船用柴油机排气系统联锁保护功能改进设计

胡继敏刘海松李 翔

（1.海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室 上海 201913；2.海军驻温州地区军事代表室 舟山316000；3.中国人民解放军海军92001部队 青岛266000）

船用柴油机排气系统联锁保护功能改进设计

胡继敏1刘海松2李 翔3

（1.海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室 上海 201913；2.海军驻温州地区军事代表室 舟山316000；3.中国人民解放军海军92001部队 青岛266000）

针对某型船用柴油机存在的排气系统管路积水情况下柴油机无法自动停机保护的安全隐患，提出应急情况下柴油机安全联锁保护方案，并对联锁保护控制电路进行自诊断功能设计，不仅可以在排气系统管路积水达到危险水位时控制柴油机自动停机，而且当系统功能故障时，可以通过自诊断功能将故障定位至可更换单元。

船用柴油机；排气系统；联锁保护；自诊断；电路设计

引 言

某型船以柴油机作为主动力装置，用于船只操控以及为人员、设备用电提供原动力。与陆上用柴油机不同的是，船用柴油机工作环境恶劣，工况复杂，因此对柴油机的性能要求也更高，控制难度也更大。为确保柴油机安全可靠工作，通常需要对一些重要参数（如冷却水温度、滑油温度、滑油压力等）进行监测，一旦出现参数越界，需要进行声光报警。此外，通常还需要设置一些安全联锁保护功能，例如，船用柴油机工作时，燃油燃烧所需空气是从船舶舱室直接吸入的，如果柴油机工作过程中由于某种原因导致舱室进气受阻，舱内气压降低到一定程度，柴油机应自动停机保护，以免对人员和设备安全造成损害［1］。

某型船用柴油机在使用过程中，发现存在如下安全隐患：由于该型柴油机排气口在水线以下，海水可能会倒灌进入排气系统管路，虽然排气系统管路上设置有集水箱，并通过安装在排气系统集水箱下部的液位传感器和疏水阀，可以实现自动疏水功能（当排气系统管路积水达到集水箱液位传感器安装位置时，自动打开疏水阀将积水排出），但如果疏水系统出现故障，导致排气系统管路积水无法及时排出，而该型柴油机在排气系统管路积水达到危险水位时，无自动停机保护功能，这给柴油机正常工作带来一定安全隐患，一旦有水倒灌进入柴油机气缸，甚至会引起液击等安全事故。

为此，根据柴油机实际工作需求，需要增加排气系统积水达到危险水位情况下联锁停机保护功能。具体技术要求如下：

（1）应急情况下能控制柴油机自动停机保护。

（2）不能影响柴油机原有正常工作。

（3）具备自诊断功能，一旦联锁保护功能故障，能自动诊断故障原因，定位故障位置，提高系统测试性。

1 测试性设计分析

柴油机监控系统的自动化程度和系统集成度都很高，一方面提高了设备的总体性能，为日常操作使用提供了便利，但是其存在内部故障信息获取困难，对人员测试、诊断与维修保障能力提出了更高的要求和挑战［2-3］。传统的以人工测试、外部测试为主的测试诊断模式已经不能满足现代装备测试保障需求。

测试性设计的目的是使设备能及时、准确地确定自身状态（正常工作、局部故障或全局故障），并能对故障进行有效隔离。测试性设计技术要求在设计阶段就在实现系统功能的同时，综合考虑系统的测试诊断问题，通过设置机内、机外测试接口或测试电路的方式，提高设备的测试、诊断和维修效能，可以从根本上解决设备测试诊断的难题［4-7］。

在某型柴油机排气系统管路积水情况下，应急联锁保护功能改进工作实施过程，将联锁保护控制电路的测试性和维修性置于与停机保护控制功能实现同等重要的地位。这一方面是实际工作需求的牵引，不仅可以提高设备的测试性和人员对设备的维修保障能力，也有利于设备总体效能的发挥；另一方面也是船用机电设备发展的一个重要方向和趋势。

2 停机保护方案

柴油机联锁停机保护功能总体方案如图1所示。联锁停机保护控制系统的实现主要分为传感器选型安装、信号调理、输出显示、控制电路、自诊断电路等部分。

图1 联锁停机保护功能总体方案

柴油机排气系统有水情况下的联锁停机保护功能实现思路是：通过在排气系统管路中合理位置安装液位传感器，将管路积水的水位在集控室进行显示，以供操作人员实时掌握排气系统管路积水情况；同时，将该液位信号进行处理后与比较电路中预先设定的标准值进行比较，当达到设定值时，输出联锁保护信号，将该信号与柴油机控制系统中原有的其他联锁保护信号并联，接入停机控制电路，控制柴油机自动停机保护。

2.1 传感器选型和安装

排气系统液位传感器选择常用的电容式液位传感器，其基本原理是：在有水状态和无水状态下；金属极板间电容值不同，因此可以根据电容值的变化情况计算电容极板间有水部分和无水部分的比例，结合传感器安装位置，即可得到排气管路积水的液位值［8-9］。该型柴油机排气系统中安装一个集水箱，其作用之一就是收集排气系统管路中倒灌进来的积水，疏水系统的液位传感器和电磁阀安装于集水箱下部。考虑到实际控制作用的实施和现场安装可行性，加装的液位传感器将安装于集水箱中上部，一方面用于监测集水箱液位，一旦达到危险水位，就产生联锁保护信号，控制柴油机自动停机；另一方面，集水箱为可拆卸式结构，便于现场安装。

2.2 信号调理

液位传感器送出的模拟量信号一路经滤波、整形等处理后，转换为标准的电压信号送入比较电路与设定值电压进行比较；另一路经A/D转换变为数字信号后实时显示。

2.3 输出显示

输出显示部分用于实时显示液位传感器指示的排气系统积水情况，该显示值的显示范围、报警和停机保护动作值的确定等需要结合传感器安装位置和相关参数对应关系进行现场调试标定。

2.4 控制电路

控制电路设计的基本思想是：经信号调理电路处理后的电压信号送入电压比较器，并与电压比较器设定的电压值进行比较，如果输入电压值大于设定值，说明排气系统管路液位值高于危险值，则比较器输出端接的继电器得电，利用其常开触点作为联锁保护控制信号，输出至柴油机控制系统，控制柴油机自动停机；反之，如果输入电压值小于设定值，说明排气系统液位在安全范围内，继电器不得电，无联锁保护信号产生，柴油机不停机。

2.5 自诊断电路

该型柴油机排气系统加装的联锁保护功能装置主体由液位传感器和信号处理电路两个可更换单元组成，为使该装置在设计制造阶段就具有良好的测试性，并且提高系统的可测试性和可维修性，专门设计了自诊断电路，用于对电路进行功能检测。当联锁保护功能失效时，通过自诊断功能，可以对控制电路进行自检，如果自检结果显示故障，则说明控制电路本身故障；反之，如果自检结果正常，则说明液位传感器故障。据此可将故障定位到可更换单元，方便维修和更换。

3 自诊断电路设计

自诊断功能电路的设计要求是：一是能对控制电路的主要器件功能进行检测；二是不能对控制电路正常工作产生影响。基于以上两点设计的自诊断功能电路原理图见下页图2。

如图2 所示，控制电路中的工作继电器P2为柴油机排气系统联锁停机保护电路中产生控制信号的继电器，该继电器的功能正常与否，决定了应急情况下联锁保护信号能否顺利产生并控制柴油机自动停机。由于自诊断过程中需要对工作继电器P2施加激励信号，因此，为避免自诊断电路与控制电路的工作产生相互干扰，设计时使两者不能同时工作，即控制电路工作过程中，不允许进行自诊断；对控制电路进行自诊断时，控制电路也应处于非工作状态。该联锁控制功能的实现通过控制电路中的常闭触点P4_1 和自诊断电路中的常闭触点P1_3实现：

（1）常闭触点P4_1为控制电路工作指示触点，当控制电路工作时，该触点断开，此时，即使按下自诊断检查按钮K1，自诊断继电器P1也无法得电，无法对电路进行自诊断。

（2）常闭触点P1_3为自诊断电路联锁触点，当自诊断继电器P1得电，开始自诊断过程时，常闭触点P1_3断开，切断控制电路对工作继电器P2的控制，确保自诊断功能独立进行。

常闭触点P4_1和P1_3起互锁控制作用，确保了控制电路和自诊断电路不能同时工作。

图2 自诊断电路原理图

自诊断电路工作过程如下：

（1）按下“开始诊断检查”按钮，自诊断继电器P1得电，其常开触点P1_1和P1_2闭合，常闭触点P1_3断开。

为确保控制电路和自诊断电路可靠互锁，设置开始诊断检查按钮K1和K1′为联动按钮，即：按下“开始诊断检查”按钮时，K′同步接通；不按下“开始诊断检查”按钮时，K′断开，避免控制电路信号对自检电路中的系统故障继电器P3和系统正常指示灯产生干扰。

（2）P1_1闭合，使得自诊断继电器P1回路在松开“开始诊断检查”按钮后仍自锁供电。

（3）P1_2闭合，如果控制电路中的工作继电器P2正常，则：

① 常开触点P2_1闭合，使得控制系统继电器P2回路自锁供电。

② 常闭触点P2_2断开，系统故障继电器P3不得电，常开触点P3_1保持断开状态，系统故障指示灯不亮；常闭触点P3_2保持接通状态，系统正常指示灯亮，表示控制电路功能正常。

（4）P1_2闭合，如果控制系统继电器P2故障，则：

① 常开触点P2_1保持断开状态，控制系统继电器P2回路在松开“开始检查按钮”后无法自锁供电。

② 常闭触点P2_2保持接通状态，系统故障继电器P3得电，常开触点P3_1接通，系统故障指示灯亮，常闭触点P3_2断开，系统正常指示灯不亮，表示控制电路功能故障。

（5）P1_3断开，避免控制电路对自诊断工作过程产生影响。

在柴油机日常工作过程中，通过自诊断功能可以检测排气系统联锁保护电路正常与否，当联锁保护功能失效时，通过自诊断功能可以分辨出是否为控制电路故障，从而将故障定位到可更换单元一级。

4 结 论

某型船用柴油机由于其特殊的工作环境，其排气系统废气排出口布置于水线以下，存在舷外海水倒灌进入排气系统管路的风险，而该型柴油机在排气系统管路积水情况下，没有柴油机自动停机的安全保护措施。一旦出现海水倒灌，排气系统管路积水过多无法及时排出的情况，将会对柴油机的正常工作造成重大安全隐患。为此，本文提出应急情况下的柴油机安全联锁保护停机方案，并对联锁保护控制电路进行自诊断功能设计，通过自诊断功能可将系统故障定位到可更换单元一级，不仅成功实现柴油机排气系统管路积水情况下的安全联锁保护，而且所设计电路易于测试和维修，可满足柴油机安全联锁保护需求。

［1］贺国，徐建卯.新型常规潜艇技术与保障［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［2］王厚军.测试性设计技术的回顾与发展综述［J］.中国科技论文在线，2008（1）：52-58.

［3］杨春，杜舒明.美国军用自动测试系统（ATS）的发展趋势［J］.国外电子测量技术，2004（6）：5-7.

［4］GJB 2547A-2012.装备测试性大纲［S］.北京：国防科工委军标出版社，2012.

［5］Yang P，Wen X S.Research on DFT-Oriented Uncertain Dependency Model［C］.ISTM，2007.

［6］石君友.测试性设计分析与验证［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［7］邱静，刘冠军，杨鹏，等.装备测试性建模与设计技术［M］.北京：科学出版社，2012.

［8］唐正茂.基于CAV424的电容式液位传感器信号调理电路研究［J］.计量技术，2008（1）：10-13.

［9］高超，王俊雄.新型栅状电容式液位传感器原理及应用［J］.仪器技术与传感器，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

胡继敏（1985-），男，硕士，工程师，研究方向：舰船动力及热力系统的科学管理。刘海松（1985-），男，硕士，工程师，研究方向：轮机工程。李 翔（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：轮机工程。

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