船舶阀门遥控系统电气设计优化与实践

船舶阀门遥控系统电气设计优化与实践

于忠鑫1汪小华2

(1大连中远海运重工有限公司辽宁大连116113;2重庆市船舶检验局重庆400020)

摘要：随着船舶自动化程度的提高，先进的自动化控制技术已经广泛的应用在船舶控制系统中，自动化技术的应用提高了船舶航行运营的安全性和经济型，同时也大大的减轻了船员的工作负担。目前，国际上船舶阀门遥控采用分布式处理的网络设计是目前船舶自动化发展的方向之一，这种设计理念已被国内外众多的生产商采用。

关键词：船舶阀门遥控系统；电气设计；

舶及其相关工业、制造业的发展具有重要意义。船舶遥控系统经过半个世纪的发展，已经由模拟控制面板转向计算机控制平台。计算机控制平台的空间要求更小，与船舶内其他控制系统的结合更加方便，能够更好地实现整个船舱内的资源共享，为船舶舱内系统的完全集成化提供了研究方向和技术基础。

一、阀门遥控系统

船舶阀门遥控系统一般由阀门、阀门驱动装置、遥控系统、应急操作装置、阀门位置指示和动力源等组成。按照驱动头动力来源，分为液压式、气动式和电动式3类，其中液压式应用最广泛。液压式阀门遥控系统由液压动力单元、控制指示单元、电磁阀箱、执行单元和应急操作单元组成。1)液压动力单元的液压泵站为系统提供动力源；2)控制单元包括远程控制板和现场控制板，远程控制板安装在控制室的控制台上，并配有模拟管系图显示阀门和阀位的状态，从而使用户能更直观地了解系统运行情况并方便控制，对于选择远程操作控制的分散阀，也可由现场控制板控制；3)电磁阀箱接受由控制台发出的控制信号或由计算机系统发出的指令；4)执行单元包括液压驱动器和阀。液压驱动器是被安装在阀体上且由电磁阀控制的执行器件；5)应急操作单元通过便携式手动泵或固定式手动泵操作驱动器。

二、关键技术

1.间接式阀位指示技术。间接式阀位指示技术的核心是指示阀门的设计

和研发。指示阀门需要通过测量元件对阀门因每次驱动引起的机械误差和温度变化导致的管路容积变化进行测量，对阀门实际开闭状态进行精确监控。指示阀门的技术元件包括计量油缸型阀位指示器和压力温度补偿模块。阀位指示器的内部结构包括位控阀、旋转芯轴、螺钉销轴、导向销轴、测显机构、缸体、端盖、活塞等。阀位指示器串联于低压控制回路，由流经其中的液体通过活塞进行驱动，以保持阀门的开闭状态。压力温度补偿模块可以保证间接测量的结果不会因管路长度、油温变化等原因受到影响，模块由阻尼孔、换向阀、单向阀、阀芯、阀体等结构组成。阀芯可对油路的连通情况进行控制，保证在工作过程中油路内油压始终处于低压水平，避免路过长和油温变化带来的误差影响;模块底部的连接面多采用圆形槽，以保证油路的密封性;换向阀能够通过压力油的流向对阀门开闭进行控制。压力温度补偿模块在组建完成后需要对其换向性能、滑阀技能、耐压性等性能进行测试，还要经过内、外泄漏试验和压力损失试验等才能正式投入使用。

2.电液集成式阀门遥控技术。电液集成式船用阀门的遥控技术在最近几年得到得到快速发展，并迅速应用于现代船舶的遥控阀门控制系统。电液集成式遥控阀门的核心组件包括阀门驱动装置和控制模块。阀门驱动装置的原理为:在接到上位机指令后阀门驱动装置的泵机运转，压力油输出并流入活塞腔推动齿轮运转，控制阀门的开闭。电液集成式阀门驱动装置与传统的阀门驱动装置相比，增添了阀位指示器、控制阀板、电液集成式液压泵机组等组件，通过控制阀板改变压力油的泵出流向，实现阀门的转动。阀位指示器通过现场微型感受器对阀门开闭状态和位置信息进行监控和指示。电液集成式船用阀门驱动装置结构简单、元件较少、控制精准，近年来在国内外远航船舶中应用较为广泛。控制模块主要用于各装置信息的整合和分析，并根据实际数据信息对各阀门运行状况进行监控。目前最常用的控制模块是各种型号的嵌入式工程控制模块，这种控制模块可通过C语言函数实现对各种操作指令的编写和下达，并与CAN总线系统相连，完成数据通讯。新型迷你可编程智能系统能耗大幅度降低，硬件结构更紧凑，功能更完善，用户程序更简洁，已经应用于电液集成式船用阀门遥控系统之中。

三、阀门遥控系统电气设计的优化

针对采用上述方法建模在实际应用过程中存在的问题，提出改进遥控阀的电气详细设计建模方法，通过采用在轮机专业的阀小样上添加电缆连接点，实现电气详细设计中遥控阀的建模。

1.外专业设备采用额外建立电缆连接点的方法进行电气原理建模存在如下弊端：1)电气生产设计工作量大，设计周期长。生产设计人员需要先根据相关图纸找到电气与轮机阀件的对应关系，然后根据轮机专业的遥控阀代号找到其在轮机模型中的布置位置，最后将电气原理定义的小球布置到相应阀件的电缆连接处，操作过程比较繁琐；2)遥控阀位置变化后，小球位置不会随之改变，如果专业间协调不到位，则容易出现位置偏差，从而导致主干电缆布置、敷设和长度产生误差，造成电缆、电缆安装附件浪费和返工。

2.采用在轮机阀件上添加电缆连接点。新建轮机专业阀的小样时，在电气接口处添加电缆连接点，阀布置到轮机模型后，通过读取轮机模型，检索并列出其中含电缆连接点的模型，新建一条电气设备原理。采用该方法进行遥控阀的电气原理定义，电气原理建模时不需要额外建立阀的电气设备小样和进行部件定义，简化了电气原理建模过程，减少电气生产设计工作量，避免繁琐的查找过程。当轮机专业将遥控阀布置到轮机模型后，电气人员只需在电气模型的设备树中选中某遥控阀然后选择直接布置，该遥控阀在电气模型中就自动布置在与轮机模型相同的位置上。最重要的是，当轮机模型中遥控阀的位置变化后，电气生产设计只需通过更新轮机和电气模型即可完成相应的遥控阀的位置更新。

3.优化建议。针对上述分析，对阀门遥控系统电气详细设计提出如下建议：

1)采用“贴小球”的方法建立遥控阀的设备原理时，在电气专业阀门遥控系统工作图中标出与轮机专业的阀号对应关系，减少生产设计的查找时间、缩短生产设计周期，同时也便于电气原理设计核对图纸及设备资料。2)采用“贴小球”的方法建立遥控阀的设备原理后，在电气模型中布置遥控阀设备时，可在已完成设备布置的轮机模型中导出管子阀件汇总表，根据轮机与电气专业阀号对照关系，通过查看其设备属性，在设备属性中输入相应的三维坐标。采用该方法布置设备将更简洁，减少查找时间，设备布置的准确性更高。3)对于系列船，建议利用在轮机阀件上添加电缆连接点的方法完成遥控阀的电气原理定义。这样即使后续船中轮机遥控阀的位置调整，可通过更新模型完成遥控阀位置的自动更新，以减少生产设计的操作步骤，缩短电气设计周期。

随着工业技术的发展，船用阀门的控制系统为满足现代船舶的实际需求不断进行更新换代，新型遥控系统依托计算机技术与船舱监控系统相互结合，成为新型船舶系统中重要的一环。然而，船用阀门的遥控系统自主研发难度大，需要突破的科技难题较多，经济附加值巨大，核心技术被国外船舶制造企业垄断，一直是制约我国现代船舶自动化装卸载技术发展的重要原因。当前，我国船用阀门遥控系统的关键技术经过多年努力已经取得部分突破，电液集成技术、遥控技术等新型控制技术获得发展，国产设备在现代船舶的装船率正在不断提高。

参考文献：

[1]战琪船舶管系清单自动输出的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2017.

[2]许琛，马晓平.基于TRIBON船体物料管理系统的研究[J].江苏船舶，2018.

[3]白冰.船舶管系设计物料清单系统设计与实现[D].大连：大连理工大学，2017