船用柴油機(jī)排氣系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)功能改進(jìn)設(shè)計(jì)

胡繼敏劉海松李 翔

（1.海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 201913；2.海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山316000；3.中國(guó)人民解放軍海軍92001部隊(duì) 青島266000）

船用柴油機(jī)排氣系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)功能改進(jìn)設(shè)計(jì)

胡繼敏1劉海松2李 翔3

（1.海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 201913；2.海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山316000；3.中國(guó)人民解放軍海軍92001部隊(duì) 青島266000）

針對(duì)某型船用柴油機(jī)存在的排氣系統(tǒng)管路積水情況下柴油機(jī)無(wú)法自動(dòng)停機(jī)保護(hù)的安全隱患，提出應(yīng)急情況下柴油機(jī)安全聯(lián)鎖保護(hù)方案，并對(duì)聯(lián)鎖保護(hù)控制電路進(jìn)行自診斷功能設(shè)計(jì)，不僅可以在排氣系統(tǒng)管路積水達(dá)到危險(xiǎn)水位時(shí)控制柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)，而且當(dāng)系統(tǒng)功能故障時(shí)，可以通過(guò)自診斷功能將故障定位至可更換單元。

船用柴油機(jī)；排氣系統(tǒng)；聯(lián)鎖保護(hù)；自診斷；電路設(shè)計(jì)

引 言

某型船以柴油機(jī)作為主動(dòng)力裝置，用于船只操控以及為人員、設(shè)備用電提供原動(dòng)力。與陸上用柴油機(jī)不同的是，船用柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，因此對(duì)柴油機(jī)的性能要求也更高，控制難度也更大。為確保柴油機(jī)安全可靠工作，通常需要對(duì)一些重要參數(shù)（如冷卻水溫度、滑油溫度、滑油壓力等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)參數(shù)越界，需要進(jìn)行聲光報(bào)警。此外，通常還需要設(shè)置一些安全聯(lián)鎖保護(hù)功能，例如，船用柴油機(jī)工作時(shí)，燃油燃燒所需空氣是從船舶艙室直接吸入的，如果柴油機(jī)工作過(guò)程中由于某種原因?qū)е屡撌疫M(jìn)氣受阻，艙內(nèi)氣壓降低到一定程度，柴油機(jī)應(yīng)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)，以免對(duì)人員和設(shè)備安全造成損害［1］。

某型船用柴油機(jī)在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在如下安全隱患：由于該型柴油機(jī)排氣口在水線以下，海水可能會(huì)倒灌進(jìn)入排氣系統(tǒng)管路，雖然排氣系統(tǒng)管路上設(shè)置有集水箱，并通過(guò)安裝在排氣系統(tǒng)集水箱下部的液位傳感器和疏水閥，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疏水功能（當(dāng)排氣系統(tǒng)管路積水達(dá)到集水箱液位傳感器安裝位置時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)疏水閥將積水排出），但如果疏水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)管路積水無(wú)法及時(shí)排出，而該型柴油機(jī)在排氣系統(tǒng)管路積水達(dá)到危險(xiǎn)水位時(shí)，無(wú)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能，這給柴油機(jī)正常工作帶來(lái)一定安全隱患，一旦有水倒灌進(jìn)入柴油機(jī)氣缸，甚至?xí)鹨簱舻劝踩鹿省?/p>

為此，根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際工作需求，需要增加排氣系統(tǒng)積水達(dá)到危險(xiǎn)水位情況下聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能。具體技術(shù)要求如下：

（1）應(yīng)急情況下能控制柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。

（2）不能影響柴油機(jī)原有正常工作。

（3）具備自診斷功能，一旦聯(lián)鎖保護(hù)功能故障，能自動(dòng)診斷故障原因，定位故障位置，提高系統(tǒng)測(cè)試性。

1 測(cè)試性設(shè)計(jì)分析

柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和系統(tǒng)集成度都很高，一方面提高了設(shè)備的總體性能，為日常操作使用提供了便利，但是其存在內(nèi)部故障信息獲取困難，對(duì)人員測(cè)試、診斷與維修保障能力提出了更高的要求和挑戰(zhàn)［2-3］。傳統(tǒng)的以人工測(cè)試、外部測(cè)試為主的測(cè)試診斷模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代裝備測(cè)試保障需求。

測(cè)試性設(shè)計(jì)的目的是使設(shè)備能及時(shí)、準(zhǔn)確地確定自身狀態(tài)（正常工作、局部故障或全局故障），并能對(duì)故障進(jìn)行有效隔離。測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)要求在設(shè)計(jì)階段就在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時(shí)，綜合考慮系統(tǒng)的測(cè)試診斷問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置機(jī)內(nèi)、機(jī)外測(cè)試接口或測(cè)試電路的方式，提高設(shè)備的測(cè)試、診斷和維修效能，可以從根本上解決設(shè)備測(cè)試診斷的難題［4-7］。

在某型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)管路積水情況下，應(yīng)急聯(lián)鎖保護(hù)功能改進(jìn)工作實(shí)施過(guò)程，將聯(lián)鎖保護(hù)控制電路的測(cè)試性和維修性置于與停機(jī)保護(hù)控制功能實(shí)現(xiàn)同等重要的地位。這一方面是實(shí)際工作需求的牽引，不僅可以提高設(shè)備的測(cè)試性和人員對(duì)設(shè)備的維修保障能力，也有利于設(shè)備總體效能的發(fā)揮；另一方面也是船用機(jī)電設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要方向和趨勢(shì)。

2 停機(jī)保護(hù)方案

柴油機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能總體方案如圖1所示。聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要分為傳感器選型安裝、信號(hào)調(diào)理、輸出顯示、控制電路、自診斷電路等部分。

圖1 聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能總體方案

柴油機(jī)排氣系統(tǒng)有水情況下的聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)思路是：通過(guò)在排氣系統(tǒng)管路中合理位置安裝液位傳感器，將管路積水的水位在集控室進(jìn)行顯示，以供操作人員實(shí)時(shí)掌握排氣系統(tǒng)管路積水情況；同時(shí)，將該液位信號(hào)進(jìn)行處理后與比較電路中預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)，將該信號(hào)與柴油機(jī)控制系統(tǒng)中原有的其他聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)并聯(lián)，接入停機(jī)控制電路，控制柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。

2.1 傳感器選型和安裝

排氣系統(tǒng)液位傳感器選擇常用的電容式液位傳感器，其基本原理是：在有水狀態(tài)和無(wú)水狀態(tài)下；金屬極板間電容值不同，因此可以根據(jù)電容值的變化情況計(jì)算電容極板間有水部分和無(wú)水部分的比例，結(jié)合傳感器安裝位置，即可得到排氣管路積水的液位值［8-9］。該型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中安裝一個(gè)集水箱，其作用之一就是收集排氣系統(tǒng)管路中倒灌進(jìn)來(lái)的積水，疏水系統(tǒng)的液位傳感器和電磁閥安裝于集水箱下部?？紤]到實(shí)際控制作用的實(shí)施和現(xiàn)場(chǎng)安裝可行性，加裝的液位傳感器將安裝于集水箱中上部，一方面用于監(jiān)測(cè)集水箱液位，一旦達(dá)到危險(xiǎn)水位，就產(chǎn)生聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)，控制柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)；另一方面，集水箱為可拆卸式結(jié)構(gòu)，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.2 信號(hào)調(diào)理

液位傳感器送出的模擬量信號(hào)一路經(jīng)濾波、整形等處理后，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)送入比較電路與設(shè)定值電壓進(jìn)行比較；另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后實(shí)時(shí)顯示。

2.3 輸出顯示

輸出顯示部分用于實(shí)時(shí)顯示液位傳感器指示的排氣系統(tǒng)積水情況，該顯示值的顯示范圍、報(bào)警和停機(jī)保護(hù)動(dòng)作值的確定等需要結(jié)合傳感器安裝位置和相關(guān)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試標(biāo)定。

2.4 控制電路

控制電路設(shè)計(jì)的基本思想是：經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后的電壓信號(hào)送入電壓比較器，并與電壓比較器設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，如果輸入電壓值大于設(shè)定值，說(shuō)明排氣系統(tǒng)管路液位值高于危險(xiǎn)值，則比較器輸出端接的繼電器得電，利用其常開(kāi)觸點(diǎn)作為聯(lián)鎖保護(hù)控制信號(hào)，輸出至柴油機(jī)控制系統(tǒng)，控制柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)；反之，如果輸入電壓值小于設(shè)定值，說(shuō)明排氣系統(tǒng)液位在安全范圍內(nèi)，繼電器不得電，無(wú)聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生，柴油機(jī)不停機(jī)。

2.5 自診斷電路

該型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)加裝的聯(lián)鎖保護(hù)功能裝置主體由液位傳感器和信號(hào)處理電路兩個(gè)可更換單元組成，為使該裝置在設(shè)計(jì)制造階段就具有良好的測(cè)試性，并且提高系統(tǒng)的可測(cè)試性和可維修性，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了自診斷電路，用于對(duì)電路進(jìn)行功能檢測(cè)。當(dāng)聯(lián)鎖保護(hù)功能失效時(shí)，通過(guò)自診斷功能，可以對(duì)控制電路進(jìn)行自檢，如果自檢結(jié)果顯示故障，則說(shuō)明控制電路本身故障；反之，如果自檢結(jié)果正常，則說(shuō)明液位傳感器故障。據(jù)此可將故障定位到可更換單元，方便維修和更換。

3 自診斷電路設(shè)計(jì)

自診斷功能電路的設(shè)計(jì)要求是：一是能對(duì)控制電路的主要器件功能進(jìn)行檢測(cè)；二是不能對(duì)控制電路正常工作產(chǎn)生影響。基于以上兩點(diǎn)設(shè)計(jì)的自診斷功能電路原理圖見(jiàn)下頁(yè)圖2。

如圖2 所示，控制電路中的工作繼電器P2為柴油機(jī)排氣系統(tǒng)聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)電路中產(chǎn)生控制信號(hào)的繼電器，該繼電器的功能正常與否，決定了應(yīng)急情況下聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)能否順利產(chǎn)生并控制柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)。由于自診斷過(guò)程中需要對(duì)工作繼電器P2施加激勵(lì)信號(hào)，因此，為避免自診斷電路與控制電路的工作產(chǎn)生相互干擾，設(shè)計(jì)時(shí)使兩者不能同時(shí)工作，即控制電路工作過(guò)程中，不允許進(jìn)行自診斷；對(duì)控制電路進(jìn)行自診斷時(shí)，控制電路也應(yīng)處于非工作狀態(tài)。該聯(lián)鎖控制功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制電路中的常閉觸點(diǎn)P4_1 和自診斷電路中的常閉觸點(diǎn)P1_3實(shí)現(xiàn)：

（1）常閉觸點(diǎn)P4_1為控制電路工作指示觸點(diǎn)，當(dāng)控制電路工作時(shí)，該觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)，即使按下自診斷檢查按鈕K1，自診斷繼電器P1也無(wú)法得電，無(wú)法對(duì)電路進(jìn)行自診斷。

（2）常閉觸點(diǎn)P1_3為自診斷電路聯(lián)鎖觸點(diǎn)，當(dāng)自診斷繼電器P1得電，開(kāi)始自診斷過(guò)程時(shí)，常閉觸點(diǎn)P1_3斷開(kāi)，切斷控制電路對(duì)工作繼電器P2的控制，確保自診斷功能獨(dú)立進(jìn)行。

常閉觸點(diǎn)P4_1和P1_3起互鎖控制作用，確保了控制電路和自診斷電路不能同時(shí)工作。

圖2 自診斷電路原理圖

自診斷電路工作過(guò)程如下：

（1）按下“開(kāi)始診斷檢查”按鈕，自診斷繼電器P1得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)P1_1和P1_2閉合，常閉觸點(diǎn)P1_3斷開(kāi)。

為確?？刂齐娐泛妥栽\斷電路可靠互鎖，設(shè)置開(kāi)始診斷檢查按鈕K1和K1′為聯(lián)動(dòng)按鈕，即：按下“開(kāi)始診斷檢查”按鈕時(shí)，K′同步接通；不按下“開(kāi)始診斷檢查”按鈕時(shí)，K′斷開(kāi)，避免控制電路信號(hào)對(duì)自檢電路中的系統(tǒng)故障繼電器P3和系統(tǒng)正常指示燈產(chǎn)生干擾。

（2）P1_1閉合，使得自診斷繼電器P1回路在松開(kāi)“開(kāi)始診斷檢查”按鈕后仍自鎖供電。

（3）P1_2閉合，如果控制電路中的工作繼電器P2正常，則：

① 常開(kāi)觸點(diǎn)P2_1閉合，使得控制系統(tǒng)繼電器P2回路自鎖供電。

② 常閉觸點(diǎn)P2_2斷開(kāi)，系統(tǒng)故障繼電器P3不得電，常開(kāi)觸點(diǎn)P3_1保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，系統(tǒng)故障指示燈不亮；常閉觸點(diǎn)P3_2保持接通狀態(tài)，系統(tǒng)正常指示燈亮，表示控制電路功能正常。

（4）P1_2閉合，如果控制系統(tǒng)繼電器P2故障，則：

① 常開(kāi)觸點(diǎn)P2_1保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，控制系統(tǒng)繼電器P2回路在松開(kāi)“開(kāi)始檢查按鈕”后無(wú)法自鎖供電。

② 常閉觸點(diǎn)P2_2保持接通狀態(tài)，系統(tǒng)故障繼電器P3得電，常開(kāi)觸點(diǎn)P3_1接通，系統(tǒng)故障指示燈亮，常閉觸點(diǎn)P3_2斷開(kāi)，系統(tǒng)正常指示燈不亮，表示控制電路功能故障。

（5）P1_3斷開(kāi)，避免控制電路對(duì)自診斷工作過(guò)程產(chǎn)生影響。

在柴油機(jī)日常工作過(guò)程中，通過(guò)自診斷功能可以檢測(cè)排氣系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)電路正常與否，當(dāng)聯(lián)鎖保護(hù)功能失效時(shí)，通過(guò)自診斷功能可以分辨出是否為控制電路故障，從而將故障定位到可更換單元一級(jí)。

4 結(jié) 論

某型船用柴油機(jī)由于其特殊的工作環(huán)境，其排氣系統(tǒng)廢氣排出口布置于水線以下，存在舷外海水倒灌進(jìn)入排氣系統(tǒng)管路的風(fēng)險(xiǎn)，而該型柴油機(jī)在排氣系統(tǒng)管路積水情況下，沒(méi)有柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)的安全保護(hù)措施。一旦出現(xiàn)海水倒灌，排氣系統(tǒng)管路積水過(guò)多無(wú)法及時(shí)排出的情況，將會(huì)對(duì)柴油機(jī)的正常工作造成重大安全隱患。為此，本文提出應(yīng)急情況下的柴油機(jī)安全聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)方案，并對(duì)聯(lián)鎖保護(hù)控制電路進(jìn)行自診斷功能設(shè)計(jì)，通過(guò)自診斷功能可將系統(tǒng)故障定位到可更換單元一級(jí)，不僅成功實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)管路積水情況下的安全聯(lián)鎖保護(hù)，而且所設(shè)計(jì)電路易于測(cè)試和維修，可滿足柴油機(jī)安全聯(lián)鎖保護(hù)需求。

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Improvement design of interlock protection function for exhaust system of marine diesel engine

HU Ji-min1LIU Hai-song2LI Xiang3
（1.Naval Military Reprentative Offi ce in Jangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 201913，China；2.Naval Military Reprentative Offi ce in Wenzhou.Zhoushan 316000，China；3.Navy 92001 Troops，Qingdao 266000，China）

Aiming at the potential safety problems that a certain marine diesel engine cannot be automatically shut down under the condition of water leakage in the exhaust piping system，the safety interlock protection scheme in the emergency is put forward.The self-diagnostic function design of the interlock protection control circuit is produced to control the automatic shutdown when the exhaust piping water reaches to the dangerous water level，and the fault can be located to a replaceable unit when the system breaks down.

marine diesel engine，exhaust system，interlock protection，self-diagnosis，circuit design

TK42，TP274

A

1001-9855（2016）05-0064-05

2016-06-12；

2016-07-14

胡繼敏（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：艦船動(dòng)力及熱力系統(tǒng)的科學(xué)管理。劉海松（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：輪機(jī)工程。李 翔（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：輪機(jī)工程。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.064