明显偏高，而其他压力、温度传感器的故障率在可接受范围内。船员申请这个转速传感器的数量一般都要10个以上，可见此类传感器更换之频繁。传感器和机侧的模块一样，都工作在恶劣的环境下，中速机震动比低速机剧烈，尤其是在主机高负荷的时候特别明显，这就使得主机的这些传感器既要承受高温，又要受剧烈振动的影响，从而大大缩短了它们的正常使用寿命。

4 结语

UNIC C2主机监控系统的优点虽然较多，但在设计时只考虑机器本身的紧凑性和试验的便利性，而使系统的模块类故障、通讯线路类故障和传感器类故障增加，整个使用周期内故障率升高。

为了降低故障率，首先建议设计上可以将各个模块的安装位置独立于柴油机，模块和传感器之间可以通过硬线或者无线连接，目的是避免机器的剧烈振动和散发的热量影响到各个模块和线路。例如MAN的V32/40主机就将各类模块集中在机舱的集控室里，从而避免柴油机本身高振、高温的影响，降低模块的故障率。再次，船舶电机员在平时的施工过程中要注意检查主机各类传感器的工作状态，包括传感器信号传输线和电源线，以及防止这类线因为主机震动而与机身摩擦；在船舶抛锚停车时做好主机传感器的维护保养工作，尽可能地提高传感器的使用寿命，以充分保证主机监控系统运行的稳定性。