一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池船舶安全保护技术领域，尤其涉及一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统。


背景技术：

2.随着环境污染和能源短缺问题的逐渐加剧，在交通运输领域，船舶的能源消耗很大，排放对环境污染也较严重，尤其是沿海和内河湖泊船舶，对排放的要求愈发严格。近年来，绿色船舶和新能源技术迅速发展，以氢气作为燃料的绿色船舶技术成为船舶行业发展的主要方向之一。氢燃料电池船舶作为氢能源技术和绿色船舶技术发展的联合产物，具有绿色环保、效率高、能量密度高、稳定性好、噪音低和不受环境因素影响等优点。氢燃料电池船舶是公认的可有效缓解危机减少温室气体排放的最佳解决方案，其中，氢燃料电池是实现船舶使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技术路径，在未来推动航运无污染化和能源可持续化方面具有很大的发展潜力。
3.燃料电池动力船舶是一种新兴的船舶动力系统，和常规内燃机相比它具有重量轻，噪音小，零排放等显著的优势；与此同时，氢气也具有易燃易爆的特性，因此燃料电池动力船舶的安全性不容忽视。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，包括控制单元、通讯单元、输入采样单元、输出控制单元、输入采样模拟单元，所述控制单元通过通讯单元与输入采样单元相连，所述控制单元通过通讯单元与输出控制单元相连，所述控制单元通过通讯单元与输入采样模拟单元相连，所述控制单元通过网线与触摸屏相连；
7.还包括驾驶室、左储氢罐单元、左阀组控制单元、左燃料电池房单元、右储氢罐单元、右阀组控制单元和右燃料电池房单元；
8.所述驾驶室、左储氢罐单元、左阀组控制单元、左燃料电池房单元、右储氢罐单元、右阀组控制单元和右燃料电池房单元内均设置有紧急停止按钮；
9.左储氢罐单元、左阀组控制单元、左燃料电池房单元、右储氢罐单元、右阀组控制单元和右燃料电池房单元内设置有高温熔断传感器；
10.所述驾驶室、左阀组控制单元、右阀组控制单元、左燃料电池房单元和右燃料电池房单元内均设置有氢气探测传感器，所述左燃料电池房单元和右燃料电池房单元内设置有火警探测传感器，所述左阀组控制单元和右阀组控制单元内均设置有第一遥控阀；
11.所述输入采样单元的采集端与驾驶室、左储氢罐单元、左阀组控制单元、左燃料电池房单元、右储氢罐单元、右阀组控制单元和右燃料电池房单元内的紧急停止按钮的输出
端相连；
12.所述输入采样单元的采集端与左储氢罐单元、左阀组控制单元、左燃料电池房单元、右储氢罐单元、右阀组控制单元和右燃料电池房单元内的高温熔断传感器的输出端相连；
13.所述输入采样模拟单元的采样端与驾驶室、左阀组控制单元、右阀组控制单元、左燃料电池房单元和右燃料电池房单元的氢气含量探测传感器的输出端相连；
14.所述输入采样模拟单元的采样端与左燃料电池房单元和右燃料电池房单元内设置有火警探测传感器的输出端相连；
15.所述输出控制单元的控制端与第一遥控阀的输入端相连。
16.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，所述控制单元包括第一控制器与第二控制器，所述第一控制器与第二控制器均设有第一光纤接口和第二光纤接口，所述第一控制器的第一光纤接口和第二光纤接口通过光纤分别与第二控制器第一光纤接口和第二光纤接口相通信连接。
17.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，所述第一控制器与第二控制器均通过profibus-dp通讯线与通讯模块相连。
18.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，其特征在于：所述第一控制器与第二控制器均为西门子414-5h plc控制器。
19.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，所述输入采样单元的型号为sm326 di24 dc24v。
20.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，所述输出控制单元sm326 do10 dc24v/2a。
21.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，所述输入采样模拟单元的型号为sm336 ai6 13bit。
22.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，还包括有集控室，所述集控室内设置有紧急停止按钮和氢气含量探测传感器，所述输入采样单元的采样端与集控室内的紧急停止按钮和氢气含量探测传感器的输出端相连。
23.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，所述左阀组控制单元和右阀组控制单元内均包括有第一截止阀、第一减压阀和第一遥控阀，所述第一截止阀的输入端与储氢罐的输出端相连，所述第一截止阀的输出端与第一减压阀的输入端相连，所述第一减压阀的输出端与第一遥控阀的输入端相连，所述第一遥控阀的输出端与燃料电池单元的输入端相连。
24.优选地，所述的一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，还包括有氮气储存罐，所述氮气储存罐的输出端与第二截止阀的输入端相连，所述第二截止阀的输出端与第二减压阀的输入端相连，所述第二减压阀的输出端与第二遥控阀的输入端相连，所述第二遥控阀的输出端与阀组控制单元的输出端相连。
25.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
26.1、本发明采用西门子plc双控制器和输入输出模块来实现，具有可靠性高，便于维护，操作方便等优点。本发明可以为燃料电池动力船舶的安全提保障。
27.2、本发明能解决燃料电池作为动力的船舶的安全所设计的紧急切断系统，目的是
保证船舶上工作人员和设备的生命财产安全
28.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
30.图1是本发明的燃料电池动力船舶紧急切断系统-网络系统图；
31.图2是本发明的燃料电池动力船舶紧急切断系统布置图；
32.图3是本发明燃料电池动力船舶紧急切断系统中一部分的紧急切断连接图；
33.图4是本发明燃料电池动力船舶紧急切断系统中另一部分的紧急切断连接图；
34.图5是本发明氢气含量探测传感器的接线第一局部图；
35.图6是本发明氢气含量探测传感器的接线第二局部图；
36.图7是本发明氢气含量探测传感器的接线第三局部图；
37.图8是本发明遥控阀的接线第一局部图；
38.图9是本发明遥控阀的接线第二局部图。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
40.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
44.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
45.实施例
46.如图1和图2所示，一种燃料电池动力船舶的紧急切断系统，包括控制单元1、通讯单元2、输入采样单元3、输出控制单元4、输入采样模拟单元5，所述控制单元1通过通讯单元2与输入采样单元3相连，所述控制单元1通过通讯单元2与输出控制单元4相连，所述控制单元1通过通讯单元2与输入采样模拟单元5相连，所述控制单元1通过网线与触摸屏6相连；
47.还包括驾驶室7、左储氢罐单元8、左阀组控制单元9、左燃料电池房单元10、右储氢罐单元11、右阀组控制单元12和右燃料电池房单元13；
48.所述驾驶室7、左储氢罐单元8、左阀组控制单元9、左燃料电池房单元10、右储氢罐单元11、右阀组控制单元12和右燃料电池房单元13内均设置有紧急停止按钮14；
49.左储氢罐单元8、左阀组控制单元9、左燃料电池房单元10、右储氢罐单元11、右阀组控制单元12和右燃料电池房单元13内设置有高温熔断传感器15；
50.所述驾驶室7、左阀组控制单元9、右阀组控制单元12、左燃料电池房单元10和右燃料电池房单元13内均设置有氢气探测传感器16，所述左燃料电池房单元10和右燃料电池房单元13内设置有火警探测传感器17，所述左阀组控制单元9和右阀组控制单元12内均设置有第一遥控阀18；
51.所述输入采样单元3的采集端与驾驶室7、左储氢罐单元8、左阀组控制单元9、左燃料电池房单元10、右储氢罐单元11、右阀组控制单元12和右燃料电池房单元13内的紧急停止按钮14的输出端相连；
52.所述输入采样单元3的采集端与左储氢罐单元8、左阀组控制单元9、左燃料电池房单元10、右储氢罐单元11、右阀组控制单元12和右燃料电池房单元13内的高温熔断传感器15的输出端相连；
53.所述输入采样模拟单元5的采样端与驾驶室7、左阀组控制单元9、右阀组控制单元12、左燃料电池房单元10和右燃料电池房单元13的氢气含量探测传感器16的输出端相连；
54.所述输入采样模拟单元5的采样端与左燃料电池房单元10和右燃料电池房单元13内设置有火警探测传感器17的输出端相连；
55.所述输出控制单元4的控制端与第一遥控阀18的输入端相连。
56.本发明中所述控制单元1包括第一控制器111与第二控制器112，所述第一控制器111与第二控制器112均设有第一光纤接口和第二光纤接口，所述第一控制器111的第一光纤接口和第二光纤接口通过光纤分别与第二控制器112第一光纤接口和第二光纤接口相通信连接。
57.本发明中所述第一控制器111与第二控制器112均通过profibus-dp通讯线与通讯模块相连。
58.本发明中所述第一控制器111与第二控制器112均为西门子414-5h plc控制器。
59.本发明中所述输入采样单元3的型号为sm326 di24 dc24v。
60.本发明中所述输出控制单元4的型号为sm326 do10 dc24v/2a。
61.本发明中所述输入采样模拟单元5的型号为sm336 ai6 13bit。
62.本发明中还包括有集控室19，所述集控室19内设置有紧急停止按钮14和氢气含量探测传感器16，所述输入采样单元3的采样端与集控室19内的紧急停止按钮14和氢气含量探测传感器16的输出端相连。
63.本发明中所述左阀组控制单元9和右阀组控制单元12内均包括有第一截止阀、第一减压阀和第一遥控阀，所述第一截止阀的输入端与储氢罐的输出端相连，所述第一截止阀的输出端与第一减压阀的输入端相连，所述第一减压阀的输出端与第一遥控阀的输入端相连，所述第一遥控阀的输出端与燃料电池单元的输入端相连。
64.本发明中还包括有氮气储存罐20，所述氮气储存罐20的输出端与第二截止阀的输入端相连，所述第二截止阀的输出端与第二减压阀的输入端相连，所述第二减压阀的输出端与第二遥控阀的输入端相连，所述第二遥控阀的输出端与阀组控制单元9的输出端相连。
65.本发明中采用独立的控制系统主要包含两个西门子414-5h plc控制器，一用一备，并且每个控制器都配有独立的电源模块，当主控制器掉电或者发生故障时，备用控制器会自动接管整个控制系统，以保证整个系统的正常运行。
66.两台414-5h plc控制器之间通过if1和if2两路光纤端口进行实时快速信号同步，以确保主控制器故障时，备用控制器可以做到无障碍切换。以太网端口实现控制器与触摸屏(人机界面hmi)之间的数据传输与交换。
67.控制屏的底部有一块共同的背板，所有的模块都插在背板上面的卡槽里，背板的最左侧有两个profibus-dp的通讯模块，第一个profibus-dp的通讯模块与第一个控制器的profibus-dp的端口相连；第二个profibus-dp的通讯模块与第二个控制器的profibus-dp的端口相连；输入输出模块底部的背板上自带通讯链路，负责采集输入模块的信号然后通过背板上面的两块profibus-dp通讯模块将采集的数据实时发送给两个控制器；或者接收来自控制器的信号并将信号传输至对应的某一块输出模块的某一个通道上。
68.触控屏，通过用控制面板作为人机界面来实现对整个系统的实时监测。
69.紧急停止按钮，当操作员巡视时发现紧急情况，可以通过按下紧急停止按钮来迅速切断氢气供应管路和燃料电池单元，以保证整个船舶的安全与稳定。
70.氢气含量探测传感器，用以实时监测存在发生氢气泄漏的区域或可能发生氢气泄漏区域的氢气含量，并且当某一区域的任一氢含量传感器探测到的氢气含量超过40％lel或者同一区域的两个氢气传感器探测到的氢气含量都超过20％lel时，系统会切断该区域的氢气供应和燃料电池单元。
71.火警探测传感器，只有当燃料电池房间的两个火警探测传感器同时动作时，系统会立即切断该房间的氢气供应系统和燃料电池单元。
72.图1中涉及的英文缩写所表示的具体如下：
73.pb：紧急停止按钮(emergency shutdown push button)；
74.fp：热溶栓(fusible plug)，即为高温熔断传感器；
75.hs：氢气含量探测传感器(hydrogen volume detector)；
76.h：感温型火警探测传感器(fire heat detector)；
77.sh：复合型感烟/感温火警探测传感器(fire smoke/heat detector)；
78.m：火警手动按钮(fire manual push button)；
79.v11，v21，v30，v16，v17，v26，v27：截止阀(shut off valve)；
80.v12，v22，v31：减压阀(pressure regulating valve)；
81.v36，v37，v38，v39：止回阀(non-return valve)；
82.v13，v14，v15，v23，v24，v25，v32，v33，v34，v35：遥控阀(remote control valve)；
83.fcu：燃料电池单元(fuel cell unit)；
84.本发明的工作原理如下：
85.本发明的实施方式主要包括两个西门子414-5h plc控制器；3块型号为sm326 di24 dc24v的输入采样单元；3块型号为sm336 ai6 13bit的输入采样模拟单元；2块型号为sm326 do10 dc24v/2a的输出控制单；tp1200触摸屏；紧急停止按钮(pf)；热溶栓(即高温熔断传感器)；氢气含量探测传感器；火警探测传感器和火警按钮。
86.本发明中的主控制器采用西门子最先进的s7-400系列当中的414-5h冗余型控制器。每个控制器上包含if1和if2两个光纤接口，两个以太网接口和一个profibus-dp接口。第一控制器的两个光纤接口if1和if2与第二控制器的两个光纤接口if1和if2连接在一起，用以实现双控制器之间的信号同步；而且if1和if2还实现了两个控制器之间的通讯冗余，即if1和if2当中即使有一个接口出现故障时另外一个接口还是可以正常工作，提高了系统的稳定性。第一控制器的两个以太网接口2号端口备用，1号端口连接至第二控制器2的号端口，第二控制器的2号以太网端口连接至人接交互界面触摸屏，用以实现控制器与触摸屏之间的通讯。第一控制器的profibus-dp通讯端口连接至输入输出模块前端的profibus-dp1号通讯模块上；第二控制器的profibus-dp通讯端口连接至输入输出模块前端的2号profibus-dp通讯模块上，从而实现双控制器与输入输出模块的通讯。
87.触控屏，作为人机界面的部分，操作员通过它可以实现对整个紧急切断系统的监控。当本发明中系统控制器或者输入输出模块出现故障时，当系统的通讯网络出现故障时，抑或是当系统的辅助控制电源故障时，系统均会发出相应的故障报警，用以提醒操作员及时去检查并处理故障。
88.当然，最重要的还是当紧急切断系统的外部条件触发时，系统会自动切断相应的阀和或燃料电池单元，人机界面上既会显示外部触发条件激活的报警，同时也会显示已被切断的所有的阀和或燃料电池单元的报警，用以提醒操作员去检查、处理并逐一复位切断信号。
89.具体工作时，储氢单元(即左、右储氢罐单元)的区域放置了紧急停止按钮和热溶栓。紧急停止按钮的两副触点(一常开，一长闭)同时连接至西门子数字量输入采集模块(即输入采样单元)，进而通过通讯发送至第一控制器(作为主控制器)，第一控制器通过对同一个按钮两副触点的状态进行判断，如果两副触点的状态同时改变(注意：这里的同时是指经过延时后的同时，由于两副触点的机械特性一定存在细微差异，因此两副触点的状态变化也一定会存在毫秒级的时间偏差，不可能实现物理意义上的同步变化，所以在这里增加了1秒钟的延时。也就是说，只要在1秒钟之内两副触点的状态都发生了变化，就认为两副触点是同时发生状态变化)，那么即可认为这个按钮是被人按下的，即外部条件激活，然后根据表1的系统矩阵表将相对应的设备进行切断。同样的，如果同一个按钮两副触点的状态没有同时发生变化，而只是其中一幅触点的状态发生了变化，这时即可认为该按钮发生了断线的情况，系统会发出相应的报警，去通知操作员检查线路，但是不会发出切断指令。紧急停
do10 dc24v 2a的输出控制单元来实现，见图8和图9。燃料供应管路上的所有的遥控阀(第一遥控阀第二遥控阀提及其它的遥控阀)都是气动阀，而且都是断电关闭的阀。因此，对于燃料供应管路上的遥控阀来说，所谓的切断是将阀的控制电源切掉，从而实现遥控阀迅速关闭。对燃料电池单元而言，则是切断燃料电池单元的两路控制电源，从而实现迅速停掉燃料电池单元。
96.故障安全模式(fail-safe mode)：对于遥控阀，无论是断电还是断气，阀都会迅速自动关闭，从而实现故障安全。对于燃料电池单元，无论是燃料电池单元的fcu控制器故障，还是辅助电源故障，抑或是燃料电池单元发生主要报警等等，紧急切断系统都会被激活，迅速切断该燃料电池单元的燃料供应阀。对于紧急停止按钮，通过将其两副辅助触点全部接入西门子的数字量输入采集模块，然后控制器通过对这两副触点状态的变化来进行判断是否是线路故障，从而实现故障安全；对于热溶栓，每个热溶栓由两个热熔断体组成，每个热熔断体是一副常闭触点，并且这两副常闭触点均接入西门子数字量输入采集模块，然后控制器同样通过对这两副触点状态变化的情况来判断是否发生线路故障，从而实现故障安全。
97.本发明本系统的输入输出点的数量会根据船型和燃料电池主要零部件布置的不同而或增加或减少，但是该系统所遵循的设计原则和方法不会改变，因而本系统的可扩展性和可复制性极强。
98.表1：
99.100.[0101][0102]
备注：
[0103]
1.矩阵表中所有的应急停止按钮的一副常开触点和一副常闭触点均连接至plc控制器的数字量输入模块当中。
[0104]
2.“x”是指当某一行的故障发生时，该行当中的“x”所对应的列的设备会被自动关闭或者停止，以保证安全。
[0105]
3.如果驾驶室和集控室(如果有)的esd按钮被按下，整个供氢系统将会被紧急停止。在这种情况下，只有磷酸铁锂电池组为推进系统供电，因此，为保证全船电力系统的正常工作，能量管理系统ems会给推进系统发出立即降载信号。
[0106]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。