一種水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)

范 越

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101）

0 引言

綜合匯流環(huán)是一種典型的光、電、液一體化機電設(shè)備，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)及其他電子裝備。隨著雷達(dá)由傳統(tǒng)體制向相控陣體制的轉(zhuǎn)變和雷達(dá)集成化程度的提高，對匯流環(huán)也提出了更多、更高的要求。近些年來，使用光纖環(huán)、水關(guān)節(jié)的需求也越來越多。實踐證明，綜合匯流環(huán)作為雷達(dá)的關(guān)鍵部件在信號和流體傳輸方面發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，對于綜合型匯流環(huán)的研究十分急迫，特別是小型化、輕量化、集成化和多功能化等發(fā)展方向，以滿足雷達(dá)不斷發(fā)展的需求[1－3]。

水關(guān)節(jié)在雷達(dá)系統(tǒng)中，主要作用為將固定部分冷源提供的流體傳輸?shù)疥嚸孓D(zhuǎn)動部分，用于對功率器件進(jìn)行散熱、冷卻。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和功率器件的高度集成化，電子設(shè)備的冷卻和散熱成為設(shè)計師面臨的首要問題。水關(guān)節(jié)成為冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在壽命期限內(nèi)必須保證可靠工作，如不能正常工作，將有可能給設(shè)備帶來嚴(yán)重的后果或無法挽回的損失。雷達(dá)工作時需要通過水關(guān)節(jié)進(jìn)行流體傳輸，并且能夠在較長壽命期限內(nèi)和振動、沖擊等惡劣環(huán)境條件下可靠、穩(wěn)定工作，性能指標(biāo)滿足要求，保證雷達(dá)整機正常工作。

本文設(shè)計了一個水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)，通過驅(qū)動器帶動電機，控制水關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，通過PLC實時檢測和保護(hù)系統(tǒng)，其體積小、功能強、可靠性高，完全滿足了水關(guān)節(jié)的測試要求。

1 水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)

水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)是水關(guān)節(jié)測試的重要部分。其主要功能是通過驅(qū)動器控制水關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，通過PLC實時采集水路中的溫度、壓力、流量等信號，并保護(hù)系統(tǒng)自動停啟，實現(xiàn)測試水關(guān)節(jié)各項性能和指標(biāo)的目的[4－8]。

現(xiàn)有國內(nèi)水關(guān)節(jié)測試裝置大都為手動控制，需要測試人員一直觀察操控，效率不高而且浪費人力資源，測試時若離開人則不能保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。本文所設(shè)計的水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)，利用可編程控制器PLC實現(xiàn)對整個系統(tǒng)狀態(tài)的自動檢測和保護(hù)。

2 水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)原理

水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由PLC控制箱、水泵箱和驅(qū)動器組成。

圖1 水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)原理

PLC控制箱為測試系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制風(fēng)機和水泵的停啟、驅(qū)動器的供斷電以及對傳感器的信號進(jìn)行采集監(jiān)控。PLC控制箱中220 V交流電經(jīng)過空開接入到開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為24 V和48 V的直流電，其中24 V給顯示屏、PLC、固態(tài)繼電器、傳感器和驅(qū)動器控制使用，48 V給風(fēng)機使用。3個開關(guān)接入到PLC中，然后PLC通過輸出觸點接到2個固態(tài)繼電器盒，1個交流接觸器分別控制水泵和2個風(fēng)機的停啟。PLC控制交流接觸器輸出380 V給驅(qū)動器動力電?？刂扑煤万?qū)動器的380 V接觸器后都接有1個熱繼電器提供過載保護(hù)的功能。液位傳感器輸出數(shù)字信號直接進(jìn)入到PLC中使用，溫度、流量和壓力傳感器信號通過2個4AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸入到PLC中使用。所有傳感器的數(shù)據(jù)、報警信息、水泵和驅(qū)動器的運行狀態(tài)都通過觸摸屏顯示出來，同時也可以通過觸摸屏控制水泵和風(fēng)機的停啟。

水泵箱主要作用是為水關(guān)節(jié)供液并通過換熱器和風(fēng)機將冷卻液降溫，同時通過7路傳感器監(jiān)測冷卻液的液位、溫度、流量和壓力。

驅(qū)動器主要作用是控制電機帶動水關(guān)節(jié)按一定的速度旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)軸上安裝有1塊磁鐵，機架上安裝有計數(shù)器，根據(jù)霍爾效應(yīng)[9－10]，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)1圈計數(shù)器數(shù)值加1來計算水關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，從而達(dá)到測試水關(guān)節(jié)使用壽命的目的。

3 水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)實現(xiàn)

PLC選用三菱的FX3GA－24MR可編程控制器，擁大容量存儲器，超過30 000點的數(shù)據(jù)寄存器，信號處理速度達(dá)到60 kHz，輸入點14個，輸出點10個，具備豐富的擴展能力，滿足溫度控制和模擬量輸入、輸出功能需求，配合4AD模塊FX3U－4AD采集傳感器的模擬量。顯示屏選用威綸通的4.3寸TFT LCD觸摸屏TK6051IP，顯示色彩1 600萬像素顯示色彩真實，內(nèi)置電源隔離保護(hù)，有效抑制電源突波保護(hù)，高效能，內(nèi)置128 MB內(nèi)存，采用USB編程接口設(shè)計通用性好，使用壽命長。固態(tài)繼電器采用和泉的RJ2S－CL－D24，交流接觸器采用三菱的S－T25，熱繼電器采用三菱的TH－T25KP。380 V和220 V空開分別選用施耐德的LS8F08350G和LS8F18210G。水泵和風(fēng)機開關(guān)選用西門子LW39－10旋轉(zhuǎn)開關(guān)。接插件選用中航光電的XC158系列電連接器，可在浸水、潮濕等惡劣環(huán)境下使用。電源選用定制的220 V交流轉(zhuǎn)48 V和24 V直流開關(guān)電源，功率500 W。驅(qū)動器和電機采用定制的數(shù)字化永磁同步交流伺服系統(tǒng)，功率達(dá)到10 kW，可滿足各種不同型號的水關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)需求。

PLC控制箱接線如圖2所示。

圖2 PLC控制箱接線

交流供電380 V和220 V分別經(jīng)過接插件XS1和XS2接入控制箱，380 V經(jīng)過空開K1控制后再經(jīng)過接觸器KM1和熱繼電器RJ1輸出給水泵箱的水泵供電穿墻插座XS3，同時經(jīng)過接觸器KM2和熱繼電器RJ2輸出給外部的驅(qū)動器動力電接插件XS5。220 V經(jīng)過空開K2控制后再經(jīng)過保險絲FU給直流開關(guān)電源SC和PLC上的220 V公共端供電。開關(guān)電源產(chǎn)生的48 V直流電經(jīng)過繼電器M1和M2輸出給水泵箱的2個風(fēng)機的供電穿墻插座XS3。開關(guān)電源產(chǎn)生的24 V直流電正負(fù)極分別接到2個接線排XJ1和XJ2上，然后再分別輸出給顯示屏TK、PLC、固態(tài)繼電器M1和M2、水泵箱的傳感器信號穿墻插座XS4和外部的驅(qū)動器控制電插座XS6。水泵開關(guān)S1，2個風(fēng)機開關(guān)S2、S3，接觸器KM1上的水泵上電反饋信號，接觸器KM2上的驅(qū)動器上電反饋信號都接到PLC的輸入接口，PLC的控制輸出接口分別控制水泵的熱繼電器RJ1和KM1的220 V線圈通斷、驅(qū)動器的熱繼電器RJ2和KM2的220 V線圈通斷、風(fēng)機1和風(fēng)機2的固態(tài)繼電器M1和M2的24 V線圈通斷。

水泵箱及驅(qū)動器接線如圖3所示。供電穿墻插座接入插頭XP3，其中水泵的380 V供電直接接到水泵上，風(fēng)機的48 V供電直接接到風(fēng)機FAN1和FAN2。傳感器24 V供電和信號穿墻插座接入插頭XP4，分別接到1個液位傳感器LV、1個溫度傳感器TP、1個流量傳感器FL和4個壓力傳感器PR1～PR4。驅(qū)動器動力供電經(jīng)插頭XP5和XP7接到驅(qū)動器380 V供電插座上，驅(qū)動器控制供電經(jīng)插頭XP6和XP7接到驅(qū)動器24 V供電插座上。

圖3 水泵箱及驅(qū)動器接線

驅(qū)動器和電機之間通過專用電纜連接，電機的啟停和轉(zhuǎn)速通過驅(qū)動器上的開關(guān)和旋鈕操控，電機狀態(tài)和轉(zhuǎn)速由驅(qū)動器面板上的數(shù)碼管顯示出來。

4 水關(guān)節(jié)測試裝置控制工作方式

本電氣控制系統(tǒng)的工作方式為開機后自動運行。水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面板如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)通過2路空開分別加上220 V和380 V的電后，可以通過3個開關(guān)分別啟動水泵和風(fēng)機，水關(guān)節(jié)中有冷卻液流通后通過驅(qū)動器面板開關(guān)啟動電機，帶動水關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。

圖4 水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面板

水泵箱中有7個傳感器分別對1路液位、1路溫度、1路流量、4路水壓進(jìn)行檢測，溫度、流量和水壓信號通過2個4AD模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后通過觸摸屏顯示出來，如果超出正常范圍則報警，液位信息也通過觸摸屏上的報警控件顯示。當(dāng)冷卻液的溫度大于50℃時，PLC控制1路風(fēng)機工作；如果冷卻液溫度繼續(xù)升溫大于60℃時，則PLC控制2路風(fēng)機同時工作；冷卻液溫度大于80℃時則系統(tǒng)報警；大于100℃則PLC控制交流接觸器將給水泵和驅(qū)動器的380 V供電斷開，使系統(tǒng)停止運行達(dá)到保護(hù)的目的。

水關(guān)節(jié)常溫調(diào)節(jié)測試步驟如下。

（1）測試前，將水關(guān)節(jié)固定在測試轉(zhuǎn)臺上，將水關(guān)節(jié)、水箱、壓力泵、換熱器及各傳感器與管路和調(diào)節(jié)閥連接好。

（2）將所有調(diào)節(jié)閥全打開，啟動壓力泵試運行，檢查冷卻液是否運行正常，管接頭是否完全密封，檢查壓差變送器是否校零，各傳感器是否顯示正確；打開換熱器風(fēng)扇，檢查風(fēng)扇是否正常運轉(zhuǎn)；關(guān)閉水泵。

（3）正式啟動壓力泵加壓，使冷卻液循環(huán)起來；打開換熱器風(fēng)扇；調(diào)節(jié)壓力泵旁通調(diào)節(jié)閥開度至流量傳感器、壓力傳感器為所需流量和壓力，此時冷卻液循環(huán)正常；調(diào)節(jié)壓力泵旁通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行耐壓測試，保持30 min，觀察壓力表數(shù)值有無變化，無泄漏即為合格；測試完畢后，恢復(fù)管路內(nèi)流量和壓力。

（4）使能驅(qū)動器控制電機帶動水關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，調(diào)速至指定轉(zhuǎn)速，觀察并記錄壓差變送器讀數(shù)，確認(rèn)水關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動無異?，F(xiàn)象、無泄漏即為合格。

（5）保持步驟（4）狀態(tài)，水關(guān)節(jié)連續(xù)運行24 h，檢查有無泄漏。

5 結(jié)束語

水關(guān)節(jié)為雷達(dá)整機關(guān)重件，要求在較長壽命期限內(nèi)和振動、沖擊等惡劣環(huán)境條件下可靠、穩(wěn)定地工作。

本文所設(shè)計的水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，完全符合系統(tǒng)工作要求，運行良好。使用后實現(xiàn)了水關(guān)節(jié)測試裝置的自動控制，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性和效率，與人工測試相比更加省時、省力，對科研和生產(chǎn)都有重要的作用。本水關(guān)節(jié)測試裝置控制系統(tǒng)對自研水關(guān)節(jié)進(jìn)行了充分的長周期壽命試驗，積累了大量實踐經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)水關(guān)節(jié)的設(shè)計和批量生產(chǎn)奠定了很好的基礎(chǔ)，技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定、可靠，保證了水關(guān)節(jié)自研的基本條件，技術(shù)風(fēng)險可控。