通風(fēng)蝶閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段孟強(qiáng)，陳祖瑞

（1. 海軍駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，遼寧葫蘆島 125000；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船用閥門控制技術(shù)是船舶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，閥門電液控制技術(shù)得到了快速發(fā)展，并迅速應(yīng)用于現(xiàn)代船舶閥門控制系統(tǒng)[1]。閥門電液控制技術(shù)分為閥門液壓集中控制系統(tǒng)和閥門電液分散控制系統(tǒng)2種類型，閥門電液分散控制系統(tǒng)是目前應(yīng)用較廣泛的新型閥門控制系統(tǒng)，包含上層控制設(shè)備（工控機(jī)、PLC、MIMIC控制面板）、獨(dú)立的電液驅(qū)動(dòng)頭、閥門等[2]。電液分散控制系統(tǒng)集液壓動(dòng)力單元和電控部分于一體，便于集成式分布式控制，在可靠性及可維護(hù)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

通風(fēng)蝶閥系統(tǒng)屬于通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可用于向各艙室供應(yīng)新鮮空氣、排除內(nèi)部有害氣體及雜質(zhì)、干燥及冷卻艙內(nèi)空氣，也可便于水下狀態(tài)進(jìn)行各艙室間的空氣攪拌，以改善內(nèi)部人員的生活環(huán)境及機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境。目前，水下產(chǎn)品使用的傳統(tǒng)通風(fēng)閥需通過穿艙手輪實(shí)現(xiàn)艙壁兩側(cè)的手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度低，船員勞動(dòng)強(qiáng)度大，穿艙運(yùn)動(dòng)件密封性差。

針對(duì)以上問題，項(xiàng)目組對(duì)通風(fēng)蝶閥電液驅(qū)動(dòng)方案及控制方案進(jìn)行了研究，旨在提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，逐步加快船舶智能化進(jìn)程。

1 通風(fēng)蝶閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

通風(fēng)蝶閥的主要功能之一是實(shí)現(xiàn)各艙室通風(fēng)管道的通斷，其安裝于各艙室隔壁上，耐壓等級(jí)與艙室隔壁相同，且應(yīng)急工況下應(yīng)具備承壓功能。在船舶遭遇失事進(jìn)水或者失火等事故時(shí)，需關(guān)閉通風(fēng)蝶閥，阻斷失事艙室與其他艙室的通路，抑制事態(tài)的擴(kuò)散，保持其余艙室的浮力和戰(zhàn)斗力。水下航行器對(duì)安全性、可靠性、可測(cè)性以及自動(dòng)化集中控制都有了較高的要求；同時(shí)在狹小布置空間內(nèi)，要求設(shè)備具有總體尺寸小、重量輕、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)遙控操作以及應(yīng)急狀態(tài)下具備迅速關(guān)閉艙室通風(fēng)閥門的功能需求。結(jié)合上述分析與用戶實(shí)際需求可知，開展新型通風(fēng)閥門控制裝置研制是非常必要的。由此，本文開展了新型通風(fēng)蝶閥系統(tǒng)的研制，并取得了預(yù)期的成效。

2 控制系統(tǒng)總體方案

通風(fēng)蝶閥控制系統(tǒng)方案包含 2臺(tái)通風(fēng)蝶閥（帶自行設(shè)計(jì)的電液動(dòng)力單元）、2套手動(dòng)液壓操作裝置、1套本地控制箱及閥位指示裝置、1套遠(yuǎn)程控制箱等。通風(fēng)蝶閥控制系統(tǒng)具有本地/遠(yuǎn)程控制切換、本地/遠(yuǎn)程狀態(tài)顯示等功能，布置靈活，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控及艙壁兩側(cè)閥旁應(yīng)急手動(dòng)液壓操作功能。

控制系統(tǒng)自帶微型液壓系統(tǒng)，可在不使用全船液壓的情況下實(shí)現(xiàn)通風(fēng)蝶閥就地/遠(yuǎn)程電液遙控操作、本地/隔艙應(yīng)急手動(dòng)液壓操作、本地/遠(yuǎn)程閥位顯示功能。就地/遠(yuǎn)程電液遙控操作，可單獨(dú)或同時(shí)操縱同一艙壁上的2臺(tái)通風(fēng)蝶閥；本地/隔艙應(yīng)急手動(dòng)液壓操作也可同時(shí)操縱同一艙壁上的2臺(tái)通風(fēng)蝶閥。

2.1 微型液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)多年實(shí)船裝備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合小型化、集成化設(shè)計(jì)思想，研制出1套自帶微型液壓系統(tǒng)的通風(fēng)蝶閥控制系統(tǒng)，主要由電液動(dòng)力單元（EHU）、手動(dòng)液壓操作裝置、計(jì)量式閥位顯示器、液壓執(zhí)行裝置等組成，通風(fēng)蝶閥微型液壓系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 通風(fēng)蝶閥系統(tǒng)功能原理圖

通過外部電源驅(qū)動(dòng)電液動(dòng)力單元內(nèi)部電機(jī)的 正反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)柱塞式液壓泵正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，可以輸出10 MPa～20 MPa液壓油；液壓油依次通過液壓鎖、計(jì)量式閥位顯示器驅(qū)動(dòng)液動(dòng)執(zhí)行裝置進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)閥桿旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)蝶閥的啟閉動(dòng)作；信號(hào)反饋模塊將閥門的到位信號(hào)傳輸?shù)奖镜鼗蜻h(yuǎn)程控制箱，控制電機(jī)失電停機(jī)。需要應(yīng)急手動(dòng)操作時(shí)，可通過安裝在閥旁的手動(dòng)液壓操作裝置進(jìn)行應(yīng)急手動(dòng)液壓操作；同時(shí)，隔壁艙室可通過計(jì)量式閥位顯示器得到閥位的開度信息。閥門上留有純手操接口，打開旁通后，使用扳手可以直接進(jìn)行手動(dòng)操作。

原通風(fēng)蝶閥進(jìn)行隔艙手動(dòng)操作時(shí)無法顯示閥位，新型控制系統(tǒng)中串聯(lián)了計(jì)量式閥位顯示器，將其安裝在應(yīng)急手動(dòng)操作液壓裝置上，以便操作人員在隔壁艙室進(jìn)行應(yīng)急手操時(shí)，可以觀察到閥位情況。

2.2 電路設(shè)計(jì)

電控操作時(shí)，應(yīng)急手動(dòng)操作裝置應(yīng)處于“電液遙控”檔，電液遙控操作的控制指令由本地或遠(yuǎn)程控制箱發(fā)出。通風(fēng)蝶閥電氣接線圖如圖2所示，信號(hào)行程開關(guān)各有1對(duì)常開、常閉觸點(diǎn)，常閉觸點(diǎn)串聯(lián)接入控制電路，常開觸點(diǎn)串聯(lián)接入信號(hào)反饋線路；閥門到位后，常閉觸點(diǎn)斷開；電機(jī)失電停機(jī)時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，到位信號(hào)燈亮。

圖2 閥門電氣接線圖

本地控制箱具備本地/遠(yuǎn)程操控切換功能，可以直接操作啟閉控制旋鈕，或通過信息接口接收遠(yuǎn)程啟閉控制指令，以控制同一艙壁上的2臺(tái)通風(fēng)蝶閥單獨(dú)或同時(shí)開啟關(guān)閉。本地控制箱上可顯示閥位狀態(tài)，也可通過信號(hào)接口將閥位信號(hào)反饋至集控端。本地控制箱的控制方式切換到遠(yuǎn)程控制模式后，遠(yuǎn)程控制箱即發(fā)送啟閉控制指令至本地控制箱的信息接口，從而遠(yuǎn)程控制同一艙壁上的2臺(tái)電控隔艙蝶閥單獨(dú)或同時(shí)開啟關(guān)閉。本地控制箱與通風(fēng)蝶閥接線如圖3所示。

本地控制箱原理圖如圖4所示，閥開閥關(guān)控制電路中采用常見的互鎖自鎖設(shè)計(jì)，控制性能可靠。

圖3 本地控制箱接線圖

圖4 本地控制箱原理圖

通風(fēng)蝶閥的控制系統(tǒng)布置如圖5所示。每臺(tái)通風(fēng)蝶閥通過1根3芯電纜（電源）和1根5芯電纜（閥位信號(hào)反饋）與本地控制箱相連，實(shí)現(xiàn)控制電信號(hào)的傳遞與閥位信號(hào)反饋。每個(gè)本地控制箱連接并操縱2臺(tái)通風(fēng)蝶閥，同時(shí)通過1根10芯電纜與遠(yuǎn)程控制箱連接，用于接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)并將閥位信號(hào)反饋至遠(yuǎn)程端。本地控制箱實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 本地/遠(yuǎn)程控制箱

圖6 本地控制箱實(shí)物圖

3 試驗(yàn)臺(tái)架

根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建的試驗(yàn)臺(tái)架由本地控制箱、遠(yuǎn)程控制箱、電液動(dòng)力單元、蝶閥、應(yīng)急手動(dòng)操作裝置、計(jì)量式閥位顯示器、穿艙件等組成。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，隔艙通風(fēng)蝶閥控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，動(dòng)作響應(yīng)速度快，閥位顯示準(zhǔn)確無誤。見圖7。

圖7 隔艙通風(fēng)蝶閥控制試驗(yàn)臺(tái)架

4 結(jié)論

通風(fēng)蝶閥是通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系到船舶的生命力。本文針對(duì)以往產(chǎn)品操作力矩大、啟閉時(shí)間長(zhǎng)且受限于船上狹小空間導(dǎo)致手動(dòng)操作困難等缺點(diǎn)，將微型電液系統(tǒng)集成到通風(fēng)蝶閥上，既減小了體積，又實(shí)現(xiàn)了電控操縱，操作方式更加簡(jiǎn)便，使得閥門狀態(tài)指示更加直觀。同時(shí)，配備上海船舶設(shè)備研究所研制的手動(dòng)液壓操作裝置，其極其靈活的布置方式擺脫了艇上狹小空間的限制，同時(shí)操作力矩小，減輕了用戶手動(dòng)操縱時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大提升了產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)。