童慧芬，張顏艷，劉 偉，鄭森偉

船舶密封裝置是船舶軸系的主要部件之一，其性能的好壞直接影響到船舶的正常營運和經(jīng)濟型。同時，對防止船舶污染水域、保護環(huán)境起著十分重要的作用[1]。目前海洋用材料的腐蝕試驗主要是在海岸線附近的海洋環(huán)境腐蝕試驗站進行實海試驗，但是實海試驗掛樣取樣試驗需要耗費大量的人力、物力和財力，并且存在著試驗周期長、試驗數(shù)據(jù)離散性大、不便于實時觀察和定量測驗等缺點[2]。因此本文介紹了一種新型海洋環(huán)境模擬試驗機的控制系統(tǒng)，它綜合考慮海洋環(huán)境的多種因素、密封裝置的開關(guān)次數(shù)等，對船舶及海洋工程用緊固密封件進行可靠性壽命試驗。

1 試驗機的結(jié)構(gòu)及工作原理

試驗機主要模擬海洋環(huán)境，用于檢測海水的溫度、鹽度、PH值以及陶瓷閥芯的壽命（即不漏水的最大開關(guān)次數(shù)），需要控制的因素有海水溫度、水循環(huán)、陶瓷環(huán)的開閉并計數(shù)等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗機的試驗介質(zhì)為海水溶液，因其具有較高的鹽度、腐蝕性、流動性，并且考慮到成本因素，試驗機的主要過流元件及水箱均采用316不銹鋼，力保設(shè)備長期運行，間歇運行等不同工作狀態(tài)下的可靠使用壽命。

圖1 海洋環(huán)境模擬試驗機的結(jié)構(gòu)圖

試驗機原理為：由水箱裝盛海水溶液，經(jīng)壓力泵調(diào)壓，通過恒壓變頻系統(tǒng)給定所需的恒定水壓，經(jīng)機械手自動控制陶瓷閥芯開關(guān)水源，出水至水槽，水槽中海水溶液再回至水箱循環(huán)使用。

工作時，采用傳感器技術(shù)，將測試過程所要調(diào)整及檢測的溫度、陶瓷閥開關(guān)次數(shù)等參數(shù)自動實時采集，并顯示在控制面板上。在控制面板上，可設(shè)定溫度，當(dāng)終止測試重新更換試件（或重新裝夾），重新記錄動作次數(shù)。

在壓力方面，采取變頻恒壓供水系統(tǒng)。由于陶瓷閥芯需要頻繁地開關(guān)，具有較高的壽命，故測試系統(tǒng)的壽命執(zhí)行驅(qū)動元件也應(yīng)具有很高的壽命，這里采用機械手設(shè)計方式完成對陶瓷閥芯的開關(guān)動作。陶瓷閥芯的開關(guān)次數(shù)通過計數(shù)器計數(shù)且顯示出來。

水箱設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu)，設(shè)置有加熱棒，加熱棒固定在水箱底部的位置，為了實現(xiàn)海水溫度的自動控制，試驗機設(shè)置有溫度傳感器和電氣控制箱，感應(yīng)探頭伸入到水箱的容室中。溫度傳感器通過導(dǎo)線連接電氣控制箱，一方面接收電氣控制箱提供的電源，另一方面將檢測到的海水溫度傳送給電氣控制箱。電氣控制箱中設(shè)置有控制器，將接收到的溫度檢測信號與設(shè)定值進行比較、控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

新型海洋環(huán)境模擬試驗機控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)工作要求，對設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制，控制內(nèi)容主要包括：海水的溫度、進水時間、氣缸下降時間、陶瓷閥的開閉次數(shù)等。本設(shè)備控制系統(tǒng)以PLC為核心，主要由電動機、變頻器、觸摸屏、氣缸、電磁閥、傳感器等組成[3]。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

從輸入和輸出點的數(shù)量和設(shè)備經(jīng)濟適用的角度考慮，選用DVP32ES200R臺達PLC，該型號PLC高于同級別PLC處理速度，針對大程序容量，提高高效率處理能力，共有32個輸入和輸出，能夠滿足設(shè)計要求。變頻器選用臺達VFD022S21D，實線對水泵電機的無極調(diào)速，使得在反復(fù)啟動水泵電機工作時，電動機速度上升、下降和停止均比較平穩(wěn)。繼電器選用型號為歐姆龍，溫度傳感器選用北京星儀CWDZ18，水泵選用浙江南元泵業(yè)立式多級離心泵SDL4-120LSWLC，氣缸選用臺灣亞德客氣缸GFR200-08.

2.2 電氣控制線路設(shè)計

在設(shè)備控制系統(tǒng)中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，各種開關(guān)、傳感器都與PLC的輸入端相連接，電磁閥、接觸器等電氣元件與PLC輸出端相連。設(shè)計該控制系統(tǒng)的主電路電氣控制線路原理圖如圖2所示。根據(jù)控制要求，分配PLC的I/O地址，其外部接線圖如圖3所示。

圖2 主電路電氣控制線路原理圖

圖3 PLC外部接線圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

相對于其他自動化加工設(shè)備，新型海洋環(huán)境模擬試驗機的控制比較簡單，其控制流程圖如圖4所示。

圖4 PLC控制流程圖

3 結(jié)束語

本文根據(jù)新型海洋環(huán)境模擬試驗機的工作原理和已設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)，對控制系統(tǒng)的硬件進行選型，繪制了主電路電氣控制線路原理圖和外部接線圖，并確定PLC的控制流程圖，實現(xiàn)新型海洋環(huán)境模擬試驗機的自動控制，調(diào)整參數(shù)方便，模擬某些環(huán)境因素的變化，對相關(guān)領(lǐng)域的控制設(shè)計具有一定的參考價值。

[1]陸金銘.介紹國外幾種船用艉軸密封裝置[J].武漢造船，2000（1）：34-36.

[2]王受和，江 魯，王 俊，等.海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗裝置的優(yōu)化設(shè)計與研制[J].環(huán)境技術(shù)，2014（1）：55-62.

[3]周 琦，孫 移.基于PLC的鋁合金型材切割機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造工程，2017，46（6）：55-58.