船用柴油機排氣系統聯鎖保護功能改進設計

胡繼敏劉海松李 翔

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

船用柴油機排氣系統聯鎖保護功能改進設計

胡繼敏1劉海松2李 翔3

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

針對某型船用柴油機存在的排氣系統管路積水情況下柴油機無法自動停機保護的安全隱患，提出應急情況下柴油機安全聯鎖保護方案，并對聯鎖保護控制電路進行自診斷功能設計，不僅可以在排氣系統管路積水達到危險水位時控制柴油機自動停機，而且當系統功能故障時，可以通過自診斷功能將故障定位至可更換單元。

船用柴油機；排氣系統；聯鎖保護；自診斷；電路設計

引 言

某型船以柴油機作為主動力裝置，用于船只操控以及為人員、設備用電提供原動力。與陸上用柴油機不同的是，船用柴油機工作環境惡劣，工況復雜，因此對柴油機的性能要求也更高，控制難度也更大。為確保柴油機安全可靠工作，通常需要對一些重要參數（如冷卻水溫度、滑油溫度、滑油壓力等）進行監測，一旦出現參數越界，需要進行聲光報警。此外，通常還需要設置一些安全聯鎖保護功能，例如，船用柴油機工作時，燃油燃燒所需空氣是從船舶艙室直接吸入的，如果柴油機工作過程中由于某種原因導致艙室進氣受阻，艙內氣壓降低到一定程度，柴油機應自動停機保護，以免對人員和設備安全造成損害［1］。

某型船用柴油機在使用過程中，發現存在如下安全隱患：由于該型柴油機排氣口在水線以下，海水可能會倒灌進入排氣系統管路，雖然排氣系統管路上設置有集水箱，并通過安裝在排氣系統集水箱下部的液位傳感器和疏水閥，可以實現自動疏水功能（當排氣系統管路積水達到集水箱液位傳感器安裝位置時，自動打開疏水閥將積水排出），但如果疏水系統出現故障，導致排氣系統管路積水無法及時排出，而該型柴油機在排氣系統管路積水達到危險水位時，無自動停機保護功能，這給柴油機正常工作帶來一定安全隱患，一旦有水倒灌進入柴油機氣缸，甚至會引起液擊等安全事故。

為此，根據柴油機實際工作需求，需要增加排氣系統積水達到危險水位情況下聯鎖停機保護功能。具體技術要求如下：

（1）應急情況下能控制柴油機自動停機保護。

（2）不能影響柴油機原有正常工作。

（3）具備自診斷功能，一旦聯鎖保護功能故障，能自動診斷故障原因，定位故障位置，提高系統測試性。

1 測試性設計分析

柴油機監控系統的自動化程度和系統集成度都很高，一方面提高了設備的總體性能，為日常操作使用提供了便利，但是其存在內部故障信息獲取困難，對人員測試、診斷與維修保障能力提出了更高的要求和挑戰［2-3］。傳統的以人工測試、外部測試為主的測試診斷模式已經不能滿足現代裝備測試保障需求。

測試性設計的目的是使設備能及時、準確地確定自身狀態（正常工作、局部故障或全局故障），并能對故障進行有效隔離。測試性設計技術要求在設計階段就在實現系統功能的同時，綜合考慮系統的測試診斷問題，通過設置機內、機外測試接口或測試電路的方式，提高設備的測試、診斷和維修效能，可以從根本上解決設備測試診斷的難題［4-7］。

在某型柴油機排氣系統管路積水情況下，應急聯鎖保護功能改進工作實施過程，將聯鎖保護控制電路的測試性和維修性置于與停機保護控制功能實現同等重要的地位。這一方面是實際工作需求的牽引，不僅可以提高設備的測試性和人員對設備的維修保障能力，也有利于設備總體效能的發揮；另一方面也是船用機電設備發展的一個重要方向和趨勢。

2 停機保護方案

柴油機聯鎖停機保護功能總體方案如圖1所示。聯鎖停機保護控制系統的實現主要分為傳感器選型安裝、信號調理、輸出顯示、控制電路、自診斷電路等部分。

圖1 聯鎖停機保護功能總體方案

柴油機排氣系統有水情況下的聯鎖停機保護功能實現思路是：通過在排氣系統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行顯示，以供操作人員實時掌握排氣系統管路積水情況；同時，將該液位信號進行處理后與比較電路中預先設定的標準值進行比較，當達到設定值時，輸出聯鎖保護信號，將該信號與柴油機控制系統中原有的其他聯鎖保護信號并聯，接入停機控制電路，控制柴油機自動停機保護。

2.1 傳感器選型和安裝

排氣系統液位傳感器選擇常用的電容式液位傳感器，其基本原理是：在有水狀態和無水狀態下；金屬極板間電容值不同，因此可以根據電容值的變化情況計算電容極板間有水部分和無水部分的比例，結合傳感器安裝位置，即可得到排氣管路積水的液位值［8-9］。該型柴油機排氣系統中安裝一個集水箱，其作用之一就是收集排氣系統管路中倒灌進來的積水，疏水系統的液位傳感器和電磁閥安裝于集水箱下部。考慮到實際控制作用的實施和現場安裝可行性，加裝的液位傳感器將安裝于集水箱中上部，一方面用于監測集水箱液位，一旦達到危險水位，就產生聯鎖保護信號，控制柴油機自動停機；另一方面，集水箱為可拆卸式結構，便于現場安裝。

2.2 信號調理

液位傳感器送出的模擬量信號一路經濾波、整形等處理后，轉換為標準的電壓信號送入比較電路與設定值電壓進行比較；另一路經A/D轉換變為數字信號后實時顯示。

2.3 輸出顯示

輸出顯示部分用于實時顯示液位傳感器指示的排氣系統積水情況，該顯示值的顯示范圍、報警和停機保護動作值的確定等需要結合傳感器安裝位置和相關參數對應關系進行現場調試標定。

2.4 控制電路

控制電路設計的基本思想是：經信號調理電路處理后的電壓信號送入電壓比較器，并與電壓比較器設定的電壓值進行比較，如果輸入電壓值大于設定值，說明排氣系統管路液位值高于危險值，則比較器輸出端接的繼電器得電，利用其常開觸點作為聯鎖保護控制信號，輸出至柴油機控制系統，控制柴油機自動停機；反之，如果輸入電壓值小于設定值，說明排氣系統液位在安全范圍內，繼電器不得電，無聯鎖保護信號產生，柴油機不停機。

2.5 自診斷電路

該型柴油機排氣系統加裝的聯鎖保護功能裝置主體由液位傳感器和信號處理電路兩個可更換單元組成，為使該裝置在設計制造階段就具有良好的測試性，并且提高系統的可測試性和可維修性，專門設計了自診斷電路，用于對電路進行功能檢測。當聯鎖保護功能失效時，通過自診斷功能，可以對控制電路進行自檢，如果自檢結果顯示故障，則說明控制電路本身故障；反之，如果自檢結果正常，則說明液位傳感器故障。據此可將故障定位到可更換單元，方便維修和更換。

3 自診斷電路設計

自診斷功能電路的設計要求是：一是能對控制電路的主要器件功能進行檢測；二是不能對控制電路正常工作產生影響。基于以上兩點設計的自診斷功能電路原理圖見下頁圖2。

如圖2 所示，控制電路中的工作繼電器P2為柴油機排氣系統聯鎖停機保護電路中產生控制信號的繼電器，該繼電器的功能正常與否，決定了應急情況下聯鎖保護信號能否順利產生并控制柴油機自動停機。由于自診斷過程中需要對工作繼電器P2施加激勵信號，因此，為避免自診斷電路與控制電路的工作產生相互干擾，設計時使兩者不能同時工作，即控制電路工作過程中，不允許進行自診斷；對控制電路進行自診斷時，控制電路也應處于非工作狀態。該聯鎖控制功能的實現通過控制電路中的常閉觸點P4_1 和自診斷電路中的常閉觸點P1_3實現：

（1）常閉觸點P4_1為控制電路工作指示觸點，當控制電路工作時，該觸點斷開，此時，即使按下自診斷檢查按鈕K1，自診斷繼電器P1也無法得電，無法對電路進行自診斷。

（2）常閉觸點P1_3為自診斷電路聯鎖觸點，當自診斷繼電器P1得電，開始自診斷過程時，常閉觸點P1_3斷開，切斷控制電路對工作繼電器P2的控制，確保自診斷功能獨立進行。

常閉觸點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工作。

圖2 自診斷電路原理圖

自診斷電路工作過程如下：

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

為確保控制電路和自診斷電路可靠互鎖，設置開始診斷檢查按鈕K1和K1′為聯動按鈕，即：按下“開始診斷檢查”按鈕時，K′同步接通；不按下“開始診斷檢查”按鈕時，K′斷開，避免控制電路信號對自檢電路中的系統故障繼電器P3和系統正常指示燈產生干擾。

（2）P1_1閉合，使得自診斷繼電器P1回路在松開“開始診斷檢查”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 常開觸點P2_1閉合，使得控制系統繼電器P2回路自鎖供電。

② 常閉觸點P2_2斷開，系統故障繼電器P3不得電，常開觸點P3_1保持斷開狀態，系統故障指示燈不亮；常閉觸點P3_2保持接通狀態，系統正常指示燈亮，表示控制電路功能正常。

（4）P1_2閉合，如果控制系統繼電器P2故障，則：

① 常開觸點P2_1保持斷開狀態，控制系統繼電器P2回路在松開“開始檢查按鈕”后無法自鎖供電。

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

（5）P1_3斷開，避免控制電路對自診斷工作過程產生影響。

在柴油機日常工作過程中，通過自診斷功能可以檢測排氣系統聯鎖保護電路正常與否，當聯鎖保護功能失效時，通過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。

4 結 論

某型船用柴油機由于其特殊的工作環境，其排氣系統廢氣排出口布置于水線以下，存在舷外海水倒灌進入排氣系統管路的風險，而該型柴油機在排氣系統管路積水情況下，沒有柴油機自動停機的安全保護措施。一旦出現海水倒灌，排氣系統管路積水過多無法及時排出的情況，將會對柴油機的正常工作造成重大安全隱患。為此，本文提出應急情況下的柴油機安全聯鎖保護停機方案，并對聯鎖保護控制電路進行自診斷功能設計，通過自診斷功能可將系統故障定位到可更換單元一級，不僅成功實現柴油機排氣系統管路積水情況下的安全聯鎖保護，而且所設計電路易于測試和維修，可滿足柴油機安全聯鎖保護需求。

［1］賀國，徐建卯.新型常規潛艇技術與保障［M］.北京：國防工業出版社，2009.

［2］王厚軍.測試性設計技術的回顧與發展綜述［J］.中國科技論文在線，2008（1）：52-58.

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［6］石君友.測試性設計分析與驗證［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［7］邱靜，劉冠軍，楊鵬，等.裝備測試性建模與設計技術［M］.北京：科學出版社，2012.

［8］唐正茂.基于CAV424的電容式液位傳感器信號調理電路研究［J］.計量技術，2008（1）：10-13.

［9］高超，王俊雄.新型柵狀電容式液位傳感器原理及應用［J］.儀器技術與傳感器，2011（3）：9-21

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：艦船動力及熱力系統的科學管理。劉海松（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：輪機工程。李 翔（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：輪機工程。

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