通風蝶閥控制系統設計

段孟強，陳祖瑞

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

0 引言

船用閥門控制技術是船舶實現自動化、智能化的關鍵技術。近年來，閥門電液控制技術得到了快速發展，并迅速應用于現代船舶閥門控制系統[1]。閥門電液控制技術分為閥門液壓集中控制系統和閥門電液分散控制系統2種類型，閥門電液分散控制系統是目前應用較廣泛的新型閥門控制系統，包含上層控制設備（工控機、PLC、MIMIC控制面板）、獨立的電液驅動頭、閥門等[2]。電液分散控制系統集液壓動力單元和電控部分于一體，便于集成式分布式控制，在可靠性及可維護性方面具有明顯優勢[3]。

通風蝶閥系統屬于通風及空氣調節系統的子系統，可用于向各艙室供應新鮮空氣、排除內部有害氣體及雜質、干燥及冷卻艙內空氣，也可便于水下狀態進行各艙室間的空氣攪拌，以改善內部人員的生活環境及機械設備的工作環境。目前，水下產品使用的傳統通風閥需通過穿艙手輪實現艙壁兩側的手動操作，自動化程度低，船員勞動強度大，穿艙運動件密封性差。

針對以上問題，項目組對通風蝶閥電液驅動方案及控制方案進行了研究，旨在提高系統的自動化水平，逐步加快船舶智能化進程。

1 通風蝶閥系統設計要求

通風蝶閥的主要功能之一是實現各艙室通風管道的通斷，其安裝于各艙室隔壁上，耐壓等級與艙室隔壁相同，且應急工況下應具備承壓功能。在船舶遭遇失事進水或者失火等事故時，需關閉通風蝶閥，阻斷失事艙室與其他艙室的通路，抑制事態的擴散，保持其余艙室的浮力和戰斗力。水下航行器對安全性、可靠性、可測性以及自動化集中控制都有了較高的要求；同時在狹小布置空間內，要求設備具有總體尺寸小、重量輕、可靠性高、可實現遙控操作以及應急狀態下具備迅速關閉艙室通風閥門的功能需求。結合上述分析與用戶實際需求可知，開展新型通風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蝶閥系統的研制，并取得了預期的成效。

2 控制系統總體方案

通風蝶閥控制系統方案包含 2臺通風蝶閥（帶自行設計的電液動力單元）、2套手動液壓操作裝置、1套本地控制箱及閥位指示裝置、1套遠程控制箱等。通風蝶閥控制系統具有本地/遠程控制切換、本地/遠程狀態顯示等功能，布置靈活，可實現遠距離遙控及艙壁兩側閥旁應急手動液壓操作功能。

控制系統自帶微型液壓系統，可在不使用全船液壓的情況下實現通風蝶閥就地/遠程電液遙控操作、本地/隔艙應急手動液壓操作、本地/遠程閥位顯示功能。就地/遠程電液遙控操作，可單獨或同時操縱同一艙壁上的2臺通風蝶閥；本地/隔艙應急手動液壓操作也可同時操縱同一艙壁上的2臺通風蝶閥。

2.1 微型液壓系統設計

根據多年實船裝備設計經驗，結合小型化、集成化設計思想，研制出1套自帶微型液壓系統的通風蝶閥控制系統，主要由電液動力單元（EHU）、手動液壓操作裝置、計量式閥位顯示器、液壓執行裝置等組成，通風蝶閥微型液壓系統功能的實現原理如圖1所示。

圖1 通風蝶閥系統功能原理圖

通過外部電源驅動電液動力單元內部電機的 正反轉，從而帶動柱塞式液壓泵正轉或反轉，可以輸出10 MPa～20 MPa液壓油；液壓油依次通過液壓鎖、計量式閥位顯示器驅動液動執行裝置進行活塞運動，進而帶動閥桿旋轉以實現蝶閥的啟閉動作；信號反饋模塊將閥門的到位信號傳輸到本地或遠程控制箱，控制電機失電停機。需要應急手動操作時，可通過安裝在閥旁的手動液壓操作裝置進行應急手動液壓操作；同時，隔壁艙室可通過計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行手動操作。

原通風蝶閥進行隔艙手動操作時無法顯示閥位，新型控制系統中串聯了計量式閥位顯示器，將其安裝在應急手動操作液壓裝置上，以便操作人員在隔壁艙室進行應急手操時，可以觀察到閥位情況。

2.2 電路設計

電控操作時，應急手動操作裝置應處于“電液遙控”檔，電液遙控操作的控制指令由本地或遠程控制箱發出。通風蝶閥電氣接線圖如圖2所示，信號行程開關各有1對常開、常閉觸點，常閉觸點串聯接入控制電路，常開觸點串聯接入信號反饋線路；閥門到位后，常閉觸點斷開；電機失電停機時，常開觸點閉合，到位信號燈亮。

圖2 閥門電氣接線圖

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

本地控制箱原理圖如圖4所示，閥開閥關控制電路中采用常見的互鎖自鎖設計，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

通風蝶閥的控制系統布置如圖5所示。每臺通風蝶閥通過1根3芯電纜（電源）和1根5芯電纜（閥位信號反饋）與本地控制箱相連，實現控制電信號的傳遞與閥位信號反饋。每個本地控制箱連接并操縱2臺通風蝶閥，同時通過1根10芯電纜與遠程控制箱連接，用于接收遠程控制信號并將閥位信號反饋至遠程端。本地控制箱實物圖如圖6所示。

圖5 本地/遠程控制箱

圖6 本地控制箱實物圖

3 試驗臺架

根據設計方案搭建的試驗臺架由本地控制箱、遠程控制箱、電液動力單元、蝶閥、應急手動操作裝置、計量式閥位顯示器、穿艙件等組成。經試驗驗證，隔艙通風蝶閥控制系統運行良好，動作響應速度快，閥位顯示準確無誤。見圖7。

圖7 隔艙通風蝶閥控制試驗臺架

4 結論

通風蝶閥是通風系統的重要組成部分，關系到船舶的生命力。本文針對以往產品操作力矩大、啟閉時間長且受限于船上狹小空間導致手動操作困難等缺點，將微型電液系統集成到通風蝶閥上，既減小了體積，又實現了電控操縱，操作方式更加簡便，使得閥門狀態指示更加直觀。同時，配備上海船舶設備研究所研制的手動液壓操作裝置，其極其靈活的布置方式擺脫了艇上狹小空間的限制，同時操作力矩小，減輕了用戶手動操縱時的勞動強度，極大提升了產品的用戶體驗。