基于分布式特征的智能機艙用電液裝置

黃日剛

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200129）

0 引言

船舶智能機艙能夠采集船上機械設(shè)備部件的實時數(shù)據(jù)，以此來監(jiān)控其運行狀態(tài)并對其健康值進行計算分析，最終目的為提出操作的輔助決策和后續(xù)維修或保養(yǎng)機械設(shè)備的方案。與現(xiàn)有的自動化機艙不同的是，未來智能機艙發(fā)展的重點在于推動上述“輔助決策”系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的高效連接，能夠符合“AUT-0”標(biāo)準(zhǔn)的要求，實現(xiàn)“船員更輕松、船機更健康、運行更高效”的目標(biāo)[1]。

然而，能夠?qū)崿F(xiàn)上述遠景目標(biāo)的一切都建立在能夠提供具有高可靠性的智能化機械設(shè)備部件，并需要在其負責(zé)的區(qū)域范圍內(nèi)，按照一定的規(guī)則建立一套統(tǒng)一的反饋系統(tǒng)，采用信息感知技術(shù)將機械設(shè)備部件的數(shù)據(jù)進行對比分析[2]。未來，機械設(shè)備部件需要具有高功率質(zhì)量比、高可靠性和綠色節(jié)能等特征，本文旨在介紹能夠滿足這些要求的具有分布式特征的機艙用電液裝置，這些電液裝置除了本身的物理特征，還集成了運行狀態(tài)反饋系統(tǒng)，并預(yù)留了與信息系統(tǒng)進行交互的通信及電氣接口，這些產(chǎn)品對于智能機艙的基礎(chǔ)層構(gòu)建有重要的指導(dǎo)作用。

1 智能機艙用電液裝置簡介

所謂的具有分布式特征的電液裝置，主要是指針對智能機艙控制的機械設(shè)備部件在船舶上的位置及功能的不同，以能夠?qū)崿F(xiàn)智能化與終端化的典型產(chǎn)品：智能化動力單元、EHA電液作動器及數(shù)字式同步控制缸為例，構(gòu)造一套能夠滿足多場景應(yīng)用的產(chǎn)品體系，進行“智能機艙”的硬件基礎(chǔ)層構(gòu)建，同時通過信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、通信與處理技術(shù)，能夠監(jiān)控機械設(shè)備的運行狀態(tài)，最終能夠計算出設(shè)備部件的健康值并提出輔助決策建議，整體結(jié)構(gòu)框架見圖1[3]。

圖1 智能船舶液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 數(shù)據(jù)采集、通信與處理技術(shù)

2.1 CAN 總線型液壓控制系統(tǒng)的基本特征

使用總線型液壓控制產(chǎn)品的特點：嵌入微處理器、電子技術(shù)和電液裝置，使得由外部控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能在產(chǎn)品內(nèi)部即可實現(xiàn)，具有以下特點：

1）執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)、參數(shù)實時在線檢測與反饋。

2）執(zhí)行機構(gòu)自檢測與故障提前預(yù)警功能。

3）遠程自診斷信息化監(jiān)控技術(shù)。

4）網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及集成信息化過程管理。

5）分散型控制，即插即用，實現(xiàn)不同節(jié)點之間及與上位機之間的雙向數(shù)據(jù)通信。

6）增強系統(tǒng)的可維護性。

2.2 CAN 總線型液壓控制系統(tǒng)的基本組成

基于CAN總線的智能船舶液壓系統(tǒng)，主要由主控制板、上位機監(jiān)控平臺、無線通信模塊、GPS定位模塊、電液裝置、傳感器采集系統(tǒng)等組成。主控制板包括控制中心、電液裝置驅(qū)動模塊和CAN總線通信接口，CAN總線通信接口一端連接控制中心，另一端以總線形式連接至傳感器采集系統(tǒng)，傳感器采集系統(tǒng)包括傳感器、傳感器采集控制器和CAN總線收發(fā)器，傳感器采集控制器接收采集的壓力、流量、溫度、位置、速度和力等液壓系統(tǒng)或產(chǎn)品參數(shù)，并通過CAN總線收發(fā)器將上述參數(shù)轉(zhuǎn)為差分信號并通過CAN總線發(fā)送出去。

3 智能機艙用電液裝置典型產(chǎn)品

本文列出的智能化動力單元屬于高度智能化和網(wǎng)絡(luò)化的單元，能夠緊密結(jié)合智能機艙的液壓設(shè)備用油需求，并進行用油狀態(tài)監(jiān)測及油液健康診斷[4]。

EHA電液作動器是智能化終端產(chǎn)品，將高性能嵌入式計算系統(tǒng)、多類型傳感器等融合，實時對作動器的運動控制及各種狀態(tài)參數(shù)進行檢測、存儲、運算和傳輸?shù)龋瑢崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)鏈接的大數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)測性維護等智能化提升，是智能機艙的重要基礎(chǔ)器件。

數(shù)字式同步控制缸直接接受脈沖信號而可靠工作，電信號的頻率對應(yīng)數(shù)字缸的速度，電信號的數(shù)量對應(yīng)數(shù)字缸的行程，只需接通油源，不需任何其它液壓閥件和傳感器，所有的功能都通過電子控制器直接設(shè)定，把傳統(tǒng)控制中復(fù)雜的閥口控制技術(shù)徹底地改為直接給定的電子控制技術(shù)[5]。

3.1 智能化動力單元

3.1.1 產(chǎn)品功能特點

采用智能化動力單元為各液壓設(shè)備部件提供液壓動力油源，可以進行液壓動力油源的健康診斷，實現(xiàn)液壓各子系統(tǒng)的遠程診斷服務(wù)、用戶主動維護提示、預(yù)測性維護提示等能力，與智能化輔機設(shè)備中整機深度融合，協(xié)同為用戶提供整機級別的服務(wù)能力，智能化動力單元有以下特點：

1）能夠?qū)崟r監(jiān)測液壓系統(tǒng)液位、油溫、壓力以及變頻器等狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化。

2）設(shè)備配置在線顆粒度檢測儀，可對磨損趨勢、油液含水情況進行定時檢測，評估液壓系統(tǒng)這兩項關(guān)鍵指標(biāo)的變化趨勢，識別液壓系統(tǒng)亞健康狀況，為健康指數(shù)評估提供可靠依據(jù)。

3）開放的接口包括常規(guī)的fieldbuses，以及Ethernet協(xié)議等，可輸出各類液壓系統(tǒng)有關(guān)的運行、狀態(tài)時域數(shù)據(jù)。

4）采用變頻技術(shù)，可大幅度提高能源效率，根據(jù)執(zhí)行器需求調(diào)整輸出壓力和流量，實現(xiàn)綠色節(jié)能運行。

5）封閉式結(jié)構(gòu)，有效地減小環(huán)境噪音和結(jié)構(gòu)振動。

6）采用陣列技術(shù)，可實現(xiàn)大流量需求時的靈活組配使用，提升艙室空間利用率。

3.1.2 產(chǎn)品基本原理

智能化動力單元基本原理見圖2。

圖2 智能化動力單元基本原理

油浸式電機泵組工作中產(chǎn)生的熱量傳遞給液壓油，液壓油通過循環(huán)將熱量傳遞給熱管，熱管與液壓油進行熱交換，將熱量最終傳遞給油箱中冷板的內(nèi)循環(huán)冷卻水，油箱中冷板上設(shè)有循環(huán)冷卻水進出口，冷水進入后和熱管傳上來的熱能進行換熱，冷水變?yōu)闊崴畯某隹趯崃繋ё摺?/p>

此外，通過變頻電機來調(diào)節(jié)輸出油液的流量，通過變頻器工作調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力，出口溢流閥提供安全壓力保護，電磁閥的開啟或關(guān)閉來決定該動力單元的輸出P口以及回油T口的工作狀態(tài)，通過設(shè)置的壓力傳感器及流量傳感器來采集P口的輸出壓力及流量數(shù)據(jù)，以及T口的壓力數(shù)據(jù)，來進行智能化閉環(huán)控制，這樣能夠保證該動力單元的輸出壓力及流量能與需求實時匹配，降低系統(tǒng)能耗和發(fā)熱量。

3.1.3 產(chǎn)品組成及結(jié)構(gòu)

智能化動力單元組成及結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 智能化動力單元組成及結(jié)構(gòu)

該智能化動力單元，按照安裝部位分為油箱上部、油箱中冷板、油箱下部，在油箱上部裝有控制閥組、液位傳感器、溫度傳感器、空濾器、電源模塊及電控箱，油箱中冷板上裝有熱管、冷卻水管接頭，油箱下部裝有油浸式電機泵組、液位計。

3.2 EHA 電液作動器

3.2.1 產(chǎn)品功能特點

對于在船舶上處于遠端的執(zhí)行機構(gòu)，鑒于它們頻率要求不高及維護不便等特點，需要配置具有高可靠性的終端化液壓系統(tǒng)級產(chǎn)品，所謂液壓系統(tǒng)級產(chǎn)品，即為將泵、閥、油缸或馬達、電控設(shè)備等進行高度集成的一體化產(chǎn)品，產(chǎn)品配置位置、速度或力傳感器，可以實時反饋機構(gòu)的運動狀態(tài)，并預(yù)留接口用于傳輸反饋數(shù)據(jù)至CAN總線系統(tǒng)。EHA電液作動器在額定電源下，僅需要給定控制電信號，就可以按給定要求進行直線往復(fù)運動（速度、位置及出力均可控），有以下特點：

1）容積調(diào)速，高效節(jié)能。

2）無泄漏，抗污染，便于維護。

3）μ級精度位置控制，恒定出力控制。

4）抗沖擊能力強，具有超載保護功能。

3.2.2 產(chǎn)品基本原理

EHA電液作動器的基本原理見圖4。

圖4 EHA 電液作動器的基本原理

圖4為一典型功能的單出桿對稱缸，伸出縮回是通過電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，伸出及縮回至最大處的壓力由2個溢流閥設(shè)定；在油缸2個控制口處設(shè)2個液控單向閥，實現(xiàn)保壓功能；它有專用的伺服驅(qū)動器，用戶只要提供電源及控制信號就可操作油缸動作。

3.2.3 產(chǎn)品組成及結(jié)構(gòu)

EHA電液作動器結(jié)構(gòu)見圖5。

EHA電液作動器主要包括以下部分：伺服電機組件（含伺服電機、伺服驅(qū)動器）、雙向液壓泵、充液油箱、控制閥組（含溢流閥、液控單向閥、壓力傳感器等）、油缸（可含位置傳感器）。

3.3 數(shù)字式同步控制缸

3.3.1 產(chǎn)品功能特點

數(shù)字式同步控制缸是另一種集成式終端產(chǎn)品，一般適用于船舶上有同步要求、進行位置高精度控制的場合，如飛機起飛/降落升降設(shè)施等。數(shù)字缸集成了控制器，接收到的總線信號通過控制器轉(zhuǎn)變成脈沖信號，來驅(qū)動步進或伺服電機，在油缸內(nèi)外部可安裝位置、速度傳感器，以此實現(xiàn)電閉環(huán)，同時可以接入信息系統(tǒng)，實時監(jiān)控數(shù)字缸的運行狀態(tài)。主要特點：

1）油缸數(shù)字化控制，對負載不敏感，可精準(zhǔn)控制油缸位移，同步精度可達0.02 mm。

2）與原有采用比例閥/伺服閥/比例泵/伺服泵的方式相比，該數(shù)字式同步控制缸的閥口壓降小，具有節(jié)能和減少發(fā)熱的作用。

3）加工部件難度大大降低，提升系統(tǒng)可靠性。

3.3.2 產(chǎn)品基本原理

數(shù)字式同步控制缸原理圖見圖6。

圖6 數(shù)字式同步控制缸原理圖

液壓數(shù)字缸是由數(shù)字信號控制的機械反饋的液壓油缸；采用帶閉環(huán)控制的伺服電機作為信號輸出裝置，驅(qū)動裝置發(fā)出的脈沖數(shù)量及脈沖速度決定了油缸的位移和速度；油缸不帶電反饋只有機械反饋。即數(shù)字液壓油缸是外部開環(huán)控制，即可實現(xiàn)高精度控制位置及速度的液壓油缸。

3.3.3 產(chǎn)品組成及結(jié)構(gòu)

數(shù)字式同步控制缸的基本組成見圖7。

如圖7所示，n個數(shù)字式同步控制缸由一套集中油源統(tǒng)一進行供油，在油源流量及壓力能夠滿足使用要求的情況下，流量由n個分布式數(shù)字缸根據(jù)同步需求自適應(yīng)分配，通過對n個伺服電機的控制，最終實現(xiàn)指定要求的組合動作。

圖7 數(shù)字式同步控制缸的基本組成

數(shù)字液壓缸由控制單元（由驅(qū)動器、電機和液壓轉(zhuǎn)閥（含閥套）組成）、機械反饋單元（由聯(lián)軸器、中間軸和滾珠絲杠組件組成）、執(zhí)行單元（油缸）等組成，見圖8。

圖8 數(shù)字式同步控制缸的結(jié)構(gòu)

具體工作過程為：驅(qū)動器按要求給電機發(fā)出按一定脈沖速度和一定數(shù)量的脈沖，電機按要求的速度驅(qū)動轉(zhuǎn)閥的閥芯轉(zhuǎn)過要求的角度，轉(zhuǎn)閥閥口打開，控制油缸前進或后退，油缸活塞運動推動絲杠螺母前進或后退，螺母的運動驅(qū)動絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，絲桿的轉(zhuǎn)動通過中間軸驅(qū)動轉(zhuǎn)閥的閥套按電機的相同方向運動，保持和電機相同的速度運行，電機停止，油缸運行使轉(zhuǎn)閥的閥口關(guān)閉，油缸停止運行。

4 結(jié)論

本文按照智能機艙基礎(chǔ)層硬件設(shè)備部件的要求，在滿足整體系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，提出了3種具有分布式特征的電液裝置：智能化動力單元、EHA電液作動器、數(shù)字式同步控制缸，并分別介紹了這3種產(chǎn)品的功能特點、基本原理及組成結(jié)構(gòu)。未來，液壓技術(shù)將進一步與微電子、計算機技術(shù)相結(jié)合，使電液裝置進入“機械電子一體化、模塊化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化”的發(fā)展新階段，將涌現(xiàn)出更多可供智能機艙用的機械設(shè)備部件，真正實現(xiàn)“無人機艙”。