摘 要 :在船舶主机遥控系统中，重要开关量输入接口通常采用模拟量信号输入的方法进行监测，以确保对线路状态的检测。然而目前的监测接口，都未设置绝缘下降状态的报警功能，在线路绝缘下降时将引起主机保护误动作，这对船舶安全构成威胁。为此有必要对重要开关量输入接口提出新的设计方案。本文分析实际接口的信号和状态，在分析的基础上提出了在接口信号正常与信号异常状态之间增加了对绝缘下降状态的检测与判断，使接口检测的可靠性得到提高，从而保证船舶主机与船舶的安全正常航行。

在现代船舶主机遥控系统中，安全保护环节对主机各种状态或参数进行监测。当被监测参数发生偏离，安全保护环节根据信号异常情况做出判断并发出报警信号，提醒轮机员及时进行检查修复，以保证主机正常运行。若被监测参数属于影响主机运行重要参数，在信号发生异常时，安全保护环节还将发出“故障保护停车”信号（Shut Down），强迫主机停车，从而避免主机遭受致命损坏 [1] 、 [ 2 ] 。

主机遥控系统中被监测的参数，既有模拟量也有开关量。对于重要开关量参数，为了避免线路断路或短路使安全保护环节不能及时判断参数状态，常将其转换成模拟量，然后采用模拟量接口处理参数监测信号，其典型接口电路如图1所示 [ 3 ] 、 [ 4 ] 。

图中K为反映被监测参数状态开关量的触点，参数正常时K断开，参数异常时K闭合。开关量触点在传感器内与R 2 并联后再与R 1 串联，可将被测参数状态及线路状态转换成模拟量信号，通过连接线送到I/O接口电路板，经数模转换电路转换为数字信号，再经过光电隔离电路隔离，然后送到安全保护环节的CPU进行数据处理和判断。出现线路断线故障时，I/O接口输入电压值最高，约为电源电压（V CC ）；出现线路短路时输入电压值为零（对于V CC =5V的接口，实际值约为0.2V左右 [ 5 ] 、 [ 6 ] ）。K断开，线路处于高电平；K闭合，线路处于低电平。不同的电压值，反映不同的参数状态和线路状态，CPU可根据这些数据进行判断和处理。

然而这样的设计却存在一定的缺陷。首先，该接口仅设置信号正常、信号异常、线路断路和线路短路四种判断状态。还需增加因绝缘下降而造成信号异常的判断状态。其次，传感器附加电阻R 1 和R 2 参数设计不当也容易引起保护误动作 [ 5 ] 。

笔者曾经在一条号称“未来型船舶”的现代散装船F.V.轮上任职，该轮“主机推力块轴承温度”和“活塞冷却油”测量的传感器输出信号都是采用模拟量检测的开关量信号。在笔者任职期间，曾经出现过因为这两个接口信号异常的误动作，造成主机误停车事故 [ 7 ] 。下面对图1电路造成的实际故障进行简要说明和分析。

1 实际通道功能与参数分析

在F.V.轮上的接口， R 1 和 R 2 的 标称值分别为 2 . 7 和10k Ω ，虽然实际线路未给出 R 0 的具体值，也无法直接测量。但通过对 V CC （5V）、 R 1 和 R 2 压降的实际测量和计算， R 0 的阻值约为1 2 . 7 k Ω左右。若设信号异常（即K闭合）时接口输入电压为 U i1 ，信号正常（即K断开）时接口输入电压为 U i 2 。则 根据图1电路，可以计算 U i1 和 U i 2 [ 8 ] ：

由式（1）和（2）及实际线路分析，可得通道输入电压与通道及信号状态关系如表1所示。

表1 不同信号状态和通道状态对应的输入电压值

Tab.1 Input voltage values for different sign states and interface states

    考虑到5V的模拟量接口输入电压实际范围为0.2V～4.8V，由表1中数据可知，F.V.轮的接口参数的选择不合理：线路短路与信号异常间隔仅为0.62V，线路异常与线路正常间隔为1.53V，而线路正常与线路断路的间隔却高达2.24V。

    更为严重的是，该接口电路没有设置线路绝缘下降的报警提示。实际上，考虑接口通道信号传输线路的绝缘电阻时，相当于在接口输入端并联一个线路绝缘电阻 Rx ，如图2所示。绝缘下降， Rx 减小，接口输入电压下降。

    根据前面数据，可计算出当线路绝缘电阻下降到 Rx =3.6k Ω时 ，即使信号正常 （K断开）， 输入电压也将下降到0.91V以下。主机安全保护环节将发出“主机故障保护停车”信号，强迫主机停车，误动作，这将对船舶安全航行构成严重威胁。为此，笔者提出如下设计思路和方案。

2 模拟量监测的开关量通道设计

2.1 重要开关量通道设计思路

通常线路绝缘下降引起接口输入电压变化有一个逐渐下降的过程；而信号异常（K闭合）时传感器触点瞬时闭合，接口输入电压是瞬时变低。根据接口输入电压的这个特点，可以在“信号正常”和“信号异常”之间增加一个“绝缘下降”的状态判别。即当线路绝缘下降，及时发出报警信号，通知轮机员及时处理。

因此实际接口电路可设置五个判别状态，根据输入电压的大小顺序，这五个状态分别为：线路断路、信号正常、绝缘下降、信号异常和线路短路。当线路出现“绝缘下降”时，主机安全保护环节应发出报警信号，提醒值班轮机员及时处理。

2.2 通道参数的设计

基于上述分析，考虑到电源为5V的模拟量接口实际输入范围为0.2V～4.8V，可设定五种状态输入电压范围为：①线路短路 U i =0.2V～1.0V，②信号异常 U i =1.0V～2.0V，③绝缘下降 U i =2.0V～3.0V，④信号正常 U i =3.0V～4.0V，⑤线路断路 U i =4.0V～4.8V。各种状态的标准电压（判断值）取每个范围的中点，如图3所示的a、b、c、d和e点，其中，b点就是对应于式（1）的电压值 U i1 =1.5V，d点就是对应于式（2）的电压值 U i 2 =3.5V。确定各种状态的输入电压范围后，就可对通道参数进行具体设计。下面仅就电源电压 V CC =5V的重要开关量输入通道的参数设计进行说明。

通道的参数设计，就是对图1的三个电阻 R 0 、 R 1 和 R 2 的选择。电阻 R 0 的作用是，在通道线路出现短路故障时使输入电压值为0或接近于0，同时避免电源的短路。R 0 的选择与对整个接口线路的具体要求有关，同时也影响后续对 R 1 和 R 2 的选择。因此，设计时应该以接口线路允许的最大工作电流为依据进行计算和选择。若设接口线路工作的电源电压为 V CC ，接口线路最大设计工作电流为 I M ，则 R 0 可按下式进行选择：

  根据计算结果和电阻偏差，可以再根据 式（1）和（2）计算由于电源 V CC 的 偏差（一般为± 5％ ）和电阻 R 0 、 R 1 、 R 2 的 偏差 （±5％）造成输入电压 U i1 和 U i 2 的变化范围，其计算结果如表2所示。

表2  参数确定后输入电压值的变化范围

Tab.3 Input voltage  range after parameters determined

    由表2计算数据可见，“信号异常”时输入电压的变化范围为1.33～1.69V，“信号正常”时输入电压的变化范围为3.20～3.76V。

    由上述设计可见，采用模拟监测的重要开关量接口，五种状态对应的输入电压计算结果分别为：①线路短路时 U i =0.6V，②信号异常时 U i =1.33～1.69V，③绝缘下降时 U i =2.5V，④信号正常时 U i =3.20～3.76V，⑤线路断路时 U i =4.6V。CPU对输入电压进行状态判断，可取相邻两种状态差值的中值，即：①线路短路 U i =0.2～0.97V，②信号异常时 U i =0.97～2.10V，③绝缘下降时 U i =2.10～2.85V，④信号正常时 U i =2.85～4.18V，⑤线路断路时 U i =4.18～4.8V。具体如3所示。

表3  经过修正后的最终输入电压范围

Tab.3 Final i nput voltage  range after parameters revised

    由表3可见，信号正常输入电压间隔为1.33V；信号异常也有1.12V的输入电压间隔，这可以满足接口抗干扰的要求。

 绝缘下降状态的输入电压间隔为0.7V。根据所选的参数，可以计算出，当线路绝缘电阻下降到13.8～41.2k Ω时，接口的输入电压为2.10 ～2.85V。当然，与电力线路比较，对于13.8～41.2k Ω的线路 绝缘电阻报警值是低的，但对于信号线路，设置线路绝缘低报警，却能够避免由于线路绝缘下降引起对输入信号状态的判别，避免主机出现误动作。

3 结论

重要开关量接口状态的正确判别是主机遥控系统可靠安全工作的保证，重要开关量接口状态的正确判别依赖于接口线路参数的正确合理设计与选定，也依赖软件编程来实现判别功能。其中很重要的一条，就是应该增设“绝缘下降”报警功能。

监测通道线路绝缘下降与信号异常不同。监测信号异常，其触点是瞬间闭合。即使线路存在干扰源，信号异常时，通道的输入电压也是突然跃变到一定的范围之内。而线路绝缘下降，一般是一个逐渐变化的过程，输入电压在进入“信号异常”对应的电压范围之前，电压值有一个逐渐变化过程。根据这个过程，检测到线路绝缘下降并发出报警，通知管理人员及时进行处理，就可避免由绝缘下降造成主机故障停车保护的误动作，就能够提高船舶航行的安全性。因此，合理设计采用模拟输入的重要开关量接口参数，具有相当重要的现实意义。

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