張 偉，盧 銘

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

作為雷達設備“六性”設計之一，安全性設計貫穿設備的設計、加工、調(diào)試、試驗、使用、維修等整個裝備生命過程，其重要性不言而喻。人員的人身安全、設備的可靠工作對于整部雷達正常工作至關(guān)重要。相對于岸基固定式雷達，車載雷達的機電控制系統(tǒng)多而復雜，具有執(zhí)行機構(gòu)多、驅(qū)動電機多、傳感器多和控制系統(tǒng)復雜的特點，且各機電控制子系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)，安全性設計要求較高。為保證人身安全和設備安全，機電控制系統(tǒng)在方案設計之初便要進行安全性設計，統(tǒng)籌考慮，辨別其中存在的安全隱患，并針對性地提出解決措施。本文以某型岸基車載雷達為例，系統(tǒng)地介紹了該型車載雷達機電控制系統(tǒng)在安全性方面所進行的設計。

1 系統(tǒng)概述

某型岸基車載雷達機電控制系統(tǒng)包括方位控制系統(tǒng)、饋源控制系統(tǒng)、天線展收控制系統(tǒng)和載車調(diào)平控制系統(tǒng)。

方位控制系統(tǒng)主要由伺服機柜、方位電機、方位轉(zhuǎn)臺、自整角機、方位鎖銷等組成，用于控制方位轉(zhuǎn)臺按照操控指令進行方位環(huán)掃、扇掃、定位、停車首等動作。

饋源控制系統(tǒng)主要由伺服機柜、饋源轉(zhuǎn)臺、饋源電機以及接近開關(guān)等組成，用于控制饋源轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)、定位，使得饋源轉(zhuǎn)臺上3個頻段的喇叭分時對準天線面陣。

圖1 天線、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

天線展收控制系統(tǒng)由天線展收控制主站、天線展收控制分站、變頻器、左邊塊傳動裝置(含電機）、右邊塊傳動裝置(含電機）、主塊傳動裝置(含電機）、限位開關(guān)等組成，用于控制天線的展開與收疊。天線展收控制系統(tǒng)主要工作是到達陣地后的天線展開，使得天線處于雷達工作狀態(tài)，以及撤離陣地前的天線收疊，確保天線收疊后其高度、寬度滿足公路運輸要求。

載車調(diào)平控制系統(tǒng)主要由一臺控制機箱、四條機電式調(diào)平支腿、一臺水平傳感器組成，用于載車到達預設陣地后將載車平臺的水平度調(diào)至精度要求內(nèi)，以及撤離陣地前的收支腿。

2 安全性設計

安全性設計的最終目的是保證人員和設備的安全［1］。該型雷達機電控制系統(tǒng)安全性設計主要從結(jié)構(gòu)設計和伺服控制兩方面進行，同時也充分考慮了人員操作習慣、結(jié)構(gòu)運動空間、各機電控制子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)。

2.1 方位控制系統(tǒng)安全性設計

方位控制系統(tǒng)安全性設計的目的是防止天線旋轉(zhuǎn)時對人員的傷害，以及在天線未展開情況下或方位轉(zhuǎn)臺鎖定的情況下旋轉(zhuǎn)造成結(jié)構(gòu)損壞，為此采取了以下安全設計:

(1）載車平臺上設置安全開關(guān)，維修人員上載車平臺之前，將安全開關(guān)撥至“斷”的位置，此時方位電機不工作，方位轉(zhuǎn)臺不會旋轉(zhuǎn)，保證了人員安全。

(2）天線展收控制系統(tǒng)與方位控制系統(tǒng)之間建立通訊接口，進行天線展開到位狀態(tài)傳輸，避免天線在未展開到位的狀態(tài)下天線方位旋轉(zhuǎn)，導致天線結(jié)構(gòu)的損壞。

(3）方位轉(zhuǎn)臺設計有方位鎖銷，在天線停車首時可鎖定方位轉(zhuǎn)臺，同時設置方位鎖銷傳感器，并將信號分別接入方位控制系統(tǒng)和天線展收控制系統(tǒng)，確保在鎖定狀態(tài)下方位電機無法旋轉(zhuǎn)，保護天線結(jié)構(gòu)。

伺服分機也會將上述狀態(tài)送至終端顯控臺。終端顯控臺在發(fā)送方位旋轉(zhuǎn)命令前，也會判斷上述安全條件是否滿足，若滿足才發(fā)送，若不滿足則不發(fā)送，同時提示操作人員當前天線不能旋轉(zhuǎn)。

2.2 饋源控制系統(tǒng)安全性設計

饋源控制系統(tǒng)安全性設計的目的是防止接近開關(guān)損壞或者結(jié)構(gòu)咬死導致電機堵轉(zhuǎn)，從而破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。為此，進行以下安全設計:

(1）在饋源轉(zhuǎn)臺的左、右極限位置分別設置兩個結(jié)構(gòu)擋塊，同時在極限位置處設置了接近開關(guān)用于控制保護。

(2）由于饋源喇叭相對位置固定，轉(zhuǎn)速已知，因此可預知從當前饋源切換至下一目標饋源所需要的時間。為防止結(jié)構(gòu)咬死或者接近開關(guān)失效導致電機堵轉(zhuǎn)，軟件中設置了時間檢測功能，當饋源動作時間超過正常運動所需時間后的一段時間內(nèi)仍然沒有檢測到接近開關(guān)信號，則軟件自動將饋源電機停止，并向終端顯控臺報送饋源轉(zhuǎn)臺故障，這樣便防止了電機持續(xù)堵轉(zhuǎn)導致結(jié)構(gòu)件破壞。

(3）此外，饋源轉(zhuǎn)臺內(nèi)設置安全銷，在上述兩種安全措施均失效的情況下將首先損壞安全銷，從而切斷電機的動力輸入，保護其余結(jié)構(gòu)件不被損壞。

2.3 天線展收控制系統(tǒng)安全性設計

作為該車載雷達系統(tǒng)最復雜、技術(shù)難度最大的機電控制子系統(tǒng)，天線展收控制系統(tǒng)的安全風險最大。為此，采取了多重安全保護技術(shù)，比如應用三維仿真進行結(jié)構(gòu)設計，合理設置限位開關(guān)，實時采集電流進行電機保護等。

天線展收運動部件多，運動為空間運動，為防止結(jié)構(gòu)件相互干涉，因此在進行結(jié)構(gòu)設計時采取了三維建模技術(shù)和虛擬裝配技術(shù)，確保天線在進行展收動作時不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件干涉現(xiàn)象。

此外，天線展收控制系統(tǒng)還存在以下幾個安全隱患，一是天線展收不可與方位旋轉(zhuǎn)同時動作，二是防止結(jié)構(gòu)件傳動絲桿咬死，三是天線展收控制系統(tǒng)失控，四是防止限位開關(guān)失效。針對以上隱患分別采取了如下措施:

(1）天線展收時，必須將天線方位停在車首位置，并通過方位鎖銷將方位轉(zhuǎn)臺鎖定，確保方位轉(zhuǎn)臺固定，方位電機不會旋轉(zhuǎn)。此外，在天線展收控制主站上分別設置“方位”動力和“展收”動力開關(guān)，并把“方位”和“展收”開關(guān)設置成互鎖開關(guān)，確保方位動力電源和展收動力電源不可能同時上電，確保了在進行展收動作時方位電機不會旋轉(zhuǎn)。

(2）天線在進行展收動作時，控制軟件實時采集電機反饋電流，并進行全程監(jiān)控，若電流異常增大，則立即停止電機轉(zhuǎn)動，防止結(jié)構(gòu)件咬死事件發(fā)生，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件不損壞。

(3）天線展收控制系統(tǒng)采用CAN 總線與變頻器進行通訊，從而控制電機的起停、轉(zhuǎn)速、方向等。為防止天線在展開或收疊動作時CAN 總線中斷，導致控制系統(tǒng)失去對電機的控制，從而引起結(jié)構(gòu)沖擊，為此天線展收控制系統(tǒng)定時向變頻器發(fā)送查詢碼。若CAN 通訊中斷，變頻器接收不到控制系統(tǒng)發(fā)出的查詢碼，變頻器將自動停止電機轉(zhuǎn)動。

(4）天線展收控制系統(tǒng)在關(guān)鍵處均設置了限位開關(guān)，比如在天線展開到位處設置了限位開關(guān)，到位時會自動觸發(fā)限位開關(guān)。為避免運輸時的振動沖擊損壞各傳動絲桿，電子設備載車平臺上設置主塊鎖銷、左右邊塊鎖銷，在運輸時將天線主塊、邊塊鎖定。同時，這些鎖銷處均設置了限位開關(guān)，并將信號接入天線展收控制系統(tǒng)，從軟件上確保在未解除主塊鎖銷、左右邊塊鎖銷之前天線主塊、邊塊電機不會工作。

為防止限位開關(guān)損壞或連接電纜斷裂導致限位開關(guān)檢測失效，限位開關(guān)均采取備份，確保單一開關(guān)失效時不至于系統(tǒng)失控。

圖2 天線鎖定裝置示意圖

最后，天線展收控制系統(tǒng)操作面板增加“急?！卑粹o，在緊急情況下按下“急?！卑粹o，則立即跳開天線展收動力開關(guān)，確保結(jié)構(gòu)件不損壞。

2.4 載車調(diào)平控制系統(tǒng)安全性設計

載車調(diào)平控制系統(tǒng)的安全隱患主要是調(diào)平腿不協(xié)調(diào)動作，比如某一條或兩條腿動作，而剩余的腿并未動作，導致整個載車平臺傾斜甚至傾覆。為此，實時采集載車平臺水平傳感器的數(shù)據(jù)，當水平數(shù)值出現(xiàn)放大現(xiàn)象且超過一定數(shù)值時，則電機立即停止動作，確保載車平臺不會出現(xiàn)傾斜、傾覆的現(xiàn)象。

調(diào)平支腿采取了T 型絲桿結(jié)構(gòu)，為防止結(jié)構(gòu)件咬死，也同樣實時采集電機反饋電流進行電流保護。

此外，在調(diào)平腿的伸縮極限位置處均設有限位開關(guān)，當觸發(fā)限位開關(guān)時也會立即停止電機，防止電機堵轉(zhuǎn)。

2.5 警示、提示

電子設備載車平臺相關(guān)位置處設置天線展收操作流程指示牌以及警示標牌，一方面告知操作人員正確的操作流程和注意事項，另一方面提醒操作人員上載車平臺時需注意的安全措施。

天線展收控制單元設置電鈴，用于在天線展開或收疊動作前通過鈴聲提醒人員注意，避免人員傷害。

3 結(jié)束語

車載雷達機電控制系統(tǒng)的安全性設計是一項系統(tǒng)性的工程設計，關(guān)系到人身和設備的安全，在方案設計之初時必須全盤考慮。在進行安全性設計時，除了考慮設備正常工作時隱藏的安全隱患，更要考慮在操作失誤、器件損壞、加電異常、通訊中斷等異常情況下會對人員和雷達設備帶來怎樣的傷害，并針對性地采取安全措施。此外，在設計圖紙物化后，需要通過各種辦法來進行模擬測試，確保安全措施合理、有效，以此來保證安全性設計的正確性和可行性。

［1］平麗浩，等.雷達結(jié)構(gòu)與工藝.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］夏勇，等.雷達機電一體化系統(tǒng)的安全性設計［C］//中國電子學會可靠性分會第十三屆學術(shù)年會論文選，2006.

［3］陸廷孝，等.可靠性設計與分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1996.