方 斌，王子磊，許國軍，熊啟發(fā)

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍××工程辦公室，北京 100841)

0 引言

液壓系統(tǒng)在現(xiàn)代船舶上有著廣泛的應(yīng)用，工程上有專業(yè)的液壓工程船舶，如全液壓挖泥船、打撈船、打樁船，其他船舶上的舵機轉(zhuǎn)向、平臺升降、艙蓋啟閉、閥門開關(guān)等動作實現(xiàn)也通常是由液壓系統(tǒng)提供動力。在船舶液壓室內(nèi)一般設(shè)有液壓系統(tǒng)電氣控制裝置，該裝置能對液壓系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，實時獲取系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)信息，并將該信息反饋到對系統(tǒng)的控制中，通過人工處理或計算機自動處理等方式，保證系統(tǒng)的正常工作，預(yù)防各類故障的發(fā)生。

針對船舶液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度快、工作精度高、輸出范圍廣等特點，本文在對典型船舶液壓系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，采用高性能的DSP芯片為核心實現(xiàn)了對系統(tǒng)的控制，有效提高了船舶液壓系統(tǒng)的自動化程度。

1 液壓系統(tǒng)控制要求

任意一個完整的液壓系統(tǒng)其組成都可以分為動力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件和液壓油等5個部分［1］。一個典型的船舶液壓系統(tǒng)動力站的原理圖如圖1所示。該動力站的主要配置包括電動螺桿泵、氣動蓄能器、控制閥件、濾器、油箱及其液壓管路等。

圖1 船舶液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of marine hydraulic system

正常運行時，由電氣控制裝置發(fā)出指令，啟動螺桿泵向系統(tǒng)內(nèi)充油，當蓄能器充滿時，螺桿泵自動停機或通過卸荷溢流閥卸荷運行，當有液壓用戶用油時，首先由蓄能器供油，若蓄能器供油不能滿足需求，給出放光信號時螺桿泵自動啟動也加入供油，正常情況下可以滿足用戶需要，且蓄能器逐漸被充滿，充滿后螺桿泵再次停機或卸荷運行，由蓄能器向用戶供油。系統(tǒng)重復上述過程，保證全船液壓用戶正常用油需求。在系統(tǒng)正常運行的過程中，電氣控制裝置實時監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)生意外情況立即作出相應(yīng)處理，對系統(tǒng)運行監(jiān)測管理的規(guī)則如下:

1)控制螺桿泵自動啟停，監(jiān)測其電壓、電流和功率，要求供電電壓穩(wěn)定，允許額定電壓有－5%～+10%的波動范圍，不允許缺相，否則應(yīng)報警并停機保護，工作電流應(yīng)在正常范圍內(nèi)，長期過電流也應(yīng)報警并停機保護;

2)監(jiān)測系統(tǒng)中蓄能器放光或充滿狀態(tài)，并對卸荷溢流閥、隔離閥、換向閥以及其他閥件進行控制;

3)監(jiān)測油箱的油位，油位必須保證在正常油位內(nèi)，設(shè)置一級油位和二級油位報警，低于二級油位，螺桿泵若處于工作狀態(tài)應(yīng)立即自動停車;

4)在液壓泵的進口和出口、主要管道中部以及執(zhí)行元件的油液進出口對壓力監(jiān)測，并監(jiān)測系統(tǒng)供油濾油器和回油濾油器進出口壓差和壓力波動情況，分析系統(tǒng)供油總管的壓力狀態(tài)和濾油器堵塞情況，異常時報警并調(diào)整螺桿泵運行和閥件開關(guān);

5)測量系統(tǒng)中液壓油的溫度，通過控制液壓油輔助電加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，保證液壓油處于最佳運行溫度為35℃ ～55℃，當油溫高于80℃時，系統(tǒng)報警并停止螺桿泵的運行;

6)監(jiān)測液壓系統(tǒng)的管路流量，流量變化實際上是系統(tǒng)容積效率的改變，異常的流量可能對應(yīng)著系統(tǒng)中管路、閥門等故障，通過長期跟蹤系統(tǒng)流量變化對液壓元件的磨損狀態(tài)進行分析評估，另當系統(tǒng)的管路發(fā)生破損時而導致液壓油外流時，若總管內(nèi)瞬間流速過大，應(yīng)給出報警并迅速關(guān)斷截止閥。

2 控制裝置硬件分析

根據(jù)船舶液壓系統(tǒng)較復雜的控制要求，選擇TMS320LF2407A型號的DSP芯片作為核心，開發(fā)船舶液壓系統(tǒng)電氣控制裝置。目前各行業(yè)不同系統(tǒng)中的各類電氣控制裝置，其監(jiān)測對象、實現(xiàn)方式、核心技術(shù)等可能各不相同甚至有很大的差異，但其最基本的組成部分是一致的，一般包括數(shù)據(jù)采集部分、監(jiān)測與分析部分、控制輸出與顯示部分以及數(shù)據(jù)通信部分?；贒SP的船舶液壓系統(tǒng)電氣控制按模塊功能也可分為這4個部分，裝置的硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成原理框圖Fig.2 Schematic diagram of hardware constitution

根據(jù)船舶液壓系統(tǒng)的自身特點和控制要求，確定實現(xiàn)液壓系統(tǒng)控制裝置的技術(shù)方案如下:

1)采用數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407A作為裝置開發(fā)的核心，充分利用其豐富的內(nèi)部資源和高速的運算能力，在線監(jiān)控液壓系統(tǒng)的運行;

2)選擇合適的傳感器并設(shè)計合理的信號采集電路，采集液壓系統(tǒng)中的壓力、溫度、流量和螺桿泵的電壓、電流等模擬量信號，以及系統(tǒng)蓄能器狀態(tài)、液壓閥組狀態(tài)、油箱狀態(tài)、工況選擇開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)信號信息作為系統(tǒng)的狀態(tài)輸入信息，送入DSP系統(tǒng)進行分析處理;

3)以LCD顯示器件的方式，在裝置就地顯示壓力、溫度、流量等信息供值班人員查看，了解系統(tǒng)運行狀態(tài);

4)利用DSP器件的I/O口，擴展繼電器增加其驅(qū)動能力，實現(xiàn)對螺桿泵、液壓閥組等的控制;

5)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動作出判斷并控制系統(tǒng)動作，保護系統(tǒng)安全，并給出報警信息;

6)通過串口通信，向上位機提供數(shù)據(jù)，在上位機上顯示液壓系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

為實現(xiàn)控制裝置功能，圍繞TMS320LF2407A芯片設(shè)計硬件電路，主要電路介紹如下:

1)溫度、壓力和流量信號采集

船舶液壓系統(tǒng)中液壓用油的溫度變化范圍為－30℃ ～80℃，在該溫度范圍內(nèi)測量可采用PT100鉑熱電阻，測溫時，PT100鉑熱電阻還需要加1個溫度變送器，從而將阻值的變化轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流的信號。溫度信號的采集電路如圖3所示。

圖3 溫度信號采集電路Fig.3 Temperature signal acquisition circuit

本液壓系統(tǒng)最大壓力為30 MPa，其測量采用的是電阻應(yīng)變式壓力傳感器，配合內(nèi)部電路，可將電阻的變化變換為電信號。系統(tǒng)流量的采集使用的是渦輪流量傳感器，根據(jù)流量大小產(chǎn)生電脈沖信號。壓力和流量信號采集電路與溫度采集電路類似。

2)電壓信號采集

電機是液壓系統(tǒng)的動力來源，為了測量液壓系統(tǒng)螺桿泵使用的三相380 V異步電機的電壓，需要使用電壓傳感器將強電信號轉(zhuǎn)換成為弱電信號。傳感器測量的是電壓的瞬時值，其峰值約540 V，本裝置選取的是LV20-P型霍爾電壓傳感器，采集電路見圖4。

圖4 電壓信號采集電路Fig.4 Voltage signal acquisition circuit

3)電流信號采集

當液壓系統(tǒng)或螺桿泵電機出現(xiàn)故障時，電機電流一般會較正常值增大。經(jīng)過對電機電流范圍的計算以及對可選擇的傳感器產(chǎn)品的特性進行分析，本裝置選用的是HC－PG050V4B12B型電流傳感器。該傳感器通過內(nèi)部元件轉(zhuǎn)換，已經(jīng)實現(xiàn)了將監(jiān)測對象的電流信號直接轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，只需進行簡單的變換即可引入DSP中使用，采集電路如圖5所示。

圖5 電路信號采集電路Fig.5 Current signal acquisition circuit

4)開關(guān)量信號采集

在進行液壓系統(tǒng)監(jiān)測時，還有大量的開關(guān)量信號需要采集，如一些系統(tǒng)控制開關(guān)的狀態(tài)、重要閥件的開關(guān)狀態(tài)、輔助系統(tǒng)的投入狀態(tài)等。監(jiān)測裝置所采用的輸入開關(guān)量電路如圖6所示，采用了光電隔離器件TLP521構(gòu)成電路。

圖6 開關(guān)量信號采集電路Fig.6 Switch quantity signal acquisition circuit

5)交流信號同步采樣

采集周期性交流電壓信號時，在進入DSP進行AD轉(zhuǎn)換前，必須實現(xiàn)采樣的同步，即將1個周期性信號在周期內(nèi)實現(xiàn)均勻離散，采集每個離散點的瞬時值用于對信號進行計算。對于離散傅立葉變換來說，實現(xiàn)同步采樣能減少頻譜的泄漏，從而控制計算結(jié)果誤差。

本裝置鎖頻電路中采用的元件是1片CMOS集成電路鎖相環(huán)芯片CD4046［2］，再配合1片雙四位二進制計數(shù)器JCCD4520，實現(xiàn)對交流信號的鎖頻和倍頻。如圖7所示，工頻信號f0首先進入LM311，經(jīng)過這個簡單的比較電路，輸出的是標準也為TTL電平的方波信號，頻率為工頻。選擇合適的R6與C8的值，可以將4046內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率控制為256 f0。TTL電平信號與經(jīng)過JCCD4520輸出的信號進行相位比較，然后從相位比較器輸出，并同時進行低通濾波。讓鎖相環(huán)鎖定f=256 f0，再通過JCCD4520，將f進行2分頻，就可以獲得128 f0的信號。

圖7 鎖相倍頻電路Fig.7 Phase-locked frequency multiplication circuit

3 控制裝置軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件

下位機軟件采用TI公司專門開發(fā)的DSP芯片集成開發(fā)環(huán)境CCS2000工具進行開發(fā)，軟件采用模塊化設(shè)計。主程序的功能是進行裝置各部分的初始化，并依次調(diào)用信號采樣、數(shù)據(jù)分析、判斷輸出、上位機通信等程序，控制各個程序的執(zhí)行時間，以及完成單元循環(huán)的檢查等。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow process diagram of main program

相對其他模塊程序，數(shù)據(jù)分析處理程序中的電壓、電流等交流信號計算是難點。交流參量計算軟件中對交流電壓、電流和相位的計算使用FFT算法［3］。在交流參量計算軟件中將FFT算法實現(xiàn)為一個函數(shù)FFT(·)，并定義輸入口和輸出口。

在FFT(·)函數(shù)輸出接口input［］中存放了被測交流參量的各次諧波實部、虛部和平均值信息。交流電壓有效值U可通過下式得到:

式中:un為對應(yīng)數(shù)組input［n］的值;Au為測量變換增益。

采用相同的算法可以得到交流電流有效值I。

交流電壓的相位θu可通過下式得到:

式中:u3為交流電壓基波的虛部;u2為交流電壓基波的實部。

同理，交流電流的相位θi可由下式得到:

則交流有功功率P可由下式得到:

3.2 上位機軟件

液壓系統(tǒng)要求具備遠程監(jiān)測功能，需要在上位機上顯示液壓系統(tǒng)的狀態(tài)。本裝置采用美國NI(National Instrument Corporation)公司的圖形化編程工具LabVIEW開發(fā)軟件。LabVIEW平臺在開發(fā)時，完全拋棄了傳統(tǒng)的程序代碼，取而代之的是流程框圖，很大程度上節(jié)省了程序開發(fā)時間。

下位機通過RS232串行接口與上位機通信。上位機在完成串口初始化子程序后，和下位機進行時間同步，接受下位機數(shù)據(jù)，并將下位機傳送的十六進制的ASCⅡ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，再執(zhí)行數(shù)據(jù)保存程序和顯示程序，完成液壓系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的存儲和顯示。

船舶液壓系統(tǒng)上位機監(jiān)測面板如圖9所示。

圖9 監(jiān)測面板圖Fig.9 Schematic diagram of monitoring panel

4 結(jié)語

在詳細分析船舶液壓系統(tǒng)工作特點和控制要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的電氣控制裝置，采用先進的DSP技術(shù)實現(xiàn)了對液壓系統(tǒng)的自動控制，并開發(fā)了虛擬化儀表的顯示界面實現(xiàn)遠程監(jiān)測。該裝置在船舶液壓系統(tǒng)中的配備，很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性和性能穩(wěn)定性，也提升了液壓系統(tǒng)的智能化控制水平。

［1］高翔.艦船輔助機械［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2000.90－93.

［2］宋吉江，牛軼霞.鎖相環(huán)技術(shù)及CD4046的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用［J］.半導體技術(shù)，2000(3):60 －63.SONG Ji-jiang，NIU Yi-xia，Phase-locked loop technology and the structure and application ofCD4046［J］.Semiconductor Technology，2000(3):60 －63.

［3］于海生，潘松峰，吳賀榮.基于復序列FFT和鎖相原理的電參數(shù)測量［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000(3):59－61.YU Hai-sheng，PAN Song-feng，WU He-rong.Measurement of electrical parameters based on complex sequence FFT and phase locking principle［J］.Power System Technology，2000(3):59－61.