大型柴油機掃氣箱火災智能檢測與處理裝置設計

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(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021;2.浙江嘉藍海洋電子有限公司,浙江 舟山 316021)

針對現代大型二沖程船舶柴油機掃氣箱火災問題，有學者建議采用在掃氣箱內部安裝溫度傳感器，在掃氣箱外部安裝有蒸汽管路，通過檢測溫度的變化來判斷掃氣箱的狀態，通過人工開啟蒸汽管路進行火災后的滅火[1]。這不僅會浪費滅火時間，對于滅火操作人員還存在較高的安全隱患。為此，考慮設置檢測與自動滅火裝置，在原來傳感器與蒸汽管路的基礎上安裝，具有一定的設計安裝基礎。蒸汽與二氧化碳用做機械設備內部火災時滅火效果顯著，二氧化碳一直是最重要的滅火介質[2]。為解決掃氣箱火災的檢測與滅火問題，考慮通過溫度及光敏電阻對掃氣箱內部進行雙重檢測來判斷火災的情況，通過核心控制芯片STM32控制電磁閥啟閉進而控制蒸汽、二氧化碳系統進行火災預防及滅火操作，所有檢測參數可以顯示在液晶屏幕上，并將檢測參數通過通信模塊傳遞到集控室。

1 系統整體設計

1.1 控制系統設計方案

圖1 控制系統組成

系統組成見圖1。STM32控制模塊為系統的核心部件，完成信息采集、判斷、發送指令等。檢測模塊對掃氣箱內部進行溫度和火光進行檢測，以此判斷掃氣箱內部狀況。電磁閥驅動模塊根據STM32單片機指令控制電磁閥的啟閉，進而控制滅火介質來控制和撲滅火災。

1.2 機械結構系統設計方案

掃氣箱機械滅火系統組成見圖2。

圖2 掃氣箱機械滅火系統組成

2 系統硬件設計

2.1 主控制器設計

主控制設備采用STM32F103RBT6芯片(意法半導體公司產品)，該芯片功耗低，工作頻率最高可達72 MHz，128 kB的Flash存儲器，64個可用I/O口[3]。考慮船舶柴油機掃氣箱數大多在10個以內，按照設計要每個掃氣箱內要安裝溫度傳感器、光敏傳感器、蒸汽控制電磁閥、二氧化碳控制電磁閥，按照8缸柴油機計算需要引腳32個，再加上其他復位電路、晶振電路等所以采用64引腳的STM32F103RBT6芯片，不僅可以滿足引腳數量要求，同時其優良的性能可以滿足設計要求。電源電路見圖3，為控制電路提供所需的電壓，保證芯片的穩定、可靠工作。

圖3 STM32電源設計

2.2 數據采集電路

數據的采集是通過溫度傳感器與光敏傳感器來完成，主要對掃氣箱內部溫度數據和光數據進行采集。考慮到掃氣箱溫度較高所以采用了PT100溫度傳感器，該傳感器檢測溫度范圍廣，精度高，耐高溫，其阻值隨著溫度的變化幾乎成線性相關，適用于本裝置[4]。PT100溫度傳感器需要外部電路支撐，通過如圖4左邊部分恒流源電路產生恒流，圖4右側放大電路對信號進行放大，最后送給A/D轉換電路。A/D轉換電路主要由16位ADS8320芯片組成見圖5，其5，6，7引腳分別與STM32的I/O口相連接，實現模擬信號與數字信號的轉換與傳輸[5]。

光敏電阻是根據光電導效應制成的光電探測器件,光敏電阻的阻值會隨著光照強弱的變化而變化[6]。光敏電阻電路見圖6。

圖4 Pt100溫度傳感器電路設計

圖5 A/D轉換電路

圖6 光敏電阻電路

火焰的檢測主要通過掃氣箱內的光敏電阻進行，掃氣箱內部正常為無光狀態，如果發生火災，光敏電阻的阻值變化，通過電路放大后將信號傳送給控制芯片STM32，通過STM32對檢測信號判斷來采取有效的預防與處理措施并發出報警。

2.3 執行設備電路設計

電磁閥采用2N7002型MOS管驅動，晶體管極性為N溝道，漏極電流id最大值0.28 A，開態電阻50 hm，電壓最大50 V，采用SOT-23封裝。

如圖7所示，PA0-PA15為控制信號，信號來自STM32芯片的I/O口，根據PA0-PA15口的電平變化，控制MOS管的開關，進而控制電磁閥的啟閉，實現對滅火介質灌入掃氣箱的控制。

每個MOS管驅動1個繼電器，16個電磁閥需要16個MOS管及16個I/O口。蒸汽控制電磁閥和二氧化碳控制電磁閥采用不同種類，因蒸汽屬于高溫流體所以采用不銹鋼閥體的耐高溫密封電磁閥。二氧化碳在液化過程中吸熱溫度會降低，所以采用DN20型耐低溫電磁閥[7]。

圖7 電磁閥控制電路

2.4 液晶顯示電路設計

TFT為主動式電晶顯示屏，優勢明顯[8]，電路設計見圖8。

圖8 液晶顯示電路設計

通過STM32的可變靜態存儲控制器(FSMC)可以有效地對TFT進行顯示控制，FSMC可以依據外部存儲器的不同而發出對應的信號類型，快速高效的完成控制功能。為了保證顯示功能和設計的美觀與合理，采用3.2寸屏幕，用以顯示系統各項參數與狀態，同時插針的連接方式設計方便拆裝維護。

2.5 報警電路設計

報警系統分為聲、光2個部分，聲音報警部分通過蜂鳴器實現，光報警部分通過電路上的二極管實現[9]。報警系統通過MOS管的開關作用來實現其啟閉功能，傳感器將溫升信號或者火焰信號發送給控制芯片STM32進過分析對比。觸發報警有三種情況：一是溫度傳感器檢測到溫度超過設定值；二是光敏電阻感受到掃氣箱內部火焰；三是既有溫度升高又出現火焰。報警模塊對于本系統至關重要，必須考慮及時通知輪機員。硬件電路見圖9。

圖9 報警電路設計

3 軟件設計方案

主程序流程見圖10。

圖10 主程序流程

系統設定溫度升高超過設定值為1，溫度不變或變化未超過設定值為0；火焰信號強度超過設定值為1，未超過設定值為0；由此共有4種情況：00為系統正常；10為溫度升高無火焰信號，采取蒸汽降溫措施；01為出現火焰信號無溫度升高，采取蒸汽降溫措施；11判斷為火災，采取二氧化碳滅火。柴油機掃氣箱火災預防與滅火需要蒸汽系統、掃氣箱CO2系統、控制系統聯合工作，以及柴油機本身的降速配合。設計將幾個系統聯合起來，一旦火災發生，鍋爐將被控制系統點火，蒸汽壓力被檢測，掃氣箱蒸汽系統與CO2系統被開啟，柴油機降速等，并根據蒸汽壓力確定電磁閥開啟時間，共同執行滅火任務。