一种阀控制系统的电气原理图设计

张桦育　朱慧敏　李翠芳　管石卫

摘    要：以深圳海上危险品应急指挥船为研究对象，通过对规格书技术要求的解读，用功能模块划分的方法制定了设计框图，再通过分模块的电路原理设计，最终组合成满足设计要求的电气原理图。

关键词：阀控制系统;电气原理;设计

中图分类号：U665.13                              文献标识码：A

Abstract： Taking Shenzhen maritime dangerous goods emergency command ship as the research object， through the interpretation of the general technical requirements， the design block diagram of the valve control system is formulated by the method of functional module division， and the electrical principle diagram of the valve control system meeting the design requirements is finally assembled through circuit principle design of sub modules.

Key words： Valve control system; Electrical principle; Design

1     前言

深圳海上危险品应急指挥船是我司设计建造的一艘近海航区特种用途船。本船主要用于深圳东部大鹏湾水域LNG船舶航行监护、锚地监控、辖区危险品码头与作业水域的安全监管，以及包括危险品事故应急在内的现场综合应急指挥。该船建成后，具备较好的自我防护功能，可在警戒区域内安全航行并实施人员撤离救助。

2     阀控制功能实现的方式

（1）本船设有1套舱室正压维持系统，包括呼吸空压机、高压空气瓶、减压阀组、CO2吸收设备等。主要用于当船舶所有开口封闭时，可向人员聚集区域释放新鲜空气，改善船内空气质量，保证人员的正常呼吸;同时保证上建生活区空气正压，有效阻止外界危险气体渗入安全区;

（2）在危险气体扩散的环境下，40 MPa高压呼吸空气瓶经减压阀组减至1 MPa后进入低压呼吸空气瓶，再减至0.15 MPa后送至上建驾驶室、应急指挥中心、活动室、紧急医疗救助舱及主甲板气锁间的空气释放点;

（3）本船在主甲板左侧室内通道末端设置气锁间，当实施撤离救助作业时，人员可通过气锁间前后的两扇门进出。气锁间内设压缩空气释放点并与室外门连锁，救援模式下当室外门处于开启状态时可自动向气锁间内释放压缩空气，保持局部正压，防止人员开门进出时危险气体进入船体;

（4）送往上建四个舱室和主甲板气锁间的压缩空气分由两个阀进行控制：为上建四个舱室送气的电动阀，设置为在救援工况下自动开启;为气锁间送气的电磁阀，设置为与气锁间室外门联锁，当室外门开启时自动开启释放压缩空气。

通过《危险气体警戒区域执行任务操作规程》（以下简称《操作规程》）可知：本船设立的安全防护系统，可结合危险气体探测器的的测值，人为决策发出一级指令（SM1）、二级指令（SM2）。当任一探测器测值达到10LEL时，指挥人员通过安全防护系统向相关系统发出SM1激活信号，以切断大部分室外非防爆负载、激活气锁间呼吸空气阀与室外门联锁的功能，以及使得电站系统仅保留一台柴发机组和2组动力电池并网;当任一探测器測值升至20LEL以上时，指挥人员通过安全防护系统向相关系统发出SM2激活信号，以切断室外全部非防爆负载，激活上建四个舱室的呼吸空气供气功能，急停发电机组，使得全船进入纯电池供电模式;此外，由于柴发机组不工作，因此还可通过电动阀关闭全船冷却水系统中发电机组相关的冷却支路。

由《全船技术规格书》、《操作规程》中可知：在船舶所有开口（门、窗、盖等）封闭后，通过向上建四个舱室释放呼吸空气建立正压，使得水域内扩散的LNG不侵入本船;通过打开气锁间外门时能自动释放呼吸空气，实现在LNG扩散水域内进出本船进行人员救助的功能。如图1所示，气锁间是作为本船在LNG扩散水域航行时进出本船的缓冲区域。

3    阀控制系统设计

任何辅助设备的电气控制系统，除了从《全船技术规格书》、《操作规程》获取信息外，还得通过管路原理图来了解对电气控制方面的要求。图2为舱室供气管系图。

由图2可见：（1）来自于低压空气瓶的呼吸空气，经减压阀组ASV4减压后，再经电动阀ASV12分成4路支管分别到达上建4个舱室。在通往4个舱室的管路上各有一个气体流量调节阀（ASV8/ASV7/ASV9/ASV10），但非电动调节开度。从这路管路上看，其实对电气控制而言还是很简单的，在管路上并没有流量/压力参数对阀的开关状态形成控制;（2）低压空气瓶的另一路出口，接到减压阀组ASV5减压后，先后经气体流量调节阀ASV11（非电动调节）、电磁阀ASV6接至主甲板气锁间，对于该电磁阀也是简单的启闭;（3）通过冷却水管系图，得知电动阀CWV44可以开闭到柴油发机组的冷却支路，管路之中除了该电动阀，没有压力/温度传感器或流量调节装置需要提供电气控制。

通过上述分析，该阀控制系统就初步形成了：设计一套阀控制系统。在二级指令激活后，控制上建的持续供气功能以维持正压;一级指令激活后，控制气锁间外门与阀联动功能;二级指令激活后，控制发电机组冷却支路的关闭功能。但是，该控制系统的设计不能简单地只对几个阀进行远程遥控，还需要继续完善，并且要有安全防护方面的考虑，必需增加如下几点：

（1）补充系统自身的激活功能，因为常规航行下该系统无需启用;

（2）从可靠性考虑，当远程一级/二级指令遥控失效时，还能本地手动控制阀的开闭;

（3）气锁间作为在LNG扩散水域唯一的进出通道，本着维持正压以及即便LNG气体入侵也要降低LNG浓度的原则，此处不能同时开启内外门，需要在内外门各安装开闭状态指示灯;

（4）气锁间的释放最好有释放延时关闭的功能;

（5）增加反馈功能，包括接收到一级/二级指令的反馈、阀开闭状态的反馈，以及门开闭状态的反馈。

根据以上所述，按功能模块划分，阀控制系统设计框图如图3所示。

4    电气原理图设计

根据图3的设计框图，阀控制系统主要分为六个功能模块：系统激活、控制部位转换、上建4个舱室的供气设计、气锁间（缓冲区域）进出的设计、柴发机组冷却水支路的开闭设计、反馈。只要每个模块分别用继电器、接触器、按钮/转换开关等基本元器件组合，最终模块集成并稍加修改，就可以设计出符合预期的电气原理图。

为描述方便，我们把给上建4个舱室供气的电动阀称为1#电动阀，给气锁间供气的电磁阀称为2号电磁阀，而柴发机组冷却水支路的电动阀称为3#电动阀。

（1）系统激活

可采用启动按钮（常开）、停止按钮（常闭）、继电器及其辅助触点，并结合自锁回路的设计方式来实现激活功能。自锁回路设计在电气原理图中极为常见，其核心是将继电器的常开辅助触点与启动按钮并联，一旦按下启动按钮使得继电器的线圈得电，则其并联启动按钮的常开触点就会闭合，往后即使松开启动按钮也能保证继电器线圈的持续供电。

（2）控制部位转换

控制部位转换功能最理想的方式是采用转换开关。由于本控制系统的三个阀均要有本地手动/远程自动的控制部位，故可将转换开关串联继电器，通过继电器的辅助触点来扩展。在控制电路当中，利用串联继电器的方法来扩展信号是很常见的，通常用来解决触点信号不够的问题，如在配电板的风油遥切控制回路便是如此，常需要同时切断若干个断路器;另外，按照设计要求，远程控制中1号电动阀和3号电动阀需要安全防护系统的二级指令信号触发，而2号电磁阀需要安全防护系统的一级指令信号触发。

（3）上建4个舱室的供气设计

对上建4个舱室的供气设计，实际就是对电动阀的开闭控制设计，以及阀的状态反馈。通过电动阀的原理图，可知其4号端子接控制电源的一侧，9号端子接开阀指令，10号端子接关阀指令，14/15号端子构成阀开到位指示，14/16号端子构成阀关到位指示，而11号端子接加热器的一端，本项目可无需使用;通过串接继电器的辅助触点或串接继电器，很容易实现开/关阀及开/关到位指示，但要注意所需信号是有源还是无源，开/关阀需要有源信号，而开/关到位指示则是通过无源触点信号输出。如图4所示。

（4）气锁间进出的设计

此项设计分两部分：一部分是气锁间的供气设计;另一部分是气锁间内/外门打开时的报警。

电磁阀的开闭设计很简单，即通电开启、断电关闭。由于有延时关闭的要求，故需加入延时继电器;由于气锁间并不需要一直保持释放呼吸空气，只有外门打开时才需要释放，故通过室外门的行程开关触点串上继电器，以此来扩展外门启闭的信号，作为本地开阀和遥控开阀的必要条件;此外，对于气锁间内/外门打开时的报警设计，可将内/外门的行程开关扩展后的触点信号分别串入报警灯即可;而为使得同时打开内外门时触发蜂鸣器报警，只需把两个门所扩展的常开辅助触点串上蜂鸣器接上电源即可。

（5）柴发机组冷却水支路的开闭設计

3#电动阀的开闭设计与1#电动阀基本一样，需注意的是二级指令输入时，是关闭3#电动阀，这个正好跟1#电动阀相反，因此只要在遥控线路上做一下对调即可。

（6）反馈

反馈包括自动功能激活反馈、阀状态反馈以及门状态反馈。反馈的目的在于让相关系统知悉本系统是否执行到位，通常采用继电器的辅助触点来反馈。

最终设计电气原理图，如图5～图7所示。

5     阀控制系统功能

（1）阀控制系统在常规航行时无需使用，救援工况下需按下控制箱激活按钮以激活开启相关功能;

（2）阀控制系统对1号电动蝶阀的控制模式，分为本地和遥控两种模式：本地模式下在控制箱面板上可手动开启和关闭1号电动蝶阀;遥控模式下可由安全防护系统二级指令开启或关闭;

（3）阀控制系统对2号电磁阀的控制模式，分为本地（手动）和遥控两种模式：本地模式下在控制箱面板上可手动开启和关闭2号电磁阀;遥控模式下该电磁阀由安全防护系统一级指令远程开启或关闭;需注意无论何种模式，电磁阀始终与气锁间室外门的门开关传感器联动，只有当室外门开启时才可开启释放呼吸空气，而当室外门关闭时延迟2 s（可调）关闭电磁阀;阀控制箱还有门联锁报警功能，当一级指令激活的情况下，根据控制箱采集的门限位信号;当气锁间室外/室内门被同时打开，则就地发出声光报警信号;另外，任意一个门打开都会有灯光提醒;

（4）阀控制系统对3号电动蝶阀的控制模式，分为本地和遥控两种模式：控制功能同1号电动蝶阀;

（5）阀控制系统能输出安全防护系统的指令接收状态，以及阀门开闭、门开闭状态。

6    结论

通过以上分析，用功能模块划分的方法设计电气控制原理图。实船试验结果表明，满足规格书技术要求。通过本案例，可为类似船舶电气原理图设计提供参考。