艦船控制系統環境防護及設計方法*

孫　暢　江思哲

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所　宜昌　443003)

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艦船控制系統環境防護及設計方法*

孫暢江思哲

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所宜昌443003)

摘要對艦船控制系統的使用環境作了扼要地說明,在結合現有成熟技術的基礎上明確了設計時應注意的一般性原則。重點對控制系統在具體方案設計時所采取的常用方法及措施作了較為詳細的說明,同時對機架及控制臺面的環境防護進行了簡要敘述。

關鍵詞環境防護; 設計原則; 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

艦船控制系統通常被稱為艦船的“大腦和靈魂”,對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,各類儀器設備眾多,相互間電磁干擾對影響很大,如不采取有效的防范措施,可能導致一些設備不能正常工作。另據報道,艦船控制系統故障的來源大約有50%以上是由環境因素、電磁干擾及其器件腐蝕而造成的,隨著控制系統技術和使用功能的不斷提高,電磁干擾問題就顯得越來越突出。因此,加強艦載控制系統的可靠性設計,提高環境保護是非常重要的[1]。

2使用環境簡介

艦船控制系統常年在海上工作,與陸用控制系統相比使用環境非常惡劣,按國家相關標準要求,艦船設備除應具備陸用系統的要求外,還必須能抵抗以下外界環境條件的影響: 1) 濕度、高低溫影響; 2) 鹽霧、霉菌影響; 3) 沖擊、振動、顛振影響; 4) 強磁場及元器件間相互作用等方面影響[2]。鑒于此,對裝載在艦船上的控制系統的環境保護提出了更高的設計要求,下面僅就涉及艦船控制系統的主要問題談幾點設計方法。

3設計原則

過去設計者主要將精力集中在技術方面,對環境因素考慮較少,導致使用功能齊全,但故障率較高。為使艦船控制系統能適應海洋環境,在方案階段必需制定環境保護措施及相應的設計方法。從理論分系環境保護就是加固及隔離技術的綜合,加固就是在結構設計階段,考慮選擇高品質材料和工藝制造方法,提高零部件自身的抗環境能力;隔離則是采取相關措施將設備屏蔽或與外界隔離。其設計原則是:立足于加固技術,附于隔離措施技術,即采用模塊化設計方式,提高抗環境能力;表面采用噴涂、密封及磁屏蔽等措施,阻斷外界環境對設備的干擾[3]。

4設計方法及措施

4.1電磁兼容及強磁屏蔽技術

對于線路板級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題,各元件間的引線盡量短,并把模擬信號與高速數字電路分開,使其相互間的信號耦合最小。結構方面應將體內各框架間連接處設置嵌入式導電條;選用電磁屏蔽接插件、底板和蓋板鏤空處設導電網等方法亦可達到電磁兼容之要求;對于要求電磁屏蔽器件,一般采用封閉的金屬盒或金屬網將其密閉,可達到預期效果。除此之外在設計時還應考慮對有源器件及電磁干擾發射特性和敏感特性進行篩選,將易受干擾的電路分類和集中;在完成電路板設計后,應使板上各部分電路都能正常工作,相互不產生干擾[4]。

地線設計是一項重要的設計,也是難度較大的一項設計。在電磁兼容設計的一開始,就進行地線設計是解決電磁兼容問題最有效的和最廉價的方法。設計良好的地線網既能提高抗擾度,又能減小電磁發射。地線設計應避免共地阻抗耦合干擾和地環路干擾,其根源則是地線阻抗。頻率較低時,回路阻抗主要是電阻;當頻率較高時,回路阻抗以感抗為主;為使感抗最小,必須使回路盡量小[5]。

強磁屏蔽技術是抗磁性常用的方法之一,通常用高導磁金屬材料DT4工業純鐵、高導磁率薄膜合金等制成封閉的殼體,將需屏蔽的構件置于其中,使磁力線在屏蔽殼體內形成回路,達到不穿過或盡量少地穿過設備,確保設備正常工作。但該方法增加了構件的體積及重量,給設備維護保養帶來不便。為此在設計階段應依據設備的使用環境、所期望達到的效果,結合自身結構特點及使用性能而定。對設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磁影響而不能正常工作,可采取局部屏蔽。亦可先對設備進行整體屏蔽后進行強磁沖擊試驗,再確定需更高級別的屏蔽部位。一般對于大多數設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相對于無耦合狀態,讀取天線端電壓信號幅值將會減小。為了直觀方便地檢測讀取天線端電壓信號幅值的變化規律,制作無線無源轉速信號拾取單元即包絡檢波器。本單元可以實現信號幅度包絡特征提取即將電壓信號的幅值的絕對值提取出來,既可以在示波器上直觀顯示出來也可以通過采集系統采集獲得,進而通過測量相鄰電壓最低值間的時間間隔,實現常溫環境下轉速的測試。

4.2結構設計

在設計時首先應立足設備特點及所處環境,采用模塊化成組技術,結構上一般均為框架式結構,設備裝配完成后,內部通常呈中間鏤空,以便空氣在機構內形成氣-氣對流式散熱。對于采用模塊化設計的單元,其熱設計可根據環境選擇不同溫度級別的模塊,在過程設計時就應考慮,一般采用冷板式散熱。結構加固主要體現在設備整體和模塊單元兩個方面,整體加固一般選用高強度、高剛度的金屬材料制成機架;對線路板級的控制單元應選用經應力篩選后的器件,對質量較大或需懸臂配置的器件,在結構上對其加固。各模塊式器件采取合理布局、罐封及去應力等制造工藝,以提高器件自身的抗惡劣環境能力[7]。

4.3密封性及表面防護

船用控制系統中的電子設備在設計是均采用了“三防”處理,但外界環境仍對設備殼體及器件具有腐蝕性,因而在船用電子設備時需考慮密封性問題,其原則一般原則是: 1) 艙外設備采用水密結構形式; 2) 艙內設備采用全封閉結構形式,對要求高的設備采用氣密式; 3) 對于抗惡劣環境的設備,應不用或少采用防濺式。設計方法是在控制臺與控制面板相接觸的表面上設有密封槽,用以裝配密封件;對于機架板結構的控制臺,其密封一般通過密封件截面上的凸緣與控制面板上的裝配面間產生壓力使密封件達到一定變形量來實現的。業已證明:對于徑向密封其變形量為10%～15%;對軸向密封取15%～30%。如達不到密封效果考慮所選密封件是否合理,因為密封材料的變形不僅與壓力有關,且與環靜溫度、受壓時間及材料本身的硬度等均有關,其變形與受到的壓力并非是線性關系[8]。

艦船控制通常在惡劣的海洋環境下作業,環境中高濃度氯離子對金屬材料會產生嚴重腐蝕,不僅對影響機柜外觀產生影響,而且影響設備的使用壽命,因此在設計階段應選用優質耐腐涂料對表面進行防護。然而由于金屬材料的性能不同,通常對于高強度鋁合金材料選用881聚氨酯系列防護涂料[9];用于普通碳素及不銹鋼一般采用無機富鋅涂料進行防護。

5工程實例

一般來說,在滿足了上述相關的設計和制造要求后,在工程實際應用中仍然在電磁兼容這一重要考核指標項上無法通過的情況。下面就舉出一個典型的電磁兼容超標及解決方法的工程案例。

現對某控制機柜的電磁發射和敏感度按照GJB152A中的CE101項目進行測試,測試名稱為25Hz～10kHz的電源線傳導發射。測試前該機柜的諧波電流幅值曲線圖,如圖1所示。

圖1　測試前諧波電流幅值曲線圖

電路工作時,在電容上會有一定的電壓,整流二極管在輸入端電壓高于該電容上的電壓時導通,在低于電容上的電壓時截止。只有在二極管導通時,才有輸入電流通過橋式整流電路向后端供電,在其他時間中整個電路不從供電網絡中吸收電流。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,導致諧波電流超標,因為畸變脈沖含有豐富的諧波成分。

經查資料,采用功率因數校正法比較適用于XXX柜。功率因數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。最簡單的一種方式就是在整流橋和濾波電容之間加入一個扼流電感,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]。

改進后示意圖,如圖2所示。

由此可見,對于電磁敏感對象來說,如果它沒有通過相關電磁兼容標準所規定的電磁敏感度實驗測試,就需要對其進行電磁兼容性整改,直至滿足相關標準要求為止。

圖2　改進后的示意圖

6結語

為維護海洋權益,艦船扮演著重要的角色。對于現代艦船設備,特別是涉及到的控制、導航等系統一旦出現故障,輕者延誤戰機,重者船毀人亡。為此在設計階段就應明確其使用功能及其工作環境,針對船載電子設備的某些特殊要求,依據不同的電子設備提出不同等級的防護方案與有效的措施,是提高艦船可靠性的重要手段之一,同時亦可提高艦船電子設備抗惡劣環境的內容之一。

參 考 文 獻

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《艦船電子工程》編輯部

中圖分類號TM15

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.040

作者簡介: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