通风蝶阀控制系统设计

段孟强，陈祖瑞

（1. 海军驻葫芦岛地区军事代表室，辽宁葫芦岛 125000；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

船用阀门控制技术是船舶实现自动化、智能化的关键技术。近年来，阀门电液控制技术得到了快速发展，并迅速应用于现代船舶阀门控制系统[1]。阀门电液控制技术分为阀门液压集中控制系统和阀门电液分散控制系统2种类型，阀门电液分散控制系统是目前应用较广泛的新型阀门控制系统，包含上层控制设备（工控机、PLC、MIMIC控制面板）、独立的电液驱动头、阀门等[2]。电液分散控制系统集液压动力单元和电控部分于一体，便于集成式分布式控制，在可靠性及可维护性方面具有明显优势[3]。

通风蝶阀系统属于通风及空气调节系统的子系统，可用于向各舱室供应新鲜空气、排除内部有害气体及杂质、干燥及冷却舱内空气，也可便于水下状态进行各舱室间的空气搅拌，以改善内部人员的生活环境及机械设备的工作环境。目前，水下产品使用的传统通风阀需通过穿舱手轮实现舱壁两侧的手动操作，自动化程度低，船员劳动强度大，穿舱运动件密封性差。

针对以上问题，项目组对通风蝶阀电液驱动方案及控制方案进行了研究，旨在提高系统的自动化水平，逐步加快船舶智能化进程。

1 通风蝶阀系统设计要求

通风蝶阀的主要功能之一是实现各舱室通风管道的通断，其安装于各舱室隔壁上，耐压等级与舱室隔壁相同，且应急工况下应具备承压功能。在船舶遭遇失事进水或者失火等事故时，需关闭通风蝶阀，阻断失事舱室与其他舱室的通路，抑制事态的扩散，保持其余舱室的浮力和战斗力。水下航行器对安全性、可靠性、可测性以及自动化集中控制都有了较高的要求；同时在狭小布置空间内，要求设备具有总体尺寸小、重量轻、可靠性高、可实现遥控操作以及应急状态下具备迅速关闭舱室通风阀门的功能需求。结合上述分析与用户实际需求可知，开展新型通风阀门控制装置研制是非常必要的。由此，本文开展了新型通风蝶阀系统的研制，并取得了预期的成效。

2 控制系统总体方案

通风蝶阀控制系统方案包含 2台通风蝶阀（带自行设计的电液动力单元）、2套手动液压操作装置、1套本地控制箱及阀位指示装置、1套远程控制箱等。通风蝶阀控制系统具有本地/远程控制切换、本地/远程状态显示等功能，布置灵活，可实现远距离遥控及舱壁两侧阀旁应急手动液压操作功能。

控制系统自带微型液压系统，可在不使用全船液压的情况下实现通风蝶阀就地/远程电液遥控操作、本地/隔舱应急手动液压操作、本地/远程阀位显示功能。就地/远程电液遥控操作，可单独或同时操纵同一舱壁上的2台通风蝶阀；本地/隔舱应急手动液压操作也可同时操纵同一舱壁上的2台通风蝶阀。

2.1 微型液压系统设计

根据多年实船装备设计经验，结合小型化、集成化设计思想，研制出1套自带微型液压系统的通风蝶阀控制系统，主要由电液动力单元（EHU）、手动液压操作装置、计量式阀位显示器、液压执行装置等组成，通风蝶阀微型液压系统功能的实现原理如图1所示。

图1 通风蝶阀系统功能原理图

通过外部电源驱动电液动力单元内部电机的 正反转，从而带动柱塞式液压泵正转或反转，可以输出10 MPa～20 MPa液压油；液压油依次通过液压锁、计量式阀位显示器驱动液动执行装置进行活塞运动，进而带动阀杆旋转以实现蝶阀的启闭动作；信号反馈模块将阀门的到位信号传输到本地或远程控制箱，控制电机失电停机。需要应急手动操作时，可通过安装在阀旁的手动液压操作装置进行应急手动液压操作；同时，隔壁舱室可通过计量式阀位显示器得到阀位的开度信息。阀门上留有纯手操接口，打开旁通后，使用扳手可以直接进行手动操作。

原通风蝶阀进行隔舱手动操作时无法显示阀位，新型控制系统中串联了计量式阀位显示器，将其安装在应急手动操作液压装置上，以便操作人员在隔壁舱室进行应急手操时，可以观察到阀位情况。

2.2 电路设计

电控操作时，应急手动操作装置应处于“电液遥控”档，电液遥控操作的控制指令由本地或远程控制箱发出。通风蝶阀电气接线图如图2所示，信号行程开关各有1对常开、常闭触点，常闭触点串联接入控制电路，常开触点串联接入信号反馈线路；阀门到位后，常闭触点断开；电机失电停机时，常开触点闭合，到位信号灯亮。

图2 阀门电气接线图

本地控制箱具备本地/远程操控切换功能，可以直接操作启闭控制旋钮，或通过信息接口接收远程启闭控制指令，以控制同一舱壁上的2台通风蝶阀单独或同时开启关闭。本地控制箱上可显示阀位状态，也可通过信号接口将阀位信号反馈至集控端。本地控制箱的控制方式切换到远程控制模式后，远程控制箱即发送启闭控制指令至本地控制箱的信息接口，从而远程控制同一舱壁上的2台电控隔舱蝶阀单独或同时开启关闭。本地控制箱与通风蝶阀接线如图3所示。

本地控制箱原理图如图4所示，阀开阀关控制电路中采用常见的互锁自锁设计，控制性能可靠。

图3 本地控制箱接线图

图4 本地控制箱原理图

通风蝶阀的控制系统布置如图5所示。每台通风蝶阀通过1根3芯电缆（电源）和1根5芯电缆（阀位信号反馈）与本地控制箱相连，实现控制电信号的传递与阀位信号反馈。每个本地控制箱连接并操纵2台通风蝶阀，同时通过1根10芯电缆与远程控制箱连接，用于接收远程控制信号并将阀位信号反馈至远程端。本地控制箱实物图如图6所示。

图5 本地/远程控制箱

图6 本地控制箱实物图

3 试验台架

根据设计方案搭建的试验台架由本地控制箱、远程控制箱、电液动力单元、蝶阀、应急手动操作装置、计量式阀位显示器、穿舱件等组成。经试验验证，隔舱通风蝶阀控制系统运行良好，动作响应速度快，阀位显示准确无误。见图7。

图7 隔舱通风蝶阀控制试验台架

4 结论

通风蝶阀是通风系统的重要组成部分，关系到船舶的生命力。本文针对以往产品操作力矩大、启闭时间长且受限于船上狭小空间导致手动操作困难等缺点，将微型电液系统集成到通风蝶阀上，既减小了体积，又实现了电控操纵，操作方式更加简便，使得阀门状态指示更加直观。同时，配备上海船舶设备研究所研制的手动液压操作装置，其极其灵活的布置方式摆脱了艇上狭小空间的限制，同时操作力矩小，减轻了用户手动操纵时的劳动强度，极大提升了产品的用户体验。