基于速度傳感器斷線時柴油機安保的設計

陳 深，王貴云，李 燦

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基于速度傳感器斷線時柴油機安保的設計

陳 深，王貴云，李 燦

（安慶中船柴油機有限公司，安徽省安慶市246005）

針對柴油機速度傳感器斷線故障時安保系統出現的問題進行分析，給出新的解決途徑。另外，對于柴油機在停機過程中實際滑油壓力下降導致的安保停車報警現象，從不同機型的實際情況出發，設計一種適用于所有機型的報警抑制和解除抑制方案。經過試驗，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 抑制

0 引言

柴油機安保系統在船舶安全運行中起著至關重要的作用，而速度傳感器回路是否正常工作是其中的一個關鍵點，尤其在僅采用一只速度傳感器測速的柴油機系統里。對于原來設計的安保系統，當速度傳感器線路連接完好且正常工作期間，若出現其他故障情況比如系統監測到缸套冷卻水溫度過高則立即執行安全停車指令，使柴油機停止工作，同時在柴油機停下的過程中可以對滑油低壓停車報警進行抑制。一旦速度傳感器出現斷線故障，柴油機安保將不能正常工作，甚至會出現一些不能預料的問題，給船員的操作帶來麻煩甚至對船舶安全構成重大威脅。

1 情況描述

某2200TEU集裝箱船在船廠系泊試驗期間，曾經發生一臺柴油發電機組因速度傳感器斷線故障沒有及時處理而后在進行安保試驗時柴油機不能正常實現停車的故障。GL（德國船級社）現場驗船師認為這種情況是非常危險的，該柴油機安保系統設計存在較大缺陷。船級社規范相關章節規定：柴油機[1]安保系統設計應基于一種傳感器故障時不應對其他傳感器動作時安保正常工作產生影響。原系統沒有充分考慮速度傳感器發生斷線故障時安保功能的執行情況，一旦發生斷線，系統檢測到的柴油機轉速瞬間就會降到0轉，雖然此時柴油機實際上是在正常運轉的，但是由PLC軟件程序控制的安保停車回路已經被切斷，此時即使缸套冷卻水溫度已經超過了預設的停車點或滑油壓力已經低于預設的停車點，柴油機都不會執行停機指令，這意味著安保系統處于失效狀態，無法保障柴油機的安全使用。

2 詳細方案設計

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

圖1 滑油低壓停車與缸套冷卻水高溫停車檢測回路

3 程序優化

試驗和研究發現，在速度傳感器斷線故障未處理的情況下，若是系統執行缸套水高溫停車、緊急停車或正常停車時，會伴隨有滑油低壓停車報警發生。船東認為在柴油機停機過程中滑油壓力正常下降導致的報警應該被抑制，所以發生上述伴生報警現象是不被用戶接受的。在速度傳感器回路正常工作時，依靠轉速信號可以對該報警進行抑制，而速度傳感器斷線故障發生時，反而因為斷線報警信號在PLC程序中和速度傳感器正常時的信號并聯使用而重新觸發了滑油低壓停車報警。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作，也要考慮對停車時滑油壓力正常下降引發的伴生報警進行抑制。于是，在滑油低壓停車線路中必須考慮串入新的抑制信號，當柴油機安保控制系統執行缸套冷卻水高溫停車、緊急停車或正常停車指令時，PLC對抑制信號的線圈[3]M10.0進行置位，使其常閉觸點斷開，這樣就切斷了滑油低壓停車報警產生的可能。那么當柴油機實際運行過程中，若是真正出現了滑油壓力過低的情況時又如何保證安保正常工作呢？這時就必須考慮如何在柴油機正常起機后對抑制信號線圈M10.0進行復位了。

對于該集裝箱船所提及的柴油機安全系統，能鑒別發動機是否已經正常起動并點火運行的信號其一是轉速信號，其二就是滑油壓力開關（注：用于執行安保停車指令，該開關動作值一般設定為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，所以就不能從轉速上進行正常判斷了，僅剩下滑油壓力開關信號可以考慮。通常情況下，在該品牌柴油機正常運轉時，系統滑油壓力是遠大于0.2 MPa的，此時開關常閉觸點處于斷開狀態；而停機后，滑油壓力一般會迅速下降，直至低于設定值0.2 MPa，此時開關常閉觸點恢復原本的閉合狀態。利用柴油機安全系統PLC模塊結合適當阻值的電阻可以監測開關這種狀態的變化，從而正確判斷柴油機是否已經正常工作或是處于停機。當系統監測到該滑油低壓停車開關斷開時，PLC軟件程序[4]就立即對抑制信號線圈M10.0進行復位，其常閉觸點恢復常閉，解除了對滑油低壓停車報警的抑制，使運行過程中發生滑油低壓時安保停車功能得以正常執行，如圖2所示。

圖2 抑制線圈M10.0梯形圖

在進一步試驗的過程中發現了一種新的情況，即某臺柴油發電機組長期處于冷機狀態，然后對其控制系統重新送電進行備車，因為柴油機此時還未啟動運轉，所以控制系統使滑油預供泵立即自動啟動進行系統預潤滑。此時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，可能會觸發滑油低壓停車報警。原本按照設計好的控制程序，在系統上電初始時，不管速度傳感器是否有斷線故障，就對滑油低壓停車報警進行抑制，那么到底是什么情況觸發了該報警呢？技術人員通過筆記本電腦對安全系統PLC[5]進行在線監控以及觀察柴油機儀表板上的滑油壓力表指針，發現滑油預供泵剛剛工作時系統滑油壓力很低，低于0.2 MPa，當系統運行一段很短的時間時，由于滑油系統管路里的滑油溫度還非常低，所以其粘度非常高，高粘度的滑油經過滑油預供泵后，使系統建立的滑油壓力很快超過0.2 MPa，經觀察壓力表在0.24 MPa左右。根據PLC程序，系統自動判斷這時的柴油機已經正常起機了，所以PLC就立即對抑制信號線圈M10.0進行復位，但是在系統工作期間滑油壓力不可能始終是一個穩定不變的值，會有可能會出現一次或多次壓力波動，或者較長時間的運行后，滑油溫度有所上升，粘度下降，導致系統滑油壓力下降，當壓力低于0.2 MPa并延時幾秒鐘，安保系統會立即發出滑油低壓停車報警。特別是該船柴油機配置的滑油預供泵流量和揚程特別大，在長期冷機狀態下能使系統滑油壓力超過預設的停車點，而其他型號的柴油機配置的滑油預供泵容量要小得多，無論滑油粘度高或者低，在柴油機未啟動前建立起來的滑油壓力都遠遠小于預設的停車點，這時采用圖2的程序進行控制也是非常可靠的。

圖3 柴油機起動時間特性

圖4 柴油機啟動后延時30 s

對于該2200TEU集裝箱船所安裝的柴油發電機組發生的特殊情況，為了保證其在速度傳感器斷線故障下安保也能正常工作，必須進一步進行程序優化，采取更加可靠的控制邏輯。于是技術人員查詢了該型號柴油機舾裝指導文件，可以從該系列柴油機的起動時間特性（如圖3所示）發現，在接受啟動指令25 s[6]（實際PLC程序中設置為30 s，更加可靠）后系統即可建立正常的滑油壓力，這時滑油壓力一般在0.4~0.5 MPa。這樣，可以從控制系統延伸柴油機的啟動信號，將此信號接入安全系統，在PLC中進行延時一定時間（如圖4所示），然后對抑制繼電器線圈M10.0進行復位，如圖5所示。通過以上程序優化處理并經過多次試驗，柴油機安保系統一切正常，獲得了現場驗船師和船東的認可。

4 結束語

新的方案無需考慮在柴油機啟動前系統滑油壓力的變化，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的不同機型，經過反復試驗驗證，證明這種方案是有效的，從而保證了柴油機安保系統正常工作，滿足了相關船級社規范要求，也解決了船東在今后實船使用過程中的擔憂。

因此，對于前期在柴油機電氣控制系統（特別是采取PLC進行設計的安保控制系統）設計時僅使用一只速度傳感器進行測速并已經裝船的項目上采用這種新的改造優化方案可以可靠保障柴油機的安全運行。

圖5 優化的抑制線圈M10.0梯形圖

[1] 黃少竹. 船舶柴油機[M]. 大連: 大連海事出版社, 2005.

[2] 溫照方. S7-200可編程序控制器教程[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2002.

[3] 王曙光. S7-200PLC應用基礎與實例 [M]. 北京: 北京人民郵電出版社, 2007.

[4] 隋媛媛. 西門子系列PLC原理及應用[M]. 北京: 北京人民郵電出版社, 2009.

[5] 劉華波. 西門子S7-200PLC編程及應用案例精選[M]. 北京: 機械工業出版社, 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：柴油機電氣控制。E-mail:1191184579@qq.com