艦船控制系統(tǒng)環(huán)境防護(hù)及設(shè)計(jì)方法*

孫　暢　江思哲

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所　宜昌　443003)

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艦船控制系統(tǒng)環(huán)境防護(hù)及設(shè)計(jì)方法*

孫暢江思哲

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所宜昌443003)

摘要對(duì)艦船控制系統(tǒng)的使用環(huán)境作了扼要地說(shuō)明,在結(jié)合現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上明確了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一般性原則。重點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)在具體方案設(shè)計(jì)時(shí)所采取的常用方法及措施作了較為詳細(xì)的說(shuō)明,同時(shí)對(duì)機(jī)架及控制臺(tái)面的環(huán)境防護(hù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述。

關(guān)鍵詞環(huán)境防護(hù); 設(shè)計(jì)原則; 方法及措施

Environment Protection and Design Method of Ship Control System

SUN ChangJIANG Sizhe

(No. 710 Institute, China Shipment Industry Company, Yichang443003)

AbstractThe operating environment conditions of ship’s control system were first introduced in this paper. Then the general principles when designing control system were presented on the basis of mature technology. The common methods and measures for designing control systems were analyzed in detail in this paper. How to protect the frames and console of the control systems was also presented.

Key Wordsenvironment protection, designing principles, methods and measures

Class NumberTM15

1引言

艦船控制系統(tǒng)通常被稱為艦船的“大腦和靈魂”,對(duì)保障艦船航行及安全操控起到重要的作用。然而船體空間狹小,各類儀器設(shè)備眾多,相互間電磁干擾對(duì)影響很大,如不采取有效的防范措施,可能導(dǎo)致一些設(shè)備不能正常工作。另?yè)?jù)報(bào)道,艦船控制系統(tǒng)故障的來(lái)源大約有50%以上是由環(huán)境因素、電磁干擾及其器件腐蝕而造成的,隨著控制系統(tǒng)技術(shù)和使用功能的不斷提高,電磁干擾問(wèn)題就顯得越來(lái)越突出。因此,加強(qiáng)艦載控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),提高環(huán)境保護(hù)是非常重要的[1]。

2使用環(huán)境簡(jiǎn)介

艦船控制系統(tǒng)常年在海上工作,與陸用控制系統(tǒng)相比使用環(huán)境非常惡劣,按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,艦船設(shè)備除應(yīng)具備陸用系統(tǒng)的要求外,還必須能抵抗以下外界環(huán)境條件的影響: 1) 濕度、高低溫影響; 2) 鹽霧、霉菌影響; 3) 沖擊、振動(dòng)、顛振影響; 4) 強(qiáng)磁場(chǎng)及元器件間相互作用等方面影響[2]。鑒于此,對(duì)裝載在艦船上的控制系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)提出了更高的設(shè)計(jì)要求,下面僅就涉及艦船控制系統(tǒng)的主要問(wèn)題談幾點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。

3設(shè)計(jì)原則

過(guò)去設(shè)計(jì)者主要將精力集中在技術(shù)方面,對(duì)環(huán)境因素考慮較少,導(dǎo)致使用功能齊全,但故障率較高。為使艦船控制系統(tǒng)能適應(yīng)海洋環(huán)境,在方案階段必需制定環(huán)境保護(hù)措施及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。從理論分系環(huán)境保護(hù)就是加固及隔離技術(shù)的綜合,加固就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,考慮選擇高品質(zhì)材料和工藝制造方法,提高零部件自身的抗環(huán)境能力;隔離則是采取相關(guān)措施將設(shè)備屏蔽或與外界隔離。其設(shè)計(jì)原則是:立足于加固技術(shù),附于隔離措施技術(shù),即采用模塊化設(shè)計(jì)方式,提高抗環(huán)境能力;表面采用噴涂、密封及磁屏蔽等措施,阻斷外界環(huán)境對(duì)設(shè)備的干擾[3]。

4設(shè)計(jì)方法及措施

4.1電磁兼容及強(qiáng)磁屏蔽技術(shù)

對(duì)于線路板級(jí)通常采用的電磁兼容方法是考慮元件在板上的排列方式與各器件的位置問(wèn)題,各元件間的引線盡量短,并把模擬信號(hào)與高速數(shù)字電路分開(kāi),使其相互間的信號(hào)耦合最小。結(jié)構(gòu)方面應(yīng)將體內(nèi)各框架間連接處設(shè)置嵌入式導(dǎo)電條;選用電磁屏蔽接插件、底板和蓋板鏤空處設(shè)導(dǎo)電網(wǎng)等方法亦可達(dá)到電磁兼容之要求;對(duì)于要求電磁屏蔽器件,一般采用封閉的金屬盒或金屬網(wǎng)將其密閉,可達(dá)到預(yù)期效果。除此之外在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮對(duì)有源器件及電磁干擾發(fā)射特性和敏感特性進(jìn)行篩選,將易受干擾的電路分類和集中;在完成電路板設(shè)計(jì)后,應(yīng)使板上各部分電路都能正常工作,相互不產(chǎn)生干擾[4]。

地線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì),也是難度較大的一項(xiàng)設(shè)計(jì)。在電磁兼容設(shè)計(jì)的一開(kāi)始,就進(jìn)行地線設(shè)計(jì)是解決電磁兼容問(wèn)題最有效的和最廉價(jià)的方法。設(shè)計(jì)良好的地線網(wǎng)既能提高抗擾度,又能減小電磁發(fā)射。地線設(shè)計(jì)應(yīng)避免共地阻抗耦合干擾和地環(huán)路干擾,其根源則是地線阻抗。頻率較低時(shí),回路阻抗主要是電阻;當(dāng)頻率較高時(shí),回路阻抗以感抗為主;為使感抗最小,必須使回路盡量小[5]。

強(qiáng)磁屏蔽技術(shù)是抗磁性常用的方法之一,通常用高導(dǎo)磁金屬材料DT4工業(yè)純鐵、高導(dǎo)磁率薄膜合金等制成封閉的殼體,將需屏蔽的構(gòu)件置于其中,使磁力線在屏蔽殼體內(nèi)形成回路,達(dá)到不穿過(guò)或盡量少地穿過(guò)設(shè)備,確保設(shè)備正常工作。但該方法增加了構(gòu)件的體積及重量,給設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)不便。為此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)依據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境、所期望達(dá)到的效果,結(jié)合自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用性能而定。對(duì)設(shè)備中的磁敏感零部件和器件,如顯示器及霍爾元件等受到強(qiáng)磁影響而不能正常工作,可采取局部屏蔽。亦可先對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體屏蔽后進(jìn)行強(qiáng)磁沖擊試驗(yàn),再確定需更高級(jí)別的屏蔽部位。一般對(duì)于大多數(shù)設(shè)備采取局部屏蔽后就能滿足使用要求[6]。

讀取天線端與LC諧振敏感器件互感耦合時(shí)相對(duì)于無(wú)耦合狀態(tài),讀取天線端電壓信號(hào)幅值將會(huì)減小。為了直觀方便地檢測(cè)讀取天線端電壓信號(hào)幅值的變化規(guī)律,制作無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取單元即包絡(luò)檢波器。本單元可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度包絡(luò)特征提取即將電壓信號(hào)的幅值的絕對(duì)值提取出來(lái),既可以在示波器上直觀顯示出來(lái)也可以通過(guò)采集系統(tǒng)采集獲得,進(jìn)而通過(guò)測(cè)量相鄰電壓最低值間的時(shí)間間隔,實(shí)現(xiàn)常溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速的測(cè)試。

4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)立足設(shè)備特點(diǎn)及所處環(huán)境,采用模塊化成組技術(shù),結(jié)構(gòu)上一般均為框架式結(jié)構(gòu),設(shè)備裝配完成后,內(nèi)部通常呈中間鏤空,以便空氣在機(jī)構(gòu)內(nèi)形成氣-氣對(duì)流式散熱。對(duì)于采用模塊化設(shè)計(jì)的單元,其熱設(shè)計(jì)可根據(jù)環(huán)境選擇不同溫度級(jí)別的模塊,在過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮,一般采用冷板式散熱。結(jié)構(gòu)加固主要體現(xiàn)在設(shè)備整體和模塊單元兩個(gè)方面,整體加固一般選用高強(qiáng)度、高剛度的金屬材料制成機(jī)架;對(duì)線路板級(jí)的控制單元應(yīng)選用經(jīng)應(yīng)力篩選后的器件,對(duì)質(zhì)量較大或需懸臂配置的器件,在結(jié)構(gòu)上對(duì)其加固。各模塊式器件采取合理布局、罐封及去應(yīng)力等制造工藝,以提高器件自身的抗惡劣環(huán)境能力[7]。

4.3密封性及表面防護(hù)

船用控制系統(tǒng)中的電子設(shè)備在設(shè)計(jì)是均采用了“三防”處理,但外界環(huán)境仍對(duì)設(shè)備殼體及器件具有腐蝕性,因而在船用電子設(shè)備時(shí)需考慮密封性問(wèn)題,其原則一般原則是: 1) 艙外設(shè)備采用水密結(jié)構(gòu)形式; 2) 艙內(nèi)設(shè)備采用全封閉結(jié)構(gòu)形式,對(duì)要求高的設(shè)備采用氣密式; 3) 對(duì)于抗惡劣環(huán)境的設(shè)備,應(yīng)不用或少采用防濺式。設(shè)計(jì)方法是在控制臺(tái)與控制面板相接觸的表面上設(shè)有密封槽,用以裝配密封件;對(duì)于機(jī)架板結(jié)構(gòu)的控制臺(tái),其密封一般通過(guò)密封件截面上的凸緣與控制面板上的裝配面間產(chǎn)生壓力使密封件達(dá)到一定變形量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。業(yè)已證明:對(duì)于徑向密封其變形量為10%～15%;對(duì)軸向密封取15%～30%。如達(dá)不到密封效果考慮所選密封件是否合理,因?yàn)槊芊獠牧系淖冃尾粌H與壓力有關(guān),且與環(huán)靜溫度、受壓時(shí)間及材料本身的硬度等均有關(guān),其變形與受到的壓力并非是線性關(guān)系[8]。

艦船控制通常在惡劣的海洋環(huán)境下作業(yè),環(huán)境中高濃度氯離子對(duì)金屬材料會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,不僅對(duì)影響機(jī)柜外觀產(chǎn)生影響,而且影響設(shè)備的使用壽命,因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)耐腐涂料對(duì)表面進(jìn)行防護(hù)。然而由于金屬材料的性能不同,通常對(duì)于高強(qiáng)度鋁合金材料選用881聚氨酯系列防護(hù)涂料[9];用于普通碳素及不銹鋼一般采用無(wú)機(jī)富鋅涂料進(jìn)行防護(hù)。

5工程實(shí)例

一般來(lái)說(shuō),在滿足了上述相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造要求后,在工程實(shí)際應(yīng)用中仍然在電磁兼容這一重要考核指標(biāo)項(xiàng)上無(wú)法通過(guò)的情況。下面就舉出一個(gè)典型的電磁兼容超標(biāo)及解決方法的工程案例。

現(xiàn)對(duì)某控制機(jī)柜的電磁發(fā)射和敏感度按照GJB152A中的CE101項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試名稱為25Hz～10kHz的電源線傳導(dǎo)發(fā)射。測(cè)試前該機(jī)柜的諧波電流幅值曲線圖,如圖1所示。

圖1　測(cè)試前諧波電流幅值曲線圖

電路工作時(shí),在電容上會(huì)有一定的電壓,整流二極管在輸入端電壓高于該電容上的電壓時(shí)導(dǎo)通,在低于電容上的電壓時(shí)截止。只有在二極管導(dǎo)通時(shí),才有輸入電流通過(guò)橋式整流電路向后端供電,在其他時(shí)間中整個(gè)電路不從供電網(wǎng)絡(luò)中吸收電流。因而該電路吸收電流的波形與輸入電壓波形是不一樣,不再是正弦電流,畸變成脈沖電流。正是這種電流畸變,導(dǎo)致諧波電流超標(biāo),因?yàn)榛兠}沖含有豐富的諧波成分。

經(jīng)查資料,采用功率因數(shù)校正法比較適用于XXX柜。功率因數(shù)較正就是在原電源電路中加入校正電路,增加整流二極管的導(dǎo)通角,防止電流突變,減少電壓電流相位差,從而提高電源的功率因數(shù)。最簡(jiǎn)單的一種方式就是在整流橋和濾波電容之間加入一個(gè)扼流電感,該電路利用電感特性,增大輸入阻抗,防止電流快速上升和下降,使輸入脈沖電流變得平滑,從而減小諧波電流。該電路還有一種常見(jiàn)的變換形式,就是將扼流電感放在整流器的交流輸入端,即將扼流電感加入到輸入的濾波器中[10]。

改進(jìn)后示意圖,如圖2所示。

由此可見(jiàn),對(duì)于電磁敏感對(duì)象來(lái)說(shuō),如果它沒(méi)有通過(guò)相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的電磁敏感度實(shí)驗(yàn)測(cè)試,就需要對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性整改,直至滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求為止。

圖2　改進(jìn)后的示意圖

6結(jié)語(yǔ)

為維護(hù)海洋權(quán)益,艦船扮演著重要的角色。對(duì)于現(xiàn)代艦船設(shè)備,特別是涉及到的控制、導(dǎo)航等系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障,輕者延誤戰(zhàn)機(jī),重者船毀人亡。為此在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)明確其使用功能及其工作環(huán)境,針對(duì)船載電子設(shè)備的某些特殊要求,依據(jù)不同的電子設(shè)備提出不同等級(jí)的防護(hù)方案與有效的措施,是提高艦船可靠性的重要手段之一,同時(shí)亦可提高艦船電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境的內(nèi)容之一。

參 考 文 獻(xiàn)

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《艦船電子工程》編輯部

中圖分類號(hào)TM15

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.040

作者簡(jiǎn)介:孫暢,男,研究方向:海洋工程。江思哲,男,研究方向:海洋工程。

*收稿日期:2015年7月11日,修回日期:2015年8月30日