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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
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随着电力电子技术的发展，以及船舶对于操纵性能、节能减排、舒适性等要求，电力推进船舶使用越来越广泛。得益于电机易于调速、升降速度快、转速调节范围宽、可灵活适配不同形式的推进器等特点，电力推进船胎拥有了传统动力船胎不可企及的高机动性。这也就对推进遥控系统的稳定性以及控制精度提出了更高要求。当遥控系统异常引发控制故障时，轻则影响船舶操纵，重则影响船舶安全。以一艘电力推进科考船为例，推进器形式为两台3 000 kW推进电机配备可调螺距螺旋奖，推进遥控系统为NORISTAR 4,本文将简要概述一起由遥控系统模拟量!0模块引起的螺距控制故障，旨在分享故障的解决过程，排査思路，在没有备件的情况下如何采取临时处理措施使螺距恢复正常控制的方法，以及提供针对该系统硬件存在的设计缺陷的改造方案，供同仁借鉴参考
1 系统结构
图1是NORISTAR 4推进遥控系统的结构图。该遥控系统是基于某自动化平台打造而成的PLC控制系统，可以控制螺旋奖的螺距和电机的转速，在改变螺距和转速的过程中，确保推进电机始终处于正常的工作状态，不会出现电机过载的情况。在电机出现故障时,可以自动减小螺距，降低电机的负荷。系统的核心部件是中央控制箱，内有32位的CPU、标准化的数字量和模拟量!O模块。CPU与名模块通过RS485总线进行通信，模块采集来自各类传感器的数据信号，输入输出采用标准的4~20 m A电流信号和0~10 V电压信号。集控室、驾驶室等操作站通过CAN总线与中央控制箱通信，CAN总线为两路独立冗余设计。每台推进器的螺距反馈盒内有两套螺距反馈电位器，1号电位器产生的反馈信号作为主螺距反馈信号到随动(Ful Folow-Up,FFU)控制系统用于螺距控制，2号电位器产生的反馈信号除了用于螺距指示外，还作为备用螺距反馈信号到FFU控制系统，当主螺距发生故障时，系统会自动切换至备用螺距反馈信号进行螺距控制。
2 故障现象及排查
某日，驾驶员起动主推进电机前，发现驾控台操作面板右螺距表指示为10%，此时左、右推进器操作手柄均在零位，查看右推进器集控室触摸操作面板参数页面，可知主螺距为零，备用螺距为10%，操作面板未发现任何报警项目。驾控台螺距表信号源为备用螺距反馈信号，集控室触摸操作面板螺距表信号源为主螺距反馈信号。为了验证主、备螺距反馈信号哪个为当前正确信号，观察右推进器螺距反馈单元的机械螺距指示值为正车5°。机械螺距表盘正车最大刻度为37.6°，此时机械螺距指示为5°，可算出螺距百分比为正车10%，机械螺距跟驾驶台螺距表指示一致，证明备用螺距反馈信号是正确的，主螺距反馈信号是错误的。因为遥控系统使用主螺距反馈信号用于反馈控制，所以该故障大体就是主螺距反馈信号发生错误导致执行机构以错误的反馈信号跟随操作手柄的命令。已知故障点出现在主螺距反馈信号上，那接下来的排查方向就是检查测量主螺距反馈信号传输路径上的各个节点的信号数值是否正常，从而找出具体故障点。首先检查在中央控制箱测量主螺距反馈信号电位器的参考电压值以及主螺距反馈信号的实时电压值是否正常。万用表设定为直流电压档，测量X1接线排的14和16号接线端子(见图2)，电压值为9.94V，该电压是控制系统D2模拟量10模块输出给主螺距反馈电位器的参考电压，标准值为10 V，测量结果与标准值相差极小，说明主螺距反馈信号电位器参考电压正常。然后测量主螺距反馈信号电压，万用表直流电压档测量X1接线排的14和15号端子，电压值为4.95 V，对比测量备用螺距反馈信号电压,万用表直流电压档测量X2接线排6和7号端子，电压值为4.98 V。两路螺距反馈信号电压值相差很小，可判断主螺距反馈电位器输出信号正常。主螺距反馈信号的传输路径自电位器经线路、端子排后送入D2模拟量!O模块，为了排除线路及接插件对信号的干扰，万用表直接测量D2模块对应的螺距信号输入端口X10:5和X10:6，测量数值为4.95 V，数值无变化。证明主螺距反馈信号在输入D2模拟量10模块前是正常的。
图2 螺距反馈信号电路
经过上述排查后，故障范围进一步缩小，故障可能存在的地方有两个，分别是D2模拟量I0模块和CPU。根据故障现象判断，D2模拟量!0模块故障的可能性比较大，因为一般情况下，CPU故障通常会引起系统的崩溃。要验证D2模拟量!0模块是否存在故障，只需对比中D2模拟量10模块外理后的螺距信号数值与测量值是否存在偏差即可。查阅系统说明书得知，在集控室触摸屏操作面板进入模拉量输入界面，可以获取主螺距反馈信号数值。随着时间的推移，实际螺距与操作手柄命令偏差逐渐增大，在航状态再次测量主螺距反馈信号电压值为6.53 V，此时操作手柄命令是正车50%，操作面板模拟量输入界面显示主螺距反馈信号数值为6117(见图3)，该数值的大小为实际电压值x1 000。此数值明显与测量值不相符，由此可知主螺距反馈信号在经过D2模拟量10模块处理过程中发生畸变，处理过后的信号数值总是比实际值要大，从而导致螺距控制的漂移。
图3 操作面板模拟量输入界面
因在海上航行，船上没有备件，只能继续跟踪观察故障走向，驾控台需按照备用螺距指示操纵右推进器，当左右两台推进器实际螺距一致时，驾驶台左右操作手柄就有偏差，右操纵手柄设定值总是比左操纵手柄的要小，随航行时间增长，该偏差会越来越大。
3 故障分析及处理措施
3.1故障分析
根据设备技术说明书Schottel CPP Remote System得知，当主螺距反馈信号故障时，NORISTAR 4遥控系统会自动切换至备用螺距反馈信号用于螺距控制。但此次主螺距反馈信号故障发生时，各地操作面板没有出现任何报警，系统也没有切换至备用螺距反馈信号进行螺距控制。原因是此次故障是由主螺距反馈信号发生错误漂移引起的，执行机构以错误的反馈信号快速跟随操作手柄的命令当螺距稳定时，系统接收到的主螺距反馈信号与操作手柄命令是一致的，两者之间未存在偏差，对于控制系统来说，并没有异常，所以不会输出错向报警。但实际上，备用螺距反馈值(与机械螺距一致)跟主螺距反馈信号值有偏差，备用螺距指示值才是实际正确的螺距。以故障发生第一天为例，驾驶台若设定操纵手柄命令为前进18%左右，螺距跟随结束后，集控室主螺距指示为18%，而驾驶台螺距表指示却为35%(与机械螺距一致)。所以这时驾驶台只能根据螺距指示表来操车，无法以操作手柄上的命令操车。另外，主螺距反馈信号虽然发生错误漂移，但是主螺距反馈信号仍然在标定范围内，未达到程序设定的反馈信号故障报警条件所以PLC控制系统未输出主螺距反馈信号故障报警。在集控室操作面板的模拟量输入界面可获取推进器的螺距反馈信号的标定数值这些标定数值是固定的，是在设备安装调试时服务商根据船舶性能所设定。由图3可知，右推进器主螺距反馈信号正车最大标定数值为8 110，倒车最大标定数值为2765。当前右推进器主螺距反馈信号数值为6 117，备用螺距反馈信号数值为7 028，对比可知主螺距反馈信号数值不准确，但信号数值未超出正车与倒车最大标定数值范围，因此系统未输出故障报警。那接下来只要对主螺距反馈信号线进行拆除即可验证以上分析，因为主螺距反馈信号线拆除后，会导致D2模拟量10模块的主螺距反馈信号端口的输入电压值为零，这时D2模块对信号处理后的数值为0，显然这时的主螺距反馈信号数值已超出标定值范围，系统必然会输出主螺距信号故障报警，同时切换至备用螺距反馈信号进行螺距控制。备用螺距反馈信号故障报警条件与主螺距反馈信号故障报警条件一样，当反馈信号值超出备用螺距反馈信号标定范围时，才会输出备用螺距反馈信号故障报警，并且主、备螺距反馈信号之间不作比较，没有偏差报警项目。除了系统程序未给出报警之外，此次故障发生后D2模拟量10模块的主螺距反馈信号输入通道指示灯正常，未出现闪烁、红灯等故障指示。此现象通常是由模块内部电路某些电子元器件的退化失效引起的。元件的退化失效!是指元器件参数逐渐变差、性能逐渐降低。元件退化失效会引起系统局部功能丧失，甚至导致整个系统无法工作。因此，当元器件退化失效初期，电路系统并未恶化至短路或开路，相关电路仍可运行，未触发模块的故障指示灯工作。
3.2处理措施
随着时间推移，右推进器螺距漂移量越来越大。表1是故障发生后的主、备用螺距数据记录结果。
注:表格数据是根据船舶在海上作业时不同操作手柄命令记录所得,
数据记录显示螺距漂移量越来越大，已严重影响驾驶台对船舶操纵，需尽快拆除主螺距反馈信号线，使螺距控制恢复正常。在拆除主螺距反馈信号前，先要把主推进操纵方式切换至非随动(Non-Follow-Up,NFU)控制，目的是让系统切换至备用螺距反馈信号工作时，螺距不跟随操纵手柄的动作。若不切换至NFU控制，直接拆主螺距反馈信号线，结果会导致系统切换至备用螺距反馈信号控
制后螺距立刻跟随操作手柄的命令而变化，但此时的手柄外干错误的位置，会影响船舶操控，甚至会影响船舶安全。主推进操纵方式的切换操作步骤是:在当前FFU操纵方式下设定为变速模式(FFU操纵方式下有三种控制模式，分别是组合模式定速模式、变速模式)，变速模式可独立操纵螺距及电机转速，调节操作手柄同时观察备用螺距指示，直到螺距指示为零，再把推进电机的转速调到最低(200 r/min)，使推进器工作在最小负荷。接下来在驾驶室按 "NFU ON”按钮，“NFU ON”指示灯变亮，驾驶室“TAKE OVER ACCEPT”指示灯闪烁，此时为NFU控制，且“NFU BRIDGE AERA”指示灯变亮，“BRIDGE CONTROL”指示灯熄灭。在右推进遥控系统中央控制箱内拆除X1接线排15号端子(见图2)，集控室面板随即出现主螺距反馈信号故障报警，报警代码为00003，报警内容为“Actual pitch CPp signa”。对操作面板消音后，集控室及驾驶台面板故障报警灯常亮。接下来验证系统是否已切换至备用螺距反馈信号进行螺距控制，驾驶台操作手柄设定归零，按下“TAKE OVER ACCEPT”按钮，"BRIDGE CONTROL”指示灯变亮，“NFU BRIDGE AERA”指示灯熄灭，此时已切换为FFU控制，操作手柄先后设定几个螺距命令，观察螺距指示表针变化，表针显示螺距准确跟随操作手柄命令，说明螺距控制恢复正常。此时集控室面板的主螺距显示为-230.2%，1根据断线电压0 V计算出的螺距为-230.179%，两者对比可知，-230.2%符合主螺距反馈信号断线后的指示值。
4故障解决
船舶靠港后，左、右推进器按操作规程正常停机。D2模拟量!0模块的备件已采购上船，接下来更换该模块进行测试。先切断NORISTAR 4遥控系统的控制电源，拆除D2模块的所有接线，并做好标记，卸下D2模块。新模块安装前对照旧模块设定好通信地址码，用字螺丝刀轻轻旋动地址码旋钮至对应位置。按先前的标记接线，接插件紧固妥当，检查无误后系统上电运行。PLC控制系统正常运行，集控室面板与驾控台面板报警自动消除，查看集控室操作面板模拟量输入界面发现主螺距反馈信号与备用螺距反馈信号基本-致，操纵驾驶台手柄，螺距准确跟随操作手柄的命令，由此故障彻底解决。
5硬件设计缺陷及改造方案
根据文献，船舶的自动化系统在一般围蔽处和有空调的围蔽处所所应能在5~55℃环境温度下正常工作。本船的中央控制箱安装位置处于集控室，配有空调制冷，环境温度保持在25℃左右，该温度处在自动化设备正常工作温度要求之内，理论上是很适合自动化设备运行的。但NORISTAR4遥控系统的中央控制箱为密闭箱，根据长时间运行观察，控制箱内部的PLC、I0模块以及电源模块均会产生很多热量，密闭的控制箱没有冷却风扇换热，内部热量聚集无法散开，箱内温度会偏高，个别模块的温度可升高至60~70℃，这对各模块的运行造成了不利影响，缩短了!模块的使用寿命。为此，在系统运行期间把控制箱门打开，各模块温度明显下降，经过相当长一段时间的运行验证，未再出现过模块故障的现象。
为了彻底解决控制箱内部散热问题，延长各元器件的寿命，增强NORISTAR 4遥控系统的可靠性，决定对中央控制箱进行改造。增设散热风扇，使控制箱内的空气实时与外界交换，降低控制箱内工作温度，增设带过滤棉的百叶窗式进出风口，防止灰尘对精密元器件的影响。中央控制箱改造后重新投入运行期间，用手持测温仪对中央控制箱内部各区域、模块进行测量，温度最高处不超过45℃℃，冷却散热效果良好。
6结束语
船舶管理者在平时工作中需要深入研究设备说明书，多思考，注重积累，明确电气系统中的关键参数标准值，可以使故障排查过程事半功倍。另外，如今电气模块的集成度越来越高，若发生电气模块故障时，大多数只能通过更换新模块来解决，所以船上提前备好重要设备的电气模块显得尤为重要，尤其是应急设备和动力相关的设备。在没有备件替换的情况下，考验的就是管理者对设备的款恶程度，灵活利用设备说明书提供的关键信息，分析原理，找到有效的临时措施使设备恢复正常运行或减缓故障的影响。从以上解决问题和分析的过程可以看出，温度是影响电气元件寿命的重要因素，因此建议船用设备厂家在产品研发及验证阶段需充分考虑设备控制箱内电气元件工作时的产热量问题，除了要采用稳定性好、耐高温的电子元器件之外，更要做好散热措施，可大大减少由控制元件引起的电气故障。
参考文献：
[1]戴文军.某电力推进船舶螺距控制故障实例[J].航海技术,2024,(05):56-60.
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