陳 深，王貴云，李 燦

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基于速度傳感器斷線時(shí)柴油機(jī)安保的設(shè)計(jì)

陳 深，王貴云，李 燦

（安慶中船柴油機(jī)有限公司，安徽省安慶市246005）

針對柴油機(jī)速度傳感器斷線故障時(shí)安保系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，給出新的解決途徑。另外，對于柴油機(jī)在停機(jī)過程中實(shí)際滑油壓力下降導(dǎo)致的安保停車報(bào)警現(xiàn)象，從不同機(jī)型的實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)計(jì)一種適用于所有機(jī)型的報(bào)警抑制和解除抑制方案。經(jīng)過試驗(yàn)，證明了該方案的有效性。

速度傳感器斷線 滑油低壓停車 安保系統(tǒng) 抑制

0 引言

柴油機(jī)安保系統(tǒng)在船舶安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，而速度傳感器回路是否正常工作是其中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，尤其在僅采用一只速度傳感器測速的柴油機(jī)系統(tǒng)里。對于原來設(shè)計(jì)的安保系統(tǒng)，當(dāng)速度傳感器線路連接完好且正常工作期間，若出現(xiàn)其他故障情況比如系統(tǒng)監(jiān)測到缸套冷卻水溫度過高則立即執(zhí)行安全停車指令，使柴油機(jī)停止工作，同時(shí)在柴油機(jī)停下的過程中可以對滑油低壓停車報(bào)警進(jìn)行抑制。一旦速度傳感器出現(xiàn)斷線故障，柴油機(jī)安保將不能正常工作，甚至?xí)霈F(xiàn)一些不能預(yù)料的問題，給船員的操作帶來麻煩甚至對船舶安全構(gòu)成重大威脅。

1 情況描述

某2200TEU集裝箱船在船廠系泊試驗(yàn)期間，曾經(jīng)發(fā)生一臺柴油發(fā)電機(jī)組因速度傳感器斷線故障沒有及時(shí)處理而后在進(jìn)行安保試驗(yàn)時(shí)柴油機(jī)不能正常實(shí)現(xiàn)停車的故障。GL（德國船級社）現(xiàn)場驗(yàn)船師認(rèn)為這種情況是非常危險(xiǎn)的，該柴油機(jī)安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在較大缺陷。船級社規(guī)范相關(guān)章節(jié)規(guī)定：柴油機(jī)[1]安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)基于一種傳感器故障時(shí)不應(yīng)對其他傳感器動(dòng)作時(shí)安保正常工作產(chǎn)生影響。原系統(tǒng)沒有充分考慮速度傳感器發(fā)生斷線故障時(shí)安保功能的執(zhí)行情況，一旦發(fā)生斷線，系統(tǒng)檢測到的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間就會降到0轉(zhuǎn)，雖然此時(shí)柴油機(jī)實(shí)際上是在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的，但是由PLC軟件程序控制的安保停車回路已經(jīng)被切斷，此時(shí)即使缸套冷卻水溫度已經(jīng)超過了預(yù)設(shè)的停車點(diǎn)或滑油壓力已經(jīng)低于預(yù)設(shè)的停車點(diǎn)，柴油機(jī)都不會執(zhí)行停機(jī)指令，這意味著安保系統(tǒng)處于失效狀態(tài)，無法保障柴油機(jī)的安全使用。

2 詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

為了滿足船級社規(guī)范更高更全面的要求，同時(shí)可靠保障柴油機(jī)在各種故障情況下的安全保護(hù)功能，必須充分考慮速度傳感器斷線故障時(shí)系統(tǒng)的控制策略。為此，在原安保停車線路中的正常轉(zhuǎn)速部分線路中并聯(lián)速度傳感器斷線的報(bào)警信號，在斷線故障引發(fā)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號丟失的情況下，圖1中Q1.1線圈得電，其常開觸點(diǎn)閉合，新的線路[2]將保持接通狀態(tài)，這樣即使速度傳感器斷線故障沒有被船員及時(shí)處理，也無需擔(dān)心在該故障存在期間柴油機(jī)滿足其他安保停車條件而不能實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)的現(xiàn)象了。

圖1 滑油低壓停車與缸套冷卻水高溫停車檢測回路

3 程序優(yōu)化

試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，在速度傳感器斷線故障未處理的情況下，若是系統(tǒng)執(zhí)行缸套水高溫停車、緊急停車或正常停車時(shí)，會伴隨有滑油低壓停車報(bào)警發(fā)生。船東認(rèn)為在柴油機(jī)停機(jī)過程中滑油壓力正常下降導(dǎo)致的報(bào)警應(yīng)該被抑制，所以發(fā)生上述伴生報(bào)警現(xiàn)象是不被用戶接受的。在速度傳感器回路正常工作時(shí)，依靠轉(zhuǎn)速信號可以對該報(bào)警進(jìn)行抑制，而速度傳感器斷線故障發(fā)生時(shí)，反而因?yàn)閿嗑€報(bào)警信號在PLC程序中和速度傳感器正常時(shí)的信號并聯(lián)使用而重新觸發(fā)了滑油低壓停車報(bào)警。在這種情況下，既要保證速度傳感器斷線故障不影響其他安保的正常動(dòng)作，也要考慮對停車時(shí)滑油壓力正常下降引發(fā)的伴生報(bào)警進(jìn)行抑制。于是，在滑油低壓停車線路中必須考慮串入新的抑制信號，當(dāng)柴油機(jī)安?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行缸套冷卻水高溫停車、緊急停車或正常停車指令時(shí)，PLC對抑制信號的線圈[3]M10.0進(jìn)行置位，使其常閉觸點(diǎn)斷開，這樣就切斷了滑油低壓停車報(bào)警產(chǎn)生的可能。那么當(dāng)柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，若是真正出現(xiàn)了滑油壓力過低的情況時(shí)又如何保證安保正常工作呢？這時(shí)就必須考慮如何在柴油機(jī)正常起機(jī)后對抑制信號線圈M10.0進(jìn)行復(fù)位了。

對于該集裝箱船所提及的柴油機(jī)安全系統(tǒng)，能鑒別發(fā)動(dòng)機(jī)是否已經(jīng)正常起動(dòng)并點(diǎn)火運(yùn)行的信號其一是轉(zhuǎn)速信號，其二就是滑油壓力開關(guān)（注：用于執(zhí)行安保停車指令，該開關(guān)動(dòng)作值一般設(shè)定為0.2 MPa）信號。本文探討的是基于速度傳感器斷線故障的情況下的問題，所以就不能從轉(zhuǎn)速上進(jìn)行正常判斷了，僅剩下滑油壓力開關(guān)信號可以考慮。通常情況下，在該品牌柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)滑油壓力是遠(yuǎn)大于0.2 MPa的，此時(shí)開關(guān)常閉觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)；而停機(jī)后，滑油壓力一般會迅速下降，直至低于設(shè)定值0.2 MPa，此時(shí)開關(guān)常閉觸點(diǎn)恢復(fù)原本的閉合狀態(tài)。利用柴油機(jī)安全系統(tǒng)PLC模塊結(jié)合適當(dāng)阻值的電阻可以監(jiān)測開關(guān)這種狀態(tài)的變化，從而正確判斷柴油機(jī)是否已經(jīng)正常工作或是處于停機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到該滑油低壓停車開關(guān)斷開時(shí)，PLC軟件程序[4]就立即對抑制信號線圈M10.0進(jìn)行復(fù)位，其常閉觸點(diǎn)恢復(fù)常閉，解除了對滑油低壓停車報(bào)警的抑制，使運(yùn)行過程中發(fā)生滑油低壓時(shí)安保停車功能得以正常執(zhí)行，如圖2所示。

圖2 抑制線圈M10.0梯形圖

在進(jìn)一步試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)了一種新的情況，即某臺柴油發(fā)電機(jī)組長期處于冷機(jī)狀態(tài)，然后對其控制系統(tǒng)重新送電進(jìn)行備車，因?yàn)椴裼蜋C(jī)此時(shí)還未啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以控制系統(tǒng)使滑油預(yù)供泵立即自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)潤滑。此時(shí)若拆除速度傳感器探頭的電纜接線模擬速度傳感器斷線故障，可能會觸發(fā)滑油低壓停車報(bào)警。原本按照設(shè)計(jì)好的控制程序，在系統(tǒng)上電初始時(shí)，不管速度傳感器是否有斷線故障，就對滑油低壓停車報(bào)警進(jìn)行抑制，那么到底是什么情況觸發(fā)了該報(bào)警呢？技術(shù)人員通過筆記本電腦對安全系統(tǒng)PLC[5]進(jìn)行在線監(jiān)控以及觀察柴油機(jī)儀表板上的滑油壓力表指針，發(fā)現(xiàn)滑油預(yù)供泵剛剛工作時(shí)系統(tǒng)滑油壓力很低，低于0.2 MPa，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行一段很短的時(shí)間時(shí)，由于滑油系統(tǒng)管路里的滑油溫度還非常低，所以其粘度非常高，高粘度的滑油經(jīng)過滑油預(yù)供泵后，使系統(tǒng)建立的滑油壓力很快超過0.2 MPa，經(jīng)觀察壓力表在0.24 MPa左右。根據(jù)PLC程序，系統(tǒng)自動(dòng)判斷這時(shí)的柴油機(jī)已經(jīng)正常起機(jī)了，所以PLC就立即對抑制信號線圈M10.0進(jìn)行復(fù)位，但是在系統(tǒng)工作期間滑油壓力不可能始終是一個(gè)穩(wěn)定不變的值，會有可能會出現(xiàn)一次或多次壓力波動(dòng)，或者較長時(shí)間的運(yùn)行后，滑油溫度有所上升，粘度下降，導(dǎo)致系統(tǒng)滑油壓力下降，當(dāng)壓力低于0.2 MPa并延時(shí)幾秒鐘，安保系統(tǒng)會立即發(fā)出滑油低壓停車報(bào)警。特別是該船柴油機(jī)配置的滑油預(yù)供泵流量和揚(yáng)程特別大，在長期冷機(jī)狀態(tài)下能使系統(tǒng)滑油壓力超過預(yù)設(shè)的停車點(diǎn)，而其他型號的柴油機(jī)配置的滑油預(yù)供泵容量要小得多，無論滑油粘度高或者低，在柴油機(jī)未啟動(dòng)前建立起來的滑油壓力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)設(shè)的停車點(diǎn)，這時(shí)采用圖2的程序進(jìn)行控制也是非常可靠的。

圖3 柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)間特性

圖4 柴油機(jī)啟動(dòng)后延時(shí)30 s

對于該2200TEU集裝箱船所安裝的柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生的特殊情況，為了保證其在速度傳感器斷線故障下安保也能正常工作，必須進(jìn)一步進(jìn)行程序優(yōu)化，采取更加可靠的控制邏輯。于是技術(shù)人員查詢了該型號柴油機(jī)舾裝指導(dǎo)文件，可以從該系列柴油機(jī)的起動(dòng)時(shí)間特性（如圖3所示）發(fā)現(xiàn)，在接受啟動(dòng)指令25 s[6]（實(shí)際PLC程序中設(shè)置為30 s，更加可靠）后系統(tǒng)即可建立正常的滑油壓力，這時(shí)滑油壓力一般在0.4~0.5 MPa。這樣，可以從控制系統(tǒng)延伸柴油機(jī)的啟動(dòng)信號，將此信號接入安全系統(tǒng)，在PLC中進(jìn)行延時(shí)一定時(shí)間（如圖4所示），然后對抑制繼電器線圈M10.0進(jìn)行復(fù)位，如圖5所示。通過以上程序優(yōu)化處理并經(jīng)過多次試驗(yàn)，柴油機(jī)安保系統(tǒng)一切正常，獲得了現(xiàn)場驗(yàn)船師和船東的認(rèn)可。

4 結(jié)束語

新的方案無需考慮在柴油機(jī)啟動(dòng)前系統(tǒng)滑油壓力的變化，軟件程序控制邏輯也更加簡潔，從理論上分析可以適用于該品牌柴油機(jī)的不同機(jī)型，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明這種方案是有效的，從而保證了柴油機(jī)安保系統(tǒng)正常工作，滿足了相關(guān)船級社規(guī)范要求，也解決了船東在今后實(shí)船使用過程中的擔(dān)憂。

因此，對于前期在柴油機(jī)電氣控制系統(tǒng)（特別是采取PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)的安?？刂葡到y(tǒng)）設(shè)計(jì)時(shí)僅使用一只速度傳感器進(jìn)行測速并已經(jīng)裝船的項(xiàng)目上采用這種新的改造優(yōu)化方案可以可靠保障柴油機(jī)的安全運(yùn)行。

圖5 優(yōu)化的抑制線圈M10.0梯形圖

[1] 黃少竹. 船舶柴油機(jī)[M]. 大連: 大連海事出版社, 2005.

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[5] 劉華波. 西門子S7-200PLC編程及應(yīng)用案例精選[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6] 鄭鳳翼. 圖解西門子S7-200系列PLC入門[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

Design of the Diesel Engine Safety and Protection when the Speed Sensor is Disconnected

Chen Shen, Wang Guiyun, Li Can

(Anqing CSSC Diesel Engine Co., Ltd., Anqing 246005, Anhui, China)

TP273

A

1003-4862（2017）06-0031-03

2017-03-03

陳深（1980-），男，電氣工程師。研究方向：柴油機(jī)電氣控制。E-mail:1191184579@qq.com