柴油机转速传感器信号无法采集的故障分析

摘要：针对康明斯康明斯型柴油机控制箱调试时出现的柴油机转速传感器信号无法采集的问题进行分析。分析表明故障原因系转速传感器和PLC匹配不合理，导致柴油机转速无法被采集。通过对二者的接线方式进行分析和改进，合理解决了该问题，并作为改进措施引入后续康明斯发电机组项目。

一、转速传感器的故障情况

      随着现代科技的快速发展，柴油机控制的自动化程度越来越高，如从早期的基于继电器的设计到基于可编程逻辑控制器（PLC）的设计。但是在应用过程中会出现如因对PLC及相应采集元件的原理掌握不够，从而在设计时出现两者不匹配，导致信号无法正常采集等故障。

      本文结合康明斯公司在台架试验现场进行柴油机机旁控制箱功能试验时，出现柴油机转速传感器信号无法被S7-200系列PLC采集的案例，分析原因并提出改进措施，为后续转速传感器的匹配设计提供参考。康明斯公司在台架试验现场进行康明斯项目柴油机机旁控制箱配机调试时，发现该项目的3台柴油发电机组的转速传感器信号均无法采集，对柴油机安保功能的实现造成较大影响。

二、转速传感器的原因分析

      该项目机旁控制屏由西门子S7-200系列PLC构成安全、控制和报警3个系统。2个转速传感器分别接入安全系统和控制系统，利用PLC高速计数口对2个速度传感器输出的脉冲信号进行处理并计算出柴油机实时转速。转速传感器品牌为日本MEIYO。MEIYO转速传感器为磁电式转速传感器。该项目的传感器安装在柴油机罩壳上，并对准测速齿轮。测速齿轮的齿顶和齿槽交替经过传感器并切割磁力线，磁隙的变化引起磁阻的变化，在线圈中感应电势也随之变化，从而输出一个感应电势脉冲。对感应电势脉冲进行放大、整形后对外输出。PLC的高速计数口对转速传感器输出的脉冲电压进行采集，通过采集1s内的脉冲数，并经过程序计算后得出柴油机的转速。西门子S7-200该系列PLC高速计数口可识别的逻辑“1”对应的电平为15～26 VDC，也就是说转速传感器的脉冲电压的高电平须在15～26 VDC之间。

      为查找故障具体原因，进行了如下几个方面的定性分析。

（1）从故障情况来看：3台机的6个转速传感器信号均无法采集，而且所有元件都经过入厂检验，合格后才入库。因此基本可以确定：此次故障非单一元件的质量问题所引起。

（2）对照接线图对6个转速传感器的接线情况进行了逐一检查，确认与图纸要求完全一致。

（3）为进一步查找原因，采用德国Noris转速传感器替代MEIYO转速传感器进行试验。经过反复多次的试验，各台机组机旁控制箱的PLC均能正常采集转速信号。基本可以确定故障系MEIYO转速传感器与PLC之间的匹配存在问题，同时也验证了PLC工作是正常的。

（4）为了找到两种转速传感器的差异，采用示波器分别对Noris转速传感器和MEIYO转速传感器输出的信号进行监测。

      从监测到的波形可以看出：MEIYO转速传感器输出的信号脉冲高电平在8 VDC左右，Noris转速传感器的脉冲高电平在20VDC左右。上文已经提到：根据西门子手册，高速计数口能采集的高电平范围为15～26VDC。MEIYO转速传感器输出的脉冲高电平仅为8VDC，与PLC端口的要求不符，因而出现转速脉冲信号无法被PLC采集的情况。

（5）经查阅转速传感器相关资料：传感器通过三极管对外输出脉冲电压。双极型三极管分为PNP型和NPN型。如图1所示。

图1  转速传感器三极管类型（输出脉冲电压）

      针对PNP和NPN两种类型的输出，对应的PLC分别有不同的接线方法。如图2所示，对于PNP型输出，当三极管输入电压大于开启电压Vov后，三极管导通，输出电压为高电平，满足PLC采集要求。对于NPN型输出，当三极管输入电压大于开启电压Vov后，三极管导通，输出电压为低电平，无法满足PLC采集要求。这也与示波器现场监测到的波形一致。通过增加上拉电阻，使得PLC高速计数口的电压为高电平，即可满足PLC的采集要求。

      通过更改接线，PLC采集的相当于是L+与I0.0之间的电平。对于NPN型输出，当三极管输入电压大于开启电压Vow后，三极管导通，此时L+与10.0.之间为高电平，满足PLC采集要求。

      从上述两种转速传感器的技术参数看：MEIYO转速传感器输出型式为NPN，Noris转速传感器输出型式为NPN和PNP。也就是说，Noris转速传感器既可按NPN型式接线也可按PNP型式接线，而MEIYO转速传感器只能按NPN型式接线。

图2  PNP型柴油机转速传感器接线方法

三、改进措施及效果

（1）根据以上分析，对现场的3台机的机旁控制箱按图2的接线方法，在PLC的I0.0和L+端子之间增加一个阻值为2.5 kΩ的上拉电阻。在完成该改进方案后，开机进行验证，安全系统和控制系统转速显示均正常，而且与柴油机上机械转速表的显示保持一致。

（2）再次对机旁控制箱按图5的接线方法更改PLC接线。整改完成后，同样进行开机验证，安全系统和控制系统转速显示正常，而且与柴油机上机械转速表的显示保持一致。

（3）通过以上分析和试验，验证了按图2接线方式均能满足PLC对NPN型转速传感器的信号采集功能。为统一标准，对于今后采用NPN型转速传感器，明确按图5的接线方法进行接线图的绘制和产品的制造。

总结：

      通过以上对故障情况的分析，并在后续项目图纸设计时按制定的措施落实，经多轮柴油机配机试验，均无转速信号无法采集的现象出现，证明该问题已得到了彻底解决。