CN102900526B - 一种柴油机安全保护控制方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柴油机安全保护技术领域，公开一种线路故障监测的柴油机安全保护控制方法及控制器，所述方法包括：用于判断开关量信号传感器测量线路故障的方法；用于电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测的方法；用于处理主控模块所采集的开关量信号状态、线路故障信号状态等信息分类显示的方法；所述控制器包括：主控模块结构电路、从控模块结构电路、开关量信号采集电路、紧急停机电磁阀线路故障侦测电路、安全保护控制报警电路，所述主控模块结构电路通过RS485通讯接口与从控模块结构电路相连；本发明能够智能的对一些故障的监控与报警，实现柴油机超速等异常情况下的自动紧急停车保护，提高柴油机系统运行安全型、可靠性及提高了控制精度。
Description
【技术领域】
本发明涉及柴油机安全保护技术领域，尤其是涉及一种线路故障监测的柴油机安全保护控制方法及控制器。
【背景技术】
目前柴油机安全保护的各种功能大多采用分立器件、或通用性PLC实现，虽然一定程度上解决了柴油机安全运行问题，但由于不具备信号线路故障侦测等功能，因此综合可靠性仍需进一步提升。国内经济的飞速发展使大型远洋船舶及重型工程机械等高端装备的应用领域迅速拓宽，动力系统作为装备的核心部分其技术需求也越来越高，国内与国际的相关规范要求也越来越严格，提供更高效、更安全的动力系统安全保护已经成为必不可少的组成部分。
【发明内容】
为解决因柴油机控制箱内安全保护控制系统的监控面单一，导致安全保护系数低的问题。本发明提供一种具有线路故障监测的柴油机安全保护控制方法及控制器；能够在常规柴油机监控系统的基础上增加独立安全保护控制器可有效实现异常情况下的冗余保护控制，与同类传统装置相比具备了传感器（开关量）线路故障侦测、紧急停机操作指令线路故障侦测、现场总线通讯、系统故障报警等综合能力，大幅提高了柴油机系统运行的安全性、可靠性。本发明具有结构简单、成本更为低廉、综合适用性更强，能够满足高速大功率柴油机在船舶系统中的应用，提高柴油机运行以及安全保护装置工作的安全性、可靠性。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种柴油机安全保护控制器，包括：主控模块结构电路、从控模块结构电路、开关量信号采集电路、紧急停机电磁阀线路故障侦测电路、安全保护控制报警电路，所述主控模块结构电路通过RS485通讯接口与从控模块结构电路相连；所述主控模块结构电路第一输入端通过开关量信号采集电路与柴油机输出开关量信号的传感器相连；所述主控模块结构电路第二输入端通过紧急停机电磁阀线路故障侦测电路与柴油机电磁阀驱动电路相连；所述主控模块结构电路第三输入端通过操作模块接口电路与操作按钮组相连；所述主控模块结构电路第四输入端通过信号接口电路与基本监控系统失效信号、柴油机运行信号相连；所述主控模块结构电路输出端通过输出接口电路与安全保护控制报警电路相连。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块结构电路由中央处理器电路、通讯电路、看门狗电路、传感器测量电路、线路故障检测电路、操作指令检测电路、参数配置电路等组成，主要核心器件有W78E52D、MAX813L、MAX485、LM124、CD4099、UL2803、4N25、LM2596、7812等。主控模块采集各种传感器状态信号、线路故障信号、操作指令、配置参数等，按照应用程序进行逻辑处理，处理后的结果一方面驱动继电器控制电路进行输出，另一方面按照MODBUS-RTU协议格式封装并通过RS485通讯接口输出。
一种柴油机安全保护控制器，所述从控模块结构电路由W78E52D、MAX485、UL2803、MAX7219、LED指示灯、数码管等元件构成；所述从控模块具有通过RS485通讯接口将接收到主控模块所发送的数据按照设定的通讯协议进行解析，将转速、紧急停机报警、线路故障报警的信息通过LED指示灯、数码管进行分类指示，达到分类查询的目的。
一种柴油机安全保护控制器，所述开关量信号采集电路由开关量传感器S1与两个比较器相连组成，每个比较器（集成运算放大器）LM124与光耦4N25相连；且开关量传感器S1输出端与第一个比较器的反相信号输入端相连，并与第二个比较器的正向信号输入端相连。
一种柴油机安全保护控制器，所述紧急停机电磁阀线路故障侦测电路采取电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测，由电磁阀线圈V1与电阻R1构成的分压电路与比较器相连构成，比较器由LM124集成运算放大器及相关配置电阻和与光耦4N25相连组成。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块结构电路封装在铝合金壳体内，主控模块结构电路的接口配置包括：输入引线端子、输出引线端子、通讯引线端子、参数配置拨码开关、试验按钮、指示灯。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块输入引线端子由左至右依次定义：电源正极、电源正极、电源负极、电源负极、磁电式转速传感器、遥控紧急停机指令、机旁紧急停机指令、复位指令、基本监控系统故障状态、柴油机运行状态、越控指令、试灯指令、消音指令、急停电磁阀A线路故障侦测、急停电磁阀B线路故障侦测、开关量形式冷却水温度过高传感器、开关量形式曲轴箱压力高传感器、开关量形式润滑油压力过低传感器。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块输出引线端子由左至右依次定义：位0为信号公共端、位1为紧急停机驱动信号、位2为蜂鸣器驱动信号、位3为信号公共端、位4为控制器综合报警、位5为主控模块电源故障、位6为主控模块失效、位7为线路故障综合报警、位8为冷却水温度过高报警、位9为曲轴箱压力高报警、位10为润滑油压力过低报警、位11为超速报警、位12为信号公共端。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块通讯引线端子由左至右依次定义： RS485总线GND、RS485总线、RS485总线。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块参数配置拨码开关由左至右依次定义：位1为柴油机额定工作转速选择、位2为柴油机超速报警设定值与额定转速值百分比、位3位4为组合设定不同柴油机型情况下转速传感器所检测飞轮齿数。
一种柴油机安全保护控制器，所述主控模块指示灯：绿色为工作电源指示、红色为RS485通讯链路状态指示。
一种柴油机安全保护控制器，所述显示模块结构采用铝合金外壳封装，显示面板PVC贴膜防护，模块功能接口包括：电源输入引线端子、通讯接口引线端子、显示窗口。
一种柴油机安全保护控制器，所述显示模块中显示窗口内容包括：柴油机即时转速0-9999RPM、超速报警指示、转速传感器线路故障报警指示、润滑油压力过低报警指示、润滑油压力过低传感器线路故障报警指示、曲轴箱压力高报警指示、曲轴箱压力高传感器线路故障报警指示、冷却水温度过高报警指示、冷却水温度过高传感器线路故障报警指示、安全保护控制器综合故障报警指示、紧急停机电磁阀线路故障报警指示、基本监控/报警系统工作电源故障指示、基本监控/报警系统失效故障指示、遥控紧急停机按钮线路故障指示、机旁紧急停机按钮线路故障指示、越控状态指示、柴油机运行状态指示、工作电源指示、紧急停机状态指示。
一种柴油机安全保护控制器，所述基本监控系统为安全保护控制器以外满足柴油机基本运行条件的监控系统。
一种柴油机安全保护控制方法，包括：用于判断开关量信号传感器测量线路故障的方法；用于电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测的方法；用于处理主控模块所采集的开关量信号状态、线路故障信号状态等信息分类显示的方法；
1）、用于判断开关量信号传感器测量线路故障的方法，采用LM124集成运算放大器构建出电位比较器电路，来满足开关量传感器工作状态及线路故障状态的识别，通过分别将两组比较器设置不同的比较电位得出真值表，从而判断传感器的各种工作状态及测量线路故障状态；
当STATE1=TRUE且STATE2=TRUE时表示传感器测量线路正常且S1未闭合；
当STATE1=TRUE且STATE2=FALSE时表示传感器测量线路正常且S1闭合；
当STATE1=FALSE时表示传感器测量线路出现中断；
按照上述判断条件编写单片机程序，最终完成信号采集、判断、报警处理、保护驱动功能；
2）、用于电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测的方法，通过柴油机上安装的电磁阀线圈V1与主控模块内部电阻R1构成分压电路，R3、R4将D1比较器反相输入端基准比较电压设置在10V，电磁阀未驱动状态下D1同相输入端的电位约24V；
当安全保护控制器未驱动电磁阀工作，且电磁阀线圈V1及供电回路未出现中断时，STATE点电位为5V（TRUE）；
当安全保护控制器未驱动电磁阀工作，且电磁阀线圈V1及供电回路出现中断时，STATE点电位为0V（FALSE）；
根据上述判断条件编制单片机应用软件最终完成线路故障侦测；
3）、用于处理主控模块所采集的开关量信号状态、线路故障信号状态等信息分类显示的方法,安全保护控制器主控模块输入端引入各种开关量传感器的工作状态信号及线路故障信号、开关量按钮组所输入控制信号，各单元比较器电路将各种信号状态处理后送入中央处理器，中央处理器中的应用程序依据设计逻辑对各种信号状态进行综合处理，将处理后的数据结果依据MODBUS-RTU协议进行封装，通过单片机串口发送至接口电路MAX485进行电平信号转换，最终将数据结果通过RS485总线传送至从控模块；发送过程中指示灯D2会随数据的变化而闪烁；从控模块中央处理器对接收到的正确数据进行协议解析，将解析后的数据结果通过显示窗口进行分类显示，达到信息分类指示的目的；
其中主控模块采用了硬件看门狗电路MAX813，喂狗周期定义为1.6S，当单片机错误或异常未能按照程序设计要求定期输出喂狗信号时（即两次喂狗间隔大于1.6秒），MAX813将输出WDO信号驱动光耦、三极管、继电器产生主控模块故障报警信号。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下实施的优越性：
一种线路故障监测的柴油机安全保护控制方法及控制器，是一种具有RS485现场总线通讯、单片机数字化控制特点的柴油机安全保护装置，用于柴油机超速、润滑油压力过低、冷却水温度过高、曲轴箱压力高异常情况下的自动保护控制。该型控制器采用增强型51系列单片机为控制核心，配置转速信号整形电路、开关量传感器状态检测及测量线路故障侦测电路、按钮控制指令检测及线路故障侦测电路、保护控制驱动电路、RS485通讯电路、分类状态显示驱动电路等，通过综合逻辑处理后实现柴油机超速等异常情况下的自动紧急停车保护，提高柴油机系统运行安全性、可靠性。
本发明是运用数字控制技术结合自身柴油机运行时的安全保护需求而设计的。柴油机安全保护控制器最小应用由1个主控模块、1个从控模块（数据显示）两部分组成，主控模块负责信号采集、逻辑处理、控制输出，从控模块负责状态、报警等信息的分类指示，通过RS485总线将主控模块与显示模块构成系统整体，同时可根据应用需求在RS485总线上配置多个相同的显示模块用于不同区域位置的分类信息提示。
本发明与现有安保系统比较更为集成化，主控模块与从控模块仅需一根通讯线就可完成数据的传输与接收，模块之间的通讯应用MODBUS-RTU协议，协议格式通用性强、简单易懂、灵活性高，便于检修与维护。内部主控制CPU芯片选用价格合理的增强型51单片机，其功能完全满足对现有柴油机安全保护相关参数的处理与运算，实际应用中大大提高了控制精度，操作更便捷，柴油机控制仅需人为的操作起动与停机按钮，柴油机运行工作中，安保控制器可以智能的对一些故障的监控与报警，操作人员只需对显示系统做监控与记录即可。
【附图说明】
图1为柴油机控制系统结构图；
图中：图中：1、基本监控系统，2、传感器，3、柴油机，4、安全保护执行元件，5、安全保护控制系统，6、基本监控执行元件。
图2为安全保护控制器应用示意电路图；
图3为开关量信号采集电路图；
图4为紧急停机电磁阀线路故障侦测电路图；
图5为控制器系统故障及RS485通讯电路图；
图6为安全保护控制器主控模块电路结构方框图
图7为从控模块（显示模块）电路结构方框图；
图8为安全保护控制器主控模块结构面板示意图；
图9为从控模块（显示模块）结构面板示意图。
【具体实施方式】
通过下面的实施实例可以更详细的解释本发明；
本发明是在船用柴油发电机机旁控制系统内做独立安全保护应用。柴油机运行时，通过对燃油/滑油/海水/淡水的压力、燃油/滑油/海水/淡水的温度、运行转速等参数的时时监控，可以使工作人员有效识别柴油机运行时的健康状况，通过设置独立的安全保护系统，进一步提高远洋船舶中柴油机运行的安全性、可靠性。
如附图1简要概括了整个系统的架构，柴油机3上安装1～n个各类传感器2以确保各类监控数据得以采集与传递，传感器2采集的数据包括模拟信号（0-5V或4-20mA）/开关量信号（逻辑状态0和1）分别进入基本监控系统1和安全保护控制系统5进行运算处理，按照应用逻辑要求将处理结果传送至安全保护执行元件4、基本监控执行元件6完成系统闭环控制。
其中，基本监控系统中已经对润滑油压力、冷却水温度做了第一级的预报警，当出现预报警时系统仅仅进行声光提示，不进行紧急停止运行处理。安全保护控制系统中润滑油压力过低、冷却水温度过高是第二级报警，当出现该类报警时说明柴油机安全状况已经十分危险，因此报警的同时需采取紧急停机保护措施。
其中，基本监控系统失效输入指令，提供该指令输入口用于安全保护控制系统识别基本监控系统是否处于正常工作状态，安全保护控制系统失效时也有报警信号输出，两个系统之间通过该类报警信号可实现相互监控，目的是提高系统综合可靠性。
其中，运行、越控信号的输入如下：
运行信号：该信号来自基本监控系统，当基本监控系统识别到柴油机运转则输出该信号进入安全保护控制器。安全保护控制器如果检测到该信号同时自身转速传感器也已检测到信号，则说明安全保护控制器转速测量电路工作正常，反之说明测速电路出现故障。
越控信号：作为船舶主推进柴油机、应急发电机组等场合，规范要求在特殊应急状态下除超速以外不允许柴油机停车，因此设置该输入接口。当该信号输入后，除超速以外都不能引起柴油机紧急停机，但故障出现时仍会激活声、光报警。
本发明根据中国船级社钢制海船入级规范2006（第四分册）的要求将传感器测量线路故障报警及引起发动机紧急停机保护的报警（如：超速报警、滑油压力过低报警、水温过高报警、曲轴箱压力高报警）集成到安全保护控制部分，安全保护控制功能的独立配置使系统更加完善。
其中，超速保护，是指柴油机出现超速后将可能引起机毁人亡的严重事故，因此需设置该报警保护。主控模块接入传感器进行转速测量，传感器安装在柴油机飞轮处，中央处理器CPU通过高速计数功能获取脉冲个数并按照计算公式得出当前实际转速；公式：（每秒钟高速计数值×60）÷飞轮齿数=转速。
由于高速计数1秒钟得到一个实际转速测量时间过长，因此将每秒高速计数值降低至每250毫秒计数值进行运算，变形公式为：（每250毫秒高速计数值×240）÷飞轮齿数=转速。通过该方式转化，可实现1秒钟内测得4个实际转速值，提高系统保护功能的灵敏度。
中央处理器CPU（单片机W78E52D）将测到的当前转速值与超速门限值进行比较，当实际转速连续三次大于超速门限时，驱动紧急停机电路并自锁，控制电磁阀切断柴油机的燃油及空气实现强制停车，同时产生声、光报警提示操作人员及其它系统，当柴油机可靠停止后操作人员通过输入复位指令才可解除自锁状态。
由上述可知控制器需设定飞轮齿数、超速门限值，因此控制器配置了拨码开关用于设置该类参数。超速门限值=额定转速值×超速百分比。
其中，润滑油压力过低保护，是指柴油机运行时如果润滑油压力出现过低时将有可能造成拉缸、抱轴等严重设备事故，为防止该类事故系统设置了润滑油压力过低报警并紧急停机功能。
首先中央处理器CPU将实际转速与柴油机运行转速（大于300rpm）进行比较，柴油机当前转速大于运行转速值则说明柴油机已经处于运行状态，柴油机进入运行状态后滑油压力应当可靠建立同时将压力过低开关传感器状态由常闭转换为常开。安全保护控制系统进入正常监控状态，当出现转速大于300rpm且压力过低开关连续1000ms闭合的情况时，说明柴油机滑油压力出现严重异常，此时紧急停机电路被驱动并自锁，强制柴油机停止运行，待柴油机停止后可进行人为系统复位解除自锁。加入1000ms延时确认判断是数字滤波的目的，提高系统的准确性，可靠性。
其中，曲轴箱压力高保护，是指柴油机运行时如果曲轴箱压力出现过高，说明气缸的密闭出现问题是拉缸的前兆，对于大功率发动机而言这是十分危险的，因此为避免出现严重拉缸现象损害设备安全，设置了曲轴箱压力高报警保护功能。该部分控制流程与滑油压力过低功能相似。
其中，淡水温度过高保护，是指柴油机运行时如果冷却水温度出现过高则说明柴油机严重异常，对于高速大功率发动机而言这是十分危险的，因此为避免出现严重设备损害，设置了冷却水温度过高报警保护功能。该部分控制流程与滑油压力过低功能相似。
当超速、滑油压力过低、冷却水温度过高、曲轴箱压力高时该类信号将引起紧急停机保护，同时该类报警以分项开关量形式输出至基本监控系统，一方面基本监控系统可具体识别到具体出现何种原因造成紧急停机保护，另一方面可利用基本监控系统的外部通讯功能将该类信息传送至船舶计算机网络。
其中，试验按钮功能，是提供一种模拟测试控制器超速、油压过低报警保护功能。
其中，拨码开关是完成超速功能中已需设置参数，拨码开关还可完成该类常规参数的配置。
其中，试灯、消音指令输入，即输入该试灯指令后强制点亮所有指示灯，从判断所有指示灯是否正常。当系统出现声、光报警时，输入该消音指令后系统将消除声报警，同时将指示灯闪光变为持续光，消除声音的目的是为其它报警激活时提供声报警准备。
其中，紧急停机驱动输出，提供该驱动信号输出用于扩展大功率接触器并驱动紧急停机电磁阀。
其中，关于安全保护控制器电源故障、失效故障输出信号，该信号进入基本监控系统，一方面基本监控系统可识别到安保出现严重故障，另一方面可利用基本监控的外部通讯功能将该类信息传送至船舶计算机网络。
其中，线路故障综合报警输出信号，由于所有报警分项以开关量形式输出将使控制器复杂且体积较大，且该类信号并不引起紧急停机保护，因此对线路故障综合报警提供合并信号输出。当转速、滑油压力过低、冷却水温度过高、曲轴箱压力高、紧急停机按钮电路故障等任一报警出现时都将激活线路故障综合报警信号，该信号进入基本监控系统，一方面基本监控系统可识别到安保出现严重故障，另一方面可利用基本监控的外部通讯功能将该类信息传送至船舶计算机网络。
关于线路故障侦测，由上述情况可知安全保护所检测的转速、滑油压力、曲轴箱压力、冷却水温度参数的正确性、有效性是十分重要的。为避免出现因传感器测量电路故障而引起的柴油机故障漏判、错判等问题，安全保护控制系统对引起紧急停机的各传感器信号进行线路故障侦测，当传感器测量电路出现故障时提示系统及时进行排除，极大提高系统运行的可靠性。
1）、主控模块结构，采用铝合金外壳封装，配置输入、输出引线端子、参数配置拨码开关、试验按钮。参见附图8
主控模块接口配置表
| 序号 | 名称 | 类别 | 功能描述 | 备注 |
| 1 | + | 输入 | 电源正极 | 引线端子 |
| 2 | + | 输入 | 电源正极 | 引线端子 |
| 3 | - | 输入 | 电源负极 | 引线端子 |
| 4 | - | 输入 | 电源负极 | 引线端子 |
| 5 | 0 | 输入 | 转速传感器 | 引线端子、磁电式 |
| 6 | 1 | 输入 | 遥控紧急停机指令 | 引线端子 |
| 7 | 2 | 输入 | 机旁紧急停机指令 | 引线端子 |
| 8 | 3 | 输入 | 复位指令 | 引线端子 |
| 9 | 4 | 输入 | 基本监控系统故障 | 引线端子 |
| 10 | 5 | 输入 | 柴油机运行状态 | 引线端子 |
| 11 | 6 | 输入 | 越控指令 | 引线端子 |
| 12 | 7 | 输入 | 试灯指令 | 引线端子 |
| 13 | 8 | 输入 | 消音指令 | 引线端子 |
| 14 | 9 | 输入 | 急停电磁阀2线路故障侦测 | 引线端子 |
| 15 | 10 | 输入 | 急停电磁阀1线路故障侦测 | 引线端子 |
| 16 | 11 | 输入 | 冷却水温度过高传感器 | 引线端子、开关量形式 |
| 17 | 12 | 输入 | 曲轴箱压力高传感器 | 引线端子、开关量形式 |
| 18 | 13 | 输入 | 润滑油压力过低传感器 | 引线端子、开关量形式 |
| 19 | - | 通讯 | 电源负极 | 引线端子 |
| 20 | B | 通讯 | RS485总线B | 引线端子 |
| 21 | A | 通讯 | RS485总线A | 引线端子 |
| 22 | 0 | 输出 | 输出引脚1、2信号公共端 | 引线端子 |
| 23 | 1 | 输出 | 紧急停机驱动信号 | 引线端子 |
| 24 | 2 | 输出 | 蜂鸣器驱动信号 | 引线端子 |
| 25 | 3 | 输出 | 输出引脚4信号公共端 | 引线端子 |
| 26 | 4 | 输出 | 控制器综合报警 | 引线端子 |
| 27 | 5 | 输出 | 控制器电源故障 | 引线端子 |
| 28 | 6 | 输出 | 控制器失效 | 引线端子 |
| 29 | 7 | 输出 | 线路故障侦测综合报警 | 引线端子 |
| 30 | 8 | 输出 | 冷却水温度过高报警 | 引线端子 |
| 31 | 9 | 输出 | 曲轴箱压力高报警 | 引线端子 |
| 32 | 10 | 输出 | 润滑油压力过低报警 | 引线端子 |
| 33 | 11 | 输出 | 超速报警 | 引线端子 |
| 34 | 12 | 输出 | 输出引脚5、6、7、8、9、10、11信号公共端 | 引线端子 |
| 35 | 试验按钮 | 输入 | 模拟测试超速、润滑油压力过低报警功能 | 本体安装 |
| 36 | 拨码开关 | 输入 | 配置控制器工作模式 | 本体安装 |
| 37 | 电源指示灯 | 输出 | 控制器工作电源指示 | 本体安装 |
| 38 | 链接指示灯 | 输出 | RS485通讯链路状态指示 | 本体安装 |
2）、从控模块（显示）结构采用铝合金外壳封装，显示面板贴膜防护，配置工作电源、RS485通讯接口。参见附图9
从控模块（显示）接口配置
| 序号 | 名称 | 类别 | 功能描述 | 备注 |
| 1 | 24V+ | 输入 | 电源正极 | 引线端子 |
| 2 | 24V- | 输入 | 电源负极 | 引线端子 |
| 3 | A | 通讯 | RS485总线A | 引线端子 |
| 4 | B | 通讯 | RS485总线B | 引线端子 |
| 5 | 转速 | 显示 | 柴油机即时转速显示 | 0-9999RPM |
| 6 | 超速报警停机 | 显示 | 控制超速报警并紧急停机指示 | LED指示灯 |
| 7 | 转速线路故障 | 显示 | 转速传感器线路故障报警 | LED指示灯 |
| 8 | 油压过低停机 | 显示 | 润滑油压力过低报警并紧急停机指示 | LED指示灯 |
| 9 | 油压开关线路故障 | 显示 | 润滑油压力过低传感器线路故障报警 | LED指示灯 |
| 10 | 曲轴箱压力高停机 | 显示 | 曲轴箱压力高报警并紧急停机指示 | LED指示灯 |
| 11 | 气压开关线路故障 | 显示 | 曲轴箱压力高传感器线路故障报警 | LED指示灯 |
| 12 | 冷却水温度过高 | 显示 | 冷却水温度过高报警并紧急停机指示 | LED指示灯 |
| 13 | 水温开关线路故障 | 显示 | 冷却水温度过高传感器线路故障报警 | LED指示灯 |
| 14 | 安全系统综合故障 | 显示 | 安全保护控制器综合故障报警 | LED指示灯 |
| 15 | 急停阀线路故障 | 显示 | 紧急停机电磁阀线路故障报警 | LED指示灯 |
| 16 | 报警电源故障 | 显示 | 基本监控、报警系统工作电源故障 | LED指示灯 |
| 17 | 报警系统故障 | 显示 | 基本监控、报警系统失效故障 | LED指示灯 |
| 18 | 遥控紧急停机线路故障 | 显示 | 遥控紧急停机按钮线路故障 | LED指示灯 |
| 19 | 机旁紧急停机线路故障 | 显示 | 机旁紧急停机按钮线路故障 | LED指示灯 |
| 20 | 越控指示 | 显示 | 越控状态指示 | LED指示灯 |
| 21 | 备用指示灯 | 显示 | LED指示灯 | |
| 22 | 安保运行 | 显示 | 安全保护控制器判断柴油机运行状态指示 | LED指示灯 |
| 23 | 安全系统电源 | 显示 | 工作电源指示 | LED指示灯 |
| 24 | 紧急停机 | 显示 | 紧急停机电磁阀驱动指示 | LED指示灯 |
3）、附图2为安全保护系统应用电路示意图，系统最小配置应当包含1个主控模块（安全保护控制器）和1个从控模块（安全保护显示面板）。
4）、附图3为开关量信号采集电路。该单元电路适用于开关量传感器信号的采集和紧急停机按钮信号的采集，开关量传感器包括：滑油压力过低传感器、淡水温度过高传感器、曲轴箱压力高传感器，紧急停机按钮包括：机旁紧急停机按钮、遥控紧急停机按钮。为有效识别开关量传感器信号状态及检测线路故障状态，采用集成运算放大器LM124构建出电位比较器电路，通过分别将两组比较器设置不同的比较电位得出真值表，从而判断传感器的各种状态。对照附图进行如下原理分析：
实际应用中将开关量传感器S1输出端子并联10K电阻R1，R1与主控模块内部电阻R2组成分压电路，线段L1、L2为传感器至主控模块之间的信号电缆，该分压信号分别进入运放大器D1反相输入端和D2同相输入端。R3、R4将D1比较电位设置在10V，R7、R8将D2比较电位设置在2V。D1反相输入端、D2同相输入端电位值在S1未闭合时为6V；在S1闭合时为0V；当L1或L2连接电缆出现中断时为12V。实际工作时电路各点状态满足如下表：
根据上表内容可以知道，当STATE1=TRUE且STATE2=TRUE时表示传感器检测电路正常且S1未闭合；当STATE1=TRUE且STATE2=FALSE时表示传感器检测电路正常且S1闭合；当STATE1=FALSE时表示传感器检测电路出现中断。
根据按照上述判断条件编写单片机程序，最终完成信号采集、判断、报警处理、保护驱动等功能。
5）附图4为紧急停机电磁阀线路故障侦测。该电磁阀主要用于切断柴油机的进气通路、燃油通路，该电磁阀的工作仅在出现紧急停机保护时，正常停机过程不受控制，未避免紧急停机情况出现时该类电磁阀无法正常工作而导致事故扩大的现象，安全保护控制对该类电磁阀驱动电路进行了非工作时段的完好性检测，目的是提高系统运行的安全性、可靠性。
该单元电路适用包括：紧急停机电磁阀A、紧急停机电磁阀B。由于该类电磁阀工作时电流较大，因此不适宜采用在电磁阀驱动电路中串入小阻值大功率电阻获得取样电压信号而实现全时段线路故障侦测的方法。考虑到该电磁阀驱动信号由控制器本身发出，故采取电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测而电磁阀被驱动时段停止故障侦测的方法。采用集成运算放大器LM124构建出电位比较器电路，通过紧急停机电磁阀驱动控制指令与比较器电路结果相结合的判断条件，从而判断出线路是否存在故障。对照附图进行如下原理说明：
电磁阀线圈V1与主控模块内部电阻R1构成分压电路，电磁阀线圈直流电阻约为20欧姆，正常电磁阀未驱动状态下运算放大器D1同相输入端的电位约24V，R3、R4将D1比较器反相输入端基准比较电压设置在10V。当主控模块未发出紧急停机指令使KM触点未闭合、电磁阀V1未工作，并且电磁阀V1驱动电路电缆L1、L2未出现中断时，STATE点电位为5V（TRUE）；当主控模块未发出紧急停机指令使KM触点未闭合、电磁阀V1未工作，但电磁阀V1驱动电路电缆L1、L2出现中断时，STATE点电位为0V（FALSE）；当主控模块发出紧急停机指令时KM触点闭合、电磁阀V1得电工作，此时停止电磁阀V1线路故障侦测。根据上述判断条件编制单片机应用软件最终完成线路故障侦测。
6）附图5为控制器（主控模块）系统故障及RS485通讯电路。本部分电路采用广泛应用的MAX813、MAX485集成芯片及W78E52D单片机构成。
单片机通过串口发送数据至MAX485，经电平信号转换后将数据送至RS485总线，发送过程中D2指示灯会随数据的变化而闪烁；外部数据进入控制器后经MAX485进行电平变换由串口进入单片机。由于RS485总线为半双工通讯模式，因此在单片机程序中进行通讯时序控制，本控制器按照MODBUS-RTU协议主从模式进行通讯时序控制，控制器（主控模块）为主站、显示模块（从控模块）为从站。
本控制器采用了硬件看门狗电路MAX813，喂狗周期定义为1.6S，当单片机错误或异常未能按照程序设计要求定期输出喂狗信号时（两次喂狗间隔大于1.6秒），MAX813将输出WDO信号驱动光耦、三极管、继电器，产生系统故障报警。
7）附图7显示模块（从控模块）电路结构示意图。本部分电路采用单片机W78E52D、通讯电路MAX485、开关量驱动UL2803、显示驱动MAX7219、LED指示灯（发光二极管）、数码管等构成，通过通讯链路RS485接收安全保护控制器数据，通过单片机程序按照约定的通讯协议进行解析将转速、各类紧急停机报警、线路故障报警等信息进行分类指示，最终达到分类查询的目的。蜂鸣器驱动输出，由于控制器自身信号容量有限，因此提供该信号扩展驱动大功率蜂鸣器。
8）通讯协议描述。本系统数据通讯协议约定了安全保护控制器（主控模块）与配套显示模块（从控模块）之间的数据传输格式，是总线RS485数据发送封装与接收解析的依据。RS485通讯接口用于主控模块与从空模块间的数据交换。
链路通讯为半双工通讯模式，依据MODBUS-RTU协议格式编制。由安全保护控制器负责数据采集、处理，并按照约定协议格式向显示模块发送数据，安全保护控制器为协议主站，显示模块为协议从站，从站地址03H。
通讯参数配置
| 名 称 | 描 述 |
| 通讯类型 | RS485，两线制。 |
| 波特率 | 9600bps |
| 起始位 | 1位 |
| 数据位 | 8位 |
| 停止位 | 1位 |
| 校验位 | 无校验位 |
通讯指令功能码描述
| 序号 | 功能描述 | 功能码 | 备注 |
| 1 | 写保持寄存器 | 10H |
说明：根据应用需求，本协议仅支持写保持寄存器功能。
只读保持寄存器区描述
| 序号 | 寄存器地址HEX | 名 称 | 显 示 | 传送数据范围 |
| 1 | 0000H | 转速 | 0~9999 | 0~9999 |
| 2 | 0001H | 左列指示字节 | 0~65535 | |
| 3 | 0002H | 右列指示字节 | 0~65535 |
说明：所有数据为无符号整型。
Claims (8)
1.一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：包括：主控模块结构电路、从控模块结构电路、开关量信号采集电路、紧急停机电磁阀线路故障侦测电路、安全保护控制报警电路，所述主控模块结构电路通过RS485通讯接口与从控模块结构电路相连；所述主控模块结构电路第一输入端通过开关量信号采集电路与柴油机输出开关量信号的传感器相连；所述主控模块结构电路第二输入端通过紧急停机电磁阀线路故障侦测电路与柴油机电磁阀驱动电路相连；所述主控模块结构电路第三输入端通过操作模块接口电路与操作按钮组相连；所述主控模块结构电路第四输入端通过信号接口电路与基本监控系统失效信号、柴油机运行信号相连；所述主控模块结构电路输出端通过输出接口电路与安全保护控制报警电路相连；
其中，开关量信号采集电路由开关量传感器S1与两个比较器相连组成，每个比较器由LM124集成运算放大器与光耦4N25相连组成；且开关量传感器S1输出端与第一个比较器的反向信号输入端相连，并与第二个比较器的正向信号输入端相连；
所述紧急停机电磁阀线路故障侦测电路采取电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测，由电磁阀线圈V1与电阻R1构成的分压电路与比较器相连构成，比较器由LM124集成运算放大器与光耦4N25相连组成。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：所述从控模块结构电路由至少一个显示模块结构功能电路构成；所述显示模块结构功能电路采用单片机W78E52D、通讯接口MAX485、功率驱动UL2803、显示驱动MAX7219、LED指示灯、数码管构成；所述从控模块具有通过RS485通讯接口将接收到主控模块所发送的数据，按照约定通讯协议进行解析，具有将转速、紧急停机报警、线路故障报警的信息通过LED指示灯、数码管进行分类指示，最终达到分类查询的目的。
3.根据权利要求1所述的一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：所述主控模块结构电路由中央处理器电路、通讯电路、看门狗电路、传感器测量电路、线路故障检测电路、操作指令检测电路、参数配置电路组成，主要核心器件有单片机W78E52D、看门狗电路MAX813L、通讯接口MAX485、运算放大器LM124、串/并转换CD4099、接口驱动UL2803、光耦4N25、电源LM2596；主控模块采集各种传感器状态信号、线路故障信号、操作指令、配置参数，按照应用程序进行逻辑处理，处理后的结果一方面驱动继电器控制电路进行输出，另一方面按照MODBUS-RTU协议格式封装并通过RS485通讯接口输出。
4.根据权利要求1所述的一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：所述主控模块结构电路封装在铝合金壳体内，主控模块结构电路的接口配置包括：输入引线端子18位、输出引线端子13位、通讯引线端子3位、参数配置拨码开关、试验按钮、指示灯；所述主控模块通讯引线端子3位由左至右依次为：RS485总线GND、RS485总线B、RS485总线A；所述主控模块参数配置拨码开关由左至右依次为：位1为柴油机额定工作转速选择，位2为柴油机超速报警设定值与额定转速值百分比，位3位4为组合设定不同机型的柴油机型情况下转速传感器所检测飞轮齿数；所述主控模块指示灯：绿色为工作电源指示、红色为RS485通讯链路状态指示。
5.根据权利要求4所述的一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：所述主控模块输入引线端子18位由左至右依次定义：电源正极、电源正极、电源负极、电源负极、磁电式转速传感器、遥控紧急停机指令、机旁紧急停机指令、复位指令、基本监控系统故障状态、柴油机运行状态、越控指令、试灯指令、消音指令、急停电磁阀2线路故障侦测、急停电磁阀1线路故障侦测、开关量形式冷却水温度过高传感器、开关量形式曲轴箱压力高传感器、开关量形式润滑油压力过低传感器。
6.根据权利要求4所述的一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：所述主控模块输出引线端子13位由左至右依次为：位0为信号公共端、位1为紧急停机驱动信号、位2为蜂鸣器驱动信号、位3为信号公共端、位4为控制器综合报警、位5为主控模块电源故障、位6为主控模块失效、位7为线路故障综合报警、位8为冷却水温度过高报警、位9为曲轴箱压力高报警、位10为润滑油压力过低报警、位11为超速报警、位12为信号公共端。
7.根据权利要求2所述的一种柴油机安全保护控制器，其特征在于：所述显示模块结构采用铝合金外壳封装，显示面板PVC贴膜防护，模块功能接口包括：电源输入引线端子、通讯接口引线端子、显示窗口；所述显示模块中显示窗口内容包括：柴油机即时转速0-9999RPM、超速报警指示、转速传感器线路故障报警指示、润滑油压力过低报警指示、润滑油压力过低传感器线路故障报警指示、曲轴箱压力高报警指示、曲轴箱压力高传感器线路故障报警指示、冷却水温度过高报警指示、冷却水温度过高传感器线路故障报警指示、安全保护控制器综合故障报警指示、紧急停机电磁阀线路故障报警指示、基本监控/报警系统工作电源故障指示、基本监控/报警系统失效故障指示、遥控紧急停机按钮线路故障指示、机旁紧急停机按钮线路故障指示、越控状态指示、柴油机运行状态指示、工作电源指示、紧急停机状态指示。
8.如权利要求1所述控制器的一种柴油机安全保护控制方法，其特征在于：包括：用于判断开关量信号传感器测量线路故障的方法；用于电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测的方法；用于处理主控模块所采集的开关量信号状态、线路故障信号状态信息分类显示的方法；
1）、用于判断开关量信号传感器测量线路故障的方法，采用LM124集成运算放大器构建出电位比较器电路，来满足开关量传感器工作状态及线路故障状态的识别，通过分别将两组比较器设置不同的比较电位得出真值表，从而判断传感器的各种工作状态及测量线路故障状态；
当STATE1=TRUE且STATE2=TRUE时表示传感器测量线路正常且S1未闭合；
当STATE1=TRUE且STATE2=FALSE时表示传感器测量线路正常且S1闭合；
当STATE1=FALSE时表示传感器测量线路出现中断；
按照上述判断条件编写单片机程序，最终完成信号采集、判断、报警处理、保护驱动功能；
2）、用于电磁阀未被驱动时段进行线路故障侦测的方法，通过柴油机上安装的电磁阀线圈V1内阻为20欧姆与主控模块内部电阻R1构成分压电路，电阻R3、R4将比较器D1反相输入端基准比较电压设置在10V，电磁阀未驱动状态下比较器D1同相输入端的电位约24V；
当安全保护控制器未驱动电磁阀工作，且电磁阀线圈V1及供电回路未出现中断时，STATE点电位为5V，STATE=TRUE；
当安全保护控制器未驱动电磁阀工作，且电磁阀线圈V1及供电回路出现中断时，STATE点电位为0V，STATE1=FALSE；
根据上述判断条件编制单片机应用软件最终完成线路故障侦测；
3）、用于处理主控模块所采集的开关量信号状态、线路故障信号状态信息分类显示的方法；安全保护控制器主控模块输入端引入各种开关量传感器的工作状态信号及线路故障信号、开关量按钮组所输入控制信号，各单元比较器电路将各种信号状态处理后送入单片机W78E52D，单片机对各种信号状态进行综合处理，将处理后的数据依据MODBUS-RTU协议格式进行封装，将处理后的数据封装成MODBUS-RTU协议格式，通过串口发送至MAX485接口电路进行电平信号转换，最终将数据结果通过RS485总线传送至从控模块；发送过程中指示灯D2会随数据的变化而闪烁；从控模块中央处理器对接收到的正确数据进行解析，将解析后的数据结果通过显示窗口进行分类显示，达到信息分类指示的目的；
其中主控模块采用了硬件看门狗电路MAX813，喂狗周期定义为1.6S，当单片机错误或异常未能按照程序设计要求定期输出喂狗信号时，即两次喂狗间隔大于1.6秒，看门狗电路MAX813将输出WDO信号驱动光耦、三极管、继电器产生主控模块故障报警信号。
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