一種閥控制系統(tǒng)的電氣原理圖設(shè)計

張樺育　朱慧敏　李翠芳　管石衛(wèi)

摘? ? 要：以深圳海上危險品應(yīng)急指揮船為研究對象，通過對規(guī)格書技術(shù)要求的解讀，用功能模塊劃分的方法制定了設(shè)計框圖，再通過分模塊的電路原理設(shè)計，最終組合成滿足設(shè)計要求的電氣原理圖。

關(guān)鍵詞：閥控制系統(tǒng);電氣原理;設(shè)計

中圖分類號：U665.13 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：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

深圳海上危險品應(yīng)急指揮船是我司設(shè)計建造的一艘近海航區(qū)特種用途船。本船主要用于深圳東部大鵬灣水域LNG船舶航行監(jiān)護、錨地監(jiān)控、轄區(qū)危險品碼頭與作業(yè)水域的安全監(jiān)管，以及包括危險品事故應(yīng)急在內(nèi)的現(xiàn)場綜合應(yīng)急指揮。該船建成后，具備較好的自我防護功能，可在警戒區(qū)域內(nèi)安全航行并實施人員撤離救助。

2? ? ?閥控制功能實現(xiàn)的方式

（1）本船設(shè)有1套艙室正壓維持系統(tǒng)，包括呼吸空壓機、高壓空氣瓶、減壓閥組、CO2吸收設(shè)備等。主要用于當(dāng)船舶所有開口封閉時，可向人員聚集區(qū)域釋放新鮮空氣，改善船內(nèi)空氣質(zhì)量，保證人員的正常呼吸;同時保證上建生活區(qū)空氣正壓，有效阻止外界危險氣體滲入安全區(qū);

（2）在危險氣體擴散的環(huán)境下，40 MPa高壓呼吸空氣瓶經(jīng)減壓閥組減至1 MPa后進入低壓呼吸空氣瓶，再減至0.15 MPa后送至上建駕駛室、應(yīng)急指揮中心、活動室、緊急醫(yī)療救助艙及主甲板氣鎖間的空氣釋放點;

（3）本船在主甲板左側(cè)室內(nèi)通道末端設(shè)置氣鎖間，當(dāng)實施撤離救助作業(yè)時，人員可通過氣鎖間前后的兩扇門進出。氣鎖間內(nèi)設(shè)壓縮空氣釋放點并與室外門連鎖，救援模式下當(dāng)室外門處于開啟狀態(tài)時可自動向氣鎖間內(nèi)釋放壓縮空氣，保持局部正壓，防止人員開門進出時危險氣體進入船體;

（4）送往上建四個艙室和主甲板氣鎖間的壓縮空氣分由兩個閥進行控制：為上建四個艙室送氣的電動閥，設(shè)置為在救援工況下自動開啟;為氣鎖間送氣的電磁閥，設(shè)置為與氣鎖間室外門聯(lián)鎖，當(dāng)室外門開啟時自動開啟釋放壓縮空氣。

通過《危險氣體警戒區(qū)域執(zhí)行任務(wù)操作規(guī)程》（以下簡稱《操作規(guī)程》）可知：本船設(shè)立的安全防護系統(tǒng)，可結(jié)合危險氣體探測器的的測值，人為決策發(fā)出一級指令（SM1）、二級指令（SM2）。當(dāng)任一探測器測值達到10LEL時，指揮人員通過安全防護系統(tǒng)向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出SM1激活信號，以切斷大部分室外非防爆負載、激活氣鎖間呼吸空氣閥與室外門聯(lián)鎖的功能，以及使得電站系統(tǒng)僅保留一臺柴發(fā)機組和2組動力電池并網(wǎng);當(dāng)任一探測器測值升至20LEL以上時，指揮人員通過安全防護系統(tǒng)向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出SM2激活信號，以切斷室外全部非防爆負載，激活上建四個艙室的呼吸空氣供氣功能，急停發(fā)電機組，使得全船進入純電池供電模式;此外，由于柴發(fā)機組不工作，因此還可通過電動閥關(guān)閉全船冷卻水系統(tǒng)中發(fā)電機組相關(guān)的冷卻支路。

由《全船技術(shù)規(guī)格書》、《操作規(guī)程》中可知：在船舶所有開口（門、窗、蓋等）封閉后，通過向上建四個艙室釋放呼吸空氣建立正壓，使得水域內(nèi)擴散的LNG不侵入本船;通過打開氣鎖間外門時能自動釋放呼吸空氣，實現(xiàn)在LNG擴散水域內(nèi)進出本船進行人員救助的功能。如圖1所示，氣鎖間是作為本船在LNG擴散水域航行時進出本船的緩沖區(qū)域。

3? ? 閥控制系統(tǒng)設(shè)計

任何輔助設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)，除了從《全船技術(shù)規(guī)格書》、《操作規(guī)程》獲取信息外，還得通過管路原理圖來了解對電氣控制方面的要求。圖2為艙室供氣管系圖。

由圖2可見：（1）來自于低壓空氣瓶的呼吸空氣，經(jīng)減壓閥組ASV4減壓后，再經(jīng)電動閥ASV12分成4路支管分別到達上建4個艙室。在通往4個艙室的管路上各有一個氣體流量調(diào)節(jié)閥（ASV8/ASV7/ASV9/ASV10），但非電動調(diào)節(jié)開度。從這路管路上看，其實對電氣控制而言還是很簡單的，在管路上并沒有流量/壓力參數(shù)對閥的開關(guān)狀態(tài)形成控制;（2）低壓空氣瓶的另一路出口，接到減壓閥組ASV5減壓后，先后經(jīng)氣體流量調(diào)節(jié)閥ASV11（非電動調(diào)節(jié)）、電磁閥ASV6接至主甲板氣鎖間，對于該電磁閥也是簡單的啟閉;（3）通過冷卻水管系圖，得知電動閥CWV44可以開閉到柴油發(fā)機組的冷卻支路，管路之中除了該電動閥，沒有壓力/溫度傳感器或流量調(diào)節(jié)裝置需要提供電氣控制。

通過上述分析，該閥控制系統(tǒng)就初步形成了：設(shè)計一套閥控制系統(tǒng)。在二級指令激活后，控制上建的持續(xù)供氣功能以維持正壓;一級指令激活后，控制氣鎖間外門與閥聯(lián)動功能;二級指令激活后，控制發(fā)電機組冷卻支路的關(guān)閉功能。但是，該控制系統(tǒng)的設(shè)計不能簡單地只對幾個閥進行遠程遙控，還需要繼續(xù)完善，并且要有安全防護方面的考慮，必需增加如下幾點：

（1）補充系統(tǒng)自身的激活功能，因為常規(guī)航行下該系統(tǒng)無需啟用;

（2）從可靠性考慮，當(dāng)遠程一級/二級指令遙控失效時，還能本地手動控制閥的開閉;

（3）氣鎖間作為在LNG擴散水域唯一的進出通道，本著維持正壓以及即便LNG氣體入侵也要降低LNG濃度的原則，此處不能同時開啟內(nèi)外門，需要在內(nèi)外門各安裝開閉狀態(tài)指示燈;

（4）氣鎖間的釋放最好有釋放延時關(guān)閉的功能;

（5）增加反饋功能，包括接收到一級/二級指令的反饋、閥開閉狀態(tài)的反饋，以及門開閉狀態(tài)的反饋。

根據(jù)以上所述，按功能模塊劃分，閥控制系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3所示。

4? ? 電氣原理圖設(shè)計

根據(jù)圖3的設(shè)計框圖，閥控制系統(tǒng)主要分為六個功能模塊：系統(tǒng)激活、控制部位轉(zhuǎn)換、上建4個艙室的供氣設(shè)計、氣鎖間（緩沖區(qū)域）進出的設(shè)計、柴發(fā)機組冷卻水支路的開閉設(shè)計、反饋。只要每個模塊分別用繼電器、接觸器、按鈕/轉(zhuǎn)換開關(guān)等基本元器件組合，最終模塊集成并稍加修改，就可以設(shè)計出符合預(yù)期的電氣原理圖。

為描述方便，我們把給上建4個艙室供氣的電動閥稱為1#電動閥，給氣鎖間供氣的電磁閥稱為2號電磁閥，而柴發(fā)機組冷卻水支路的電動閥稱為3#電動閥。

（1）系統(tǒng)激活

可采用啟動按鈕（常開）、停止按鈕（常閉）、繼電器及其輔助觸點，并結(jié)合自鎖回路的設(shè)計方式來實現(xiàn)激活功能。自鎖回路設(shè)計在電氣原理圖中極為常見，其核心是將繼電器的常開輔助觸點與啟動按鈕并聯(lián)，一旦按下啟動按鈕使得繼電器的線圈得電，則其并聯(lián)啟動按鈕的常開觸點就會閉合，往后即使松開啟動按鈕也能保證繼電器線圈的持續(xù)供電。

（2）控制部位轉(zhuǎn)換

控制部位轉(zhuǎn)換功能最理想的方式是采用轉(zhuǎn)換開關(guān)。由于本控制系統(tǒng)的三個閥均要有本地手動/遠程自動的控制部位，故可將轉(zhuǎn)換開關(guān)串聯(lián)繼電器，通過繼電器的輔助觸點來擴展。在控制電路當(dāng)中，利用串聯(lián)繼電器的方法來擴展信號是很常見的，通常用來解決觸點信號不夠的問題，如在配電板的風(fēng)油遙切控制回路便是如此，常需要同時切斷若干個斷路器;另外，按照設(shè)計要求，遠程控制中1號電動閥和3號電動閥需要安全防護系統(tǒng)的二級指令信號觸發(fā)，而2號電磁閥需要安全防護系統(tǒng)的一級指令信號觸發(fā)。

（3）上建4個艙室的供氣設(shè)計

對上建4個艙室的供氣設(shè)計，實際就是對電動閥的開閉控制設(shè)計，以及閥的狀態(tài)反饋。通過電動閥的原理圖，可知其4號端子接控制電源的一側(cè)，9號端子接開閥指令，10號端子接關(guān)閥指令，14/15號端子構(gòu)成閥開到位指示，14/16號端子構(gòu)成閥關(guān)到位指示，而11號端子接加熱器的一端，本項目可無需使用;通過串接繼電器的輔助觸點或串接繼電器，很容易實現(xiàn)開/關(guān)閥及開/關(guān)到位指示，但要注意所需信號是有源還是無源，開/關(guān)閥需要有源信號，而開/關(guān)到位指示則是通過無源觸點信號輸出。如圖4所示。

（4）氣鎖間進出的設(shè)計

此項設(shè)計分兩部分：一部分是氣鎖間的供氣設(shè)計;另一部分是氣鎖間內(nèi)/外門打開時的報警。

電磁閥的開閉設(shè)計很簡單，即通電開啟、斷電關(guān)閉。由于有延時關(guān)閉的要求，故需加入延時繼電器;由于氣鎖間并不需要一直保持釋放呼吸空氣，只有外門打開時才需要釋放，故通過室外門的行程開關(guān)觸點串上繼電器，以此來擴展外門啟閉的信號，作為本地開閥和遙控開閥的必要條件;此外，對于氣鎖間內(nèi)/外門打開時的報警設(shè)計，可將內(nèi)/外門的行程開關(guān)擴展后的觸點信號分別串入報警燈即可;而為使得同時打開內(nèi)外門時觸發(fā)蜂鳴器報警，只需把兩個門所擴展的常開輔助觸點串上蜂鳴器接上電源即可。

（5）柴發(fā)機組冷卻水支路的開閉設(shè)計

3#電動閥的開閉設(shè)計與1#電動閥基本一樣，需注意的是二級指令輸入時，是關(guān)閉3#電動閥，這個正好跟1#電動閥相反，因此只要在遙控線路上做一下對調(diào)即可。

（6）反饋

反饋包括自動功能激活反饋、閥狀態(tài)反饋以及門狀態(tài)反饋。反饋的目的在于讓相關(guān)系統(tǒng)知悉本系統(tǒng)是否執(zhí)行到位，通常采用繼電器的輔助觸點來反饋。

最終設(shè)計電氣原理圖，如圖5～圖7所示。

5? ? ?閥控制系統(tǒng)功能

（1）閥控制系統(tǒng)在常規(guī)航行時無需使用，救援工況下需按下控制箱激活按鈕以激活開啟相關(guān)功能;

（2）閥控制系統(tǒng)對1號電動蝶閥的控制模式，分為本地和遙控兩種模式：本地模式下在控制箱面板上可手動開啟和關(guān)閉1號電動蝶閥;遙控模式下可由安全防護系統(tǒng)二級指令開啟或關(guān)閉;

（3）閥控制系統(tǒng)對2號電磁閥的控制模式，分為本地（手動）和遙控兩種模式：本地模式下在控制箱面板上可手動開啟和關(guān)閉2號電磁閥;遙控模式下該電磁閥由安全防護系統(tǒng)一級指令遠程開啟或關(guān)閉;需注意無論何種模式，電磁閥始終與氣鎖間室外門的門開關(guān)傳感器聯(lián)動，只有當(dāng)室外門開啟時才可開啟釋放呼吸空氣，而當(dāng)室外門關(guān)閉時延遲2 s（可調(diào)）關(guān)閉電磁閥;閥控制箱還有門聯(lián)鎖報警功能，當(dāng)一級指令激活的情況下，根據(jù)控制箱采集的門限位信號;當(dāng)氣鎖間室外/室內(nèi)門被同時打開，則就地發(fā)出聲光報警信號;另外，任意一個門打開都會有燈光提醒;

（4）閥控制系統(tǒng)對3號電動蝶閥的控制模式，分為本地和遙控兩種模式：控制功能同1號電動蝶閥;

（5）閥控制系統(tǒng)能輸出安全防護系統(tǒng)的指令接收狀態(tài)，以及閥門開閉、門開閉狀態(tài)。

6? ? 結(jié)論

通過以上分析，用功能模塊劃分的方法設(shè)計電氣控制原理圖。實船試驗結(jié)果表明，滿足規(guī)格書技術(shù)要求。通過本案例，可為類似船舶電氣原理圖設(shè)計提供參考。