谷克超 李小強(qiáng) 王炳義

（青島北海船舶重工有限責(zé)任公司 青島266520）

引 言

電氣設(shè)備控制原理設(shè)計(jì)過(guò)程中，電氣元件動(dòng)作邏輯正確是實(shí)現(xiàn)功能的必要條件，這一點(diǎn)已得到電氣工程師的高度重視和有效落實(shí)。在電壓、電流、頻率相對(duì)穩(wěn)定，電磁干擾不甚明顯的情況下，做到邏輯正確基本能夠滿足預(yù)定要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，雖然國(guó)際、國(guó)家、行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)電氣元件特定工作條件作了相應(yīng)規(guī)定，但由于組成電路的元件數(shù)量眾多、元件特性不一、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)制約等原因，也會(huì)不同程度存在電氣元件選用偏差、性能偏差、協(xié)調(diào)偏差等問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備工作的正確性、可靠性難以保證。

本文主要結(jié)合船用條件對(duì)部分電氣元件性能偏差導(dǎo)致的設(shè)備故障案例進(jìn)行探討，以期更多同行在日后設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)元件性能的影響予以關(guān)注。在電氣控制原理設(shè)計(jì)時(shí)遵循適宜的基本原則，消除電氣元件性能偏差的影響，提升設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

1 基于電氣元件性能的設(shè)備故障案例

1.1 舵機(jī)控制原理故障

圖1為某廠商舵機(jī)控制箱原理圖，該原理圖相對(duì)簡(jiǎn)單，邏輯也較清晰。試航期間，出現(xiàn)舵機(jī)主用液壓泵運(yùn)行停止，備用泵不啟動(dòng)的故障。人工重新啟動(dòng)泵站方可再次運(yùn)行，給船舶操縱帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 舵機(jī)控制箱原理圖

經(jīng)分析，在正常運(yùn)行過(guò)程中，若僅KM2接觸器因?yàn)殡妷翰▌?dòng)使其自鎖觸點(diǎn)KM2釋放，將導(dǎo)致主泵停止運(yùn)行，而KT8時(shí)間繼電器在電壓波動(dòng)期間因“返回系數(shù)”低來(lái)不及動(dòng)作，KT8常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、KM3常閉觸點(diǎn)閉合，導(dǎo)致KM4接觸器在電壓恢復(fù)時(shí)吸合，K1主泵運(yùn)行繼電器給出錯(cuò)誤的“運(yùn)行指示”，導(dǎo)致送至2號(hào)舵機(jī)備用回路的K1常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，2號(hào)舵機(jī)K4待機(jī)繼電器斷開(kāi)，備用泵無(wú)法投入；同時(shí)，電壓恢復(fù)時(shí)，因KT8時(shí)間繼電器在電壓波動(dòng)期間沒(méi)有動(dòng)作，導(dǎo)致主泵也不能進(jìn)入重啟模式。主備用液壓泵均處于停機(jī)狀態(tài)，只有按下主泵的停止按鈕，再次啟動(dòng)主泵方可正常運(yùn)行。

按照規(guī)范要求，船用電氣元件應(yīng)在額定電壓的±15%范圍內(nèi)可靠動(dòng)作，但經(jīng)證實(shí)，本電路中的部分電氣元件不能嚴(yán)格符合規(guī)范的要求。我們對(duì)相關(guān)電氣元件進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)電路邏輯進(jìn)行修改（見(jiàn)下頁(yè)圖2）。

主泵啟動(dòng)完成，正常運(yùn)行時(shí)，KT8斷電，恢復(fù)至啟動(dòng)初始狀態(tài)，當(dāng)主回路電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，主泵因任何繼電器動(dòng)作導(dǎo)致停止運(yùn)行，在電壓恢復(fù)正常時(shí)，主泵均能夠進(jìn)入重新啟動(dòng)模式。若重新啟動(dòng)失敗，備用泵將正常投入，以保證船舶操縱安全。

1.2 應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)故障

下頁(yè)圖3為某廠商的應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)控制原理圖，總體上看，該原理圖的邏輯基本正確［1］。但在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生主配電板失電后再次恢復(fù)供電時(shí)，應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘的不可靠現(xiàn)象。

經(jīng)分析，懷疑由感應(yīng)電壓引起電氣元件動(dòng)作偏離預(yù)定要求而導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合閘故障。

經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)失壓脫扣線圈吸合電壓約為AC 105 V，釋放電壓約為AC 90 V，中間繼電器吸合電壓約為66 V，釋放電壓約為60 V。

圖2 舵機(jī)電路邏輯圖

圖3 應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)控制原理圖

主要原因?yàn)橹髋潆姲迨щ姇r(shí)，若有一定量的感性負(fù)載在線，主回路電壓會(huì)因此相應(yīng)延遲消失，此時(shí)，應(yīng)急板聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的UVT先行動(dòng)作，開(kāi)關(guān)脫扣，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合閘指示繼電器B52BT失電，B52Y2失電，B52Y2常閉觸點(diǎn)復(fù)位，從而導(dǎo)致B52CX電操單元復(fù)位繼電器動(dòng)作，但因?yàn)殡妷貉舆t時(shí)間短暫，電操單元復(fù)位動(dòng)作不能完整執(zhí)行，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)無(wú)法合閘。

基于以上分析，我們修改了聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的控制原理（見(jiàn)下頁(yè)圖4），在B52CT線圈回路串入B52BT常閉觸點(diǎn)，確保聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合閘動(dòng)作完成后，自動(dòng)合閘回路復(fù)位，避免聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程中，因?yàn)槔^電器動(dòng)作閾值差異而導(dǎo)致復(fù)位正確率不能保證的現(xiàn)象，確保再次合閘時(shí)初始狀態(tài)正確。而后，經(jīng)多次試驗(yàn)證明，動(dòng)作正確率達(dá)100%。

圖4 聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的控制原理圖

在實(shí)際工作過(guò)程中，應(yīng)急消防泵等其他設(shè)備起動(dòng)器也存在因?yàn)殡姎庠?dòng)作參數(shù)偏離導(dǎo)致設(shè)備故障的情況。

2 電氣元件性能對(duì)原理設(shè)計(jì)的影響及對(duì)策

2.1 電氣元件性能的主要表現(xiàn)形式

（1）動(dòng)作觸發(fā)閾值，如有效動(dòng)作對(duì)應(yīng)的電壓、電流、頻率等；

（2）動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，即從觸發(fā)到動(dòng)作完成所需要的時(shí)間；

（3）有效動(dòng)作能力，即接通能力、斷開(kāi)能力等。

上述元件性能將對(duì)設(shè)計(jì)原理包含的動(dòng)作時(shí)序、邏輯產(chǎn)生重大影響，通過(guò)提高電氣元件性能精確度可以提升其可靠性和實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的概率。但受制于材料、方法、工藝等因素，依靠電氣元件性能精確在一定時(shí)期內(nèi)完全滿足控制要求尚有難度。

關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性對(duì)船舶安全非常重要。在當(dāng)前條件下，提高控制原理的合理性是有效降低故障概率的途徑之一。

2.2 電氣原理設(shè)計(jì)的基本原則

2.2.1 最少在線原則

在原理設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)關(guān)注并實(shí)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)在線運(yùn)行的電氣元件最少化。原則上應(yīng)僅保留通斷裝置和具有保護(hù)功能的元件（電壓、電流、溫度、壓力等與電氣安全或系統(tǒng)安全是密切相關(guān)的）。

眾所周知，非冗余設(shè)計(jì)特定功能的原理回路，只要元件故障率不為零，元件數(shù)量越多系統(tǒng)故障率越高，減少在線元件數(shù)量，有利于提高系統(tǒng)可靠性［2］。

考慮成本因素，一般不建議冗余設(shè)計(jì)。

2.2.2 過(guò)程復(fù)位原則

回路投入及運(yùn)行過(guò)程中，特定環(huán)節(jié)短時(shí)工作的電氣元件，在動(dòng)作完成后應(yīng)可靠切除，以便復(fù)位至初始狀態(tài)，為下一次動(dòng)作做好充分準(zhǔn)備。

過(guò)程復(fù)位既要符合最少在線原則，又要能夠有效避免船用條件下經(jīng)常存在的短時(shí)故障或波動(dòng)引起的元件復(fù)位偏差，否則容易導(dǎo)致下一次動(dòng)作難以成功；另外，過(guò)程動(dòng)作元件及時(shí)切除，將大幅度降低元件工作時(shí)間，也有利于提高元件的使用壽命和可靠性，如延時(shí)繼電器、中間繼電器等。如圖2增加KM3觸點(diǎn)切除過(guò)程元件KT8；圖4增加B52BT觸點(diǎn)，切除過(guò)程元件。

2.2.3 邏輯時(shí)效原則

盡可能依靠電氣元件依次投入，以實(shí)現(xiàn)正確的電氣動(dòng)作邏輯，避免依據(jù)電氣元件自身性能（如依靠時(shí)間設(shè)定值確定的先后邏輯、依靠閾值差異建立的動(dòng)作邏輯等）建立邏輯關(guān)系。

據(jù)此既可避免元件自身性能差異或動(dòng)作不準(zhǔn)確導(dǎo)致“競(jìng)爭(zhēng)”或“冒險(xiǎn)”［3］，確保動(dòng)作可靠性；也可實(shí)現(xiàn)組成邏輯關(guān)系的元件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可中止運(yùn)行，以避免產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

建議不采用以下設(shè)計(jì)原理：多個(gè)時(shí)間繼電器同時(shí)供電；設(shè)定不同的延時(shí)時(shí)間決定動(dòng)作先后；利用不同的電流或壓力值觸發(fā)不同的動(dòng)作等。

2.2.4 安全優(yōu)先原則

設(shè)備、在線元件出現(xiàn)故障，必須可靠傳遞報(bào)警信息、實(shí)施相應(yīng)的預(yù)定動(dòng)作，并且觸發(fā)因素完整守序，確保安全。

2.2.5 能力適宜原則

選擇電氣元件時(shí)，元件特性曲線需要滿足運(yùn)行全過(guò)程的電氣性能要求并根據(jù)元件能力適當(dāng)冗余，對(duì)于部分品牌元件，尤應(yīng)注意。

3 結(jié) 論

電氣元件性能存在偏差或存在一定程度的性能偏離導(dǎo)致電氣設(shè)備控制故障的案例，往往具有一定的隱蔽性［4］，且經(jīng)常在電氣設(shè)備控制原理設(shè)計(jì)中遇到。設(shè)計(jì)人員參考本文提出的電氣原理設(shè)計(jì)原則，著眼于邏輯合理、時(shí)序可靠、避免競(jìng)爭(zhēng)、杜絕冒險(xiǎn)，對(duì)提升設(shè)計(jì)原理的可靠性和安全性會(huì)產(chǎn)生積極影響。結(jié)合電氣元件性能與原理設(shè)計(jì)取舍深度融合也會(huì)在一定程度上提升設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)樂(lè)趣。

［1］ 許智靈.船舶應(yīng)急電系統(tǒng)受控的邏輯關(guān)系［J］.中國(guó)造船，2008（Z1）：167-168.

［2］ 王勝利.電氣控制線路設(shè)計(jì)優(yōu)化探討［J］.建材發(fā)展導(dǎo)向，2013（7）：214-215.

［3］ 戴欣平 .電氣控制電路的“競(jìng)爭(zhēng)”與“冒險(xiǎn)”現(xiàn)象剖析［J］.電工技術(shù)，2003（11）：51-52.

［4］ 張少利.不可忽視的臨界競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象［J］.機(jī)床電器，2006（6）：32.