大型柴油機(jī)掃氣箱火災(zāi)智能檢測與處理裝置設(shè)計(jì)

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(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021;2.浙江嘉藍(lán)海洋電子有限公司,浙江 舟山 316021)

針對(duì)現(xiàn)代大型二沖程船舶柴油機(jī)掃氣箱火災(zāi)問題，有學(xué)者建議采用在掃氣箱內(nèi)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(tài)，通過人工開啟蒸汽管路進(jìn)行火災(zāi)后的滅火[1]。這不僅會(huì)浪費(fèi)滅火時(shí)間，對(duì)于滅火操作人員還存在較高的安全隱患。為此，考慮設(shè)置檢測與自動(dòng)滅火裝置，在原來傳感器與蒸汽管路的基礎(chǔ)上安裝，具有一定的設(shè)計(jì)安裝基礎(chǔ)。蒸汽與二氧化碳用做機(jī)械設(shè)備內(nèi)部火災(zāi)時(shí)滅火效果顯著，二氧化碳一直是最重要的滅火介質(zhì)[2]。為解決掃氣箱火災(zāi)的檢測與滅火問題，考慮通過溫度及光敏電阻對(duì)掃氣箱內(nèi)部進(jìn)行雙重檢測來判斷火災(zāi)的情況，通過核心控制芯片STM32控制電磁閥啟閉進(jìn)而控制蒸汽、二氧化碳系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防及滅火操作，所有檢測參數(shù)可以顯示在液晶屏幕上，并將檢測參數(shù)通過通信模塊傳遞到集控室。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成見圖1。STM32控制模塊為系統(tǒng)的核心部件，完成信息采集、判斷、發(fā)送指令等。檢測模塊對(duì)掃氣箱內(nèi)部進(jìn)行溫度和火光進(jìn)行檢測，以此判斷掃氣箱內(nèi)部狀況。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)STM32單片機(jī)指令控制電磁閥的啟閉，進(jìn)而控制滅火介質(zhì)來控制和撲滅火災(zāi)。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

掃氣箱機(jī)械滅火系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 掃氣箱機(jī)械滅火系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器設(shè)計(jì)

主控制設(shè)備采用STM32F103RBT6芯片(意法半導(dǎo)體公司產(chǎn)品)，該芯片功耗低，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，128 kB的Flash存儲(chǔ)器，64個(gè)可用I/O口[3]?？紤]船舶柴油機(jī)掃氣箱數(shù)大多在10個(gè)以內(nèi)，按照設(shè)計(jì)要每個(gè)掃氣箱內(nèi)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(jī)計(jì)算需要引腳32個(gè)，再加上其他復(fù)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(shù)量要求，同時(shí)其優(yōu)良的性能可以滿足設(shè)計(jì)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(wěn)定、可靠工作。

圖3 STM32電源設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)的采集是通過溫度傳感器與光敏傳感器來完成，主要對(duì)掃氣箱內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)和光數(shù)據(jù)進(jìn)行采集?？紤]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(guān)，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(chǎn)生恒流，圖4右側(cè)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最后送給A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸[5]。

光敏電阻是根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測器件,光敏電阻的阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)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(shè)計(jì)

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖6 光敏電阻電路

火焰的檢測主要通過掃氣箱內(nèi)的光敏電阻進(jìn)行，掃氣箱內(nèi)部正常為無光狀態(tài)，如果發(fā)生火災(zāi)，光敏電阻的阻值變化，通過電路放大后將信號(hào)傳送給控制芯片STM32，通過STM32對(duì)檢測信號(hào)判斷來采取有效的預(yù)防與處理措施并發(fā)出報(bào)警。

2.3 執(zhí)行設(shè)備電路設(shè)計(jì)

電磁閥采用2N7002型MOS管驅(qū)動(dòng)，晶體管極性為N溝道，漏極電流id最大值0.28 A，開態(tài)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(hào)，信號(hào)來自STM32芯片的I/O口，根據(jù)PA0-PA15口的電平變化，控制MOS管的開關(guān)，進(jìn)而控制電磁閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火介質(zhì)灌入掃氣箱的控制。

每個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)1個(gè)繼電器，16個(gè)電磁閥需要16個(gè)MOS管及16個(gè)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(huì)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(shè)計(jì)

TFT為主動(dòng)式電晶顯示屏，優(yōu)勢明顯[8]，電路設(shè)計(jì)見圖8。

圖8 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

通過STM32的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(FSMC)可以有效地對(duì)TFT進(jìn)行顯示控制，F(xiàn)SMC可以依據(jù)外部存儲(chǔ)器的不同而發(fā)出對(duì)應(yīng)的信號(hào)類型，快速高效的完成控制功能。為了保證顯示功能和設(shè)計(jì)的美觀與合理，采用3.2寸屏幕，用以顯示系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)與狀態(tài)，同時(shí)插針的連接方式設(shè)計(jì)方便拆裝維護(hù)。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)分為聲、光2個(gè)部分，聲音報(bào)警部分通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，光報(bào)警部分通過電路上的二極管實(shí)現(xiàn)[9]。報(bào)警系統(tǒng)通過MOS管的開關(guān)作用來實(shí)現(xiàn)其啟閉功能，傳感器將溫升信號(hào)或者火焰信號(hào)發(fā)送給控制芯片STM32進(jìn)過分析對(duì)比。觸發(fā)報(bào)警有三種情況：一是溫度傳感器檢測到溫度超過設(shè)定值；二是光敏電阻感受到掃氣箱內(nèi)部火焰；三是既有溫度升高又出現(xiàn)火焰。報(bào)警模塊對(duì)于本系統(tǒng)至關(guān)重要，必須考慮及時(shí)通知輪機(jī)員。硬件電路見圖9。

圖9 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)方案

主程序流程見圖10。

圖10 主程序流程

系統(tǒng)設(shè)定溫度升高超過設(shè)定值為1，溫度不變或變化未超過設(shè)定值為0；火焰信號(hào)強(qiáng)度超過設(shè)定值為1，未超過設(shè)定值為0；由此共有4種情況：00為系統(tǒng)正常；10為溫度升高無火焰信號(hào)，采取蒸汽降溫措施；01為出現(xiàn)火焰信號(hào)無溫度升高，采取蒸汽降溫措施；11判斷為火災(zāi)，采取二氧化碳滅火。柴油機(jī)掃氣箱火災(zāi)預(yù)防與滅火需要蒸汽系統(tǒng)、掃氣箱CO2系統(tǒng)、控制系統(tǒng)聯(lián)合工作，以及柴油機(jī)本身的降速配合。設(shè)計(jì)將幾個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合起來，一旦火災(zāi)發(fā)生，鍋爐將被控制系統(tǒng)點(diǎn)火，蒸汽壓力被檢測，掃氣箱蒸汽系統(tǒng)與CO2系統(tǒng)被開啟，柴油機(jī)降速等，并根據(jù)蒸汽壓力確定電磁閥開啟時(shí)間，共同執(zhí)行滅火任務(wù)。