電液式閥門遙控系統(tǒng)在浮船塢中的應(yīng)用

毛宗梁， 周 健

（上海船舶運輸科學(xué)研究所 民品分所，上海200135）

0 引 言

浮船塢是一種主要用于修、造船的工程船舶，有時還可用于打撈沉船，是運送深水船舶通過淺水航道的船舶載體。它需滿足以下要求：具有足夠大的空間和排水量，能夠停放待修船舶；在空載或載船狀態(tài)下具有足夠的穩(wěn)性；具有足夠的總縱、橫和局部強度，在載船狀態(tài)下，待修船舶與船塢本身不應(yīng)產(chǎn)生超標(biāo)準(zhǔn)的變形。船塢操作人員通過操作閥門開／閉和排水泵啟／?？刂坪驼{(diào)節(jié)壓載水艙的壓載水量，調(diào)整浮船塢的狀態(tài)，進(jìn)行船塢的沉、浮作業(yè)，因此閥門遙控系統(tǒng)屬于浮船塢壓載系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其遠(yuǎn)距離集中控制技術(shù)體現(xiàn)了整個浮船塢的自動化水平。

電液式閥門驅(qū)動是近年開發(fā)的一種新型的閥門驅(qū)動形式，每個電液式驅(qū)動裝置配置1臺小型液壓動力泵站提供液壓動力驅(qū)動閥門的開／關(guān)動作，閥門控制箱至閥門驅(qū)動裝置僅鋪設(shè)電纜就可實現(xiàn)安裝，無需額外鋪設(shè)管路。電液式閥門驅(qū)動裝置可適用于干式安裝，也可適用于浸液式安裝，輸出力矩大，發(fā)生故障時，可用便攜式手搖泵站進(jìn)行應(yīng)急操作閥門開／關(guān)；當(dāng)開／關(guān)閥門過載時，內(nèi)部保護(hù)電路可自動切斷電機電源。因此，電液式閥門驅(qū)動裝置結(jié)合了傳統(tǒng)的電驅(qū)動式閥門驅(qū)動裝置和液壓式閥門驅(qū)動裝置的優(yōu)點，可靠性更高。

1 系統(tǒng)概述

2011年國內(nèi)某船廠建造了1艘舉力30 000 t的大型浮船塢，該船塢有24個壓載艙，壓載系統(tǒng)配置12臺壓載泵，72個遙控蝶閥，其中48個開關(guān)閥，24個開度閥，最大的閥門通徑可達(dá)800 mm。針對該大型浮船塢的閥門大、遙控閥門多等特點，設(shè)計了電液式閥門遙控系統(tǒng)。

1.在中控室的中控臺可對72個蝶閥進(jìn)行遙控操作。

2.實時顯示各個閥門的開關(guān)狀態(tài)及閥位開度（開度閥）。

3.在系統(tǒng)通信故障或閥門失控時，有相應(yīng)的提示和報警。

2 系統(tǒng)組成及其功能

電液式閥門遙控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站、閥門管系模擬板（MI MIC板）、3個分別安置在塢艏／舯／艉部的閥門控制箱和72個電液式驅(qū)動蝶閥組成（見圖1）。

圖1 電液式閥門遙控系統(tǒng)組成示意圖

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站

圖2 閥門遙控軟件界面截圖

遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站位于浮船塢中控室的中控臺上，選用了研華公司的工控機，內(nèi)部配置有研華公司的PCI－1761 I／O卡和MOXA公司的CP114串口卡，I／O卡用于輸入操作模式選擇信號和輸出報警觸點信號至報警單元，串口卡用于擴展系統(tǒng)控制節(jié)點。遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站以RS485串口通信方式分別和3個閥門控制箱通信，通信采用Modbus RT U協(xié)議，遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站作為總站主機（Master），閥門控制箱作為分站從機（Slave）。遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站閥門遙控軟件基于Windows 7操作系統(tǒng)，在Visual St udio 2010環(huán)境下采用VB（Visual Basic）語言開發(fā)，配有“壓載管系”、“系統(tǒng)狀態(tài)”和“數(shù)據(jù)操作”等操作顯示界面。遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站具有自檢、通信故障報警和閥門失控報警等功能。在“壓載管系”界面上（見圖2），操作人員可用鼠標(biāo)雙擊開關(guān)閥圖標(biāo)在彈出的提示窗口中選擇對該開關(guān)閥進(jìn)行開／關(guān)閥操作；雙擊開度閥圖標(biāo)后在彈出的提示窗口中選擇對該開度閥進(jìn)行開／關(guān)閥或停閥操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站既將操作命令發(fā)送至閥門控制箱，又接收閥門狀態(tài)信息并顯示閥門狀態(tài)：閥門正在打開時，相應(yīng)的閥門圖標(biāo)為綠色并閃爍；閥門全部打開時，相應(yīng)的閥門圖標(biāo)一直為綠色；閥門正在關(guān)閉時，相應(yīng)的閥門圖標(biāo)為紅色并閃爍；閥門全部關(guān)閉時，相應(yīng)的閥門圖標(biāo)一直為紅色；閥門開閥或關(guān)閥超時時，相應(yīng)的閥門圖標(biāo)為黃色。對于開度閥，遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站還顯示閥門開度。

2.2 閥門管系模擬板（MI MIC板）

閥門管系模擬板（MI MIC板）位于中控室內(nèi)的中控臺上（見圖3），MI MIC板與閥門控制箱接口為I／O電氣信號，將閥門遙控操作信號送至閥門控制箱的同時，接收閥門的狀態(tài)電氣信號。MI MIC板上的閥門操作旋鈕為三位自復(fù)位旋鈕。開關(guān)閥遙控為脈沖信號，通過操作旋鈕將瞬時脈沖信號送至閥門控制箱，控制閥門打開或關(guān)閉；開度閥遙控為電平信號，在操作開度閥旋鈕時，觀察閥門開度指示表，當(dāng)閥門開度達(dá)到要求時，旋鈕復(fù)位。閥門正在打開或關(guān)閉時，閥門狀態(tài)指示燈（綠色或紅色）以0.5 s的間隔閃爍；閥門打開或關(guān)閉完成時，閥門狀態(tài)指示燈（綠色或紅色）常亮；閥門打開或關(guān)閉超時時，閥門狀態(tài)指示燈（綠色或紅色）以0.25 s的間隔閃爍；此外，開度閥配有閥門開度指示表顯示閥門開度。

圖3 閥門管系模擬板

2.3 閥門控制箱

3個閥門控制箱分別位于船塢艏、舯、艉部，每個閥門控制箱分別控制船塢的16個開關(guān)閥和8個開度閥。閥門控制箱具有遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種控制功能。遠(yuǎn)程控制是指遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站或MI MIC板的控制；就地控制是指在閥門控制箱內(nèi)部操作閥門開關(guān)。閥門控制箱內(nèi)部配置有德國普萊格（Pleiger）公司的1個BI（Bus Interf ace）模塊和24個CM3（EHS Contr ol ModuleⅢ）模塊，每個CM3模塊通過自身撥碼設(shè)定對應(yīng)1個開關(guān)閥門或開度閥門驅(qū)動裝置。圖4為閥門控制箱的接線示意圖。

2.3.1 BI模塊

它是內(nèi)部集成Modbus總線通信功能的CPU模塊，其主要功能是：

（1）作為分站，對外與主站建立通信聯(lián)接，接收其發(fā)送的控制命令；

（2）對內(nèi)通過總線與24個CM3模塊連接，采集CM3的輸入輸出狀態(tài)，在工作站控制模式下控制CM3模塊的輸出開、關(guān)閥門動力電源。

2.3.2 CM3模塊

它是控制模塊，其主要功能是：

（1）接收閥門管系模擬板的控制信號或接收BI模塊的控制命令，輸出動力電源；

（2）接收閥門驅(qū)動裝置的反饋信號，并將閥門狀態(tài)信息傳送到BI模塊和輸出至MI MIC板。

2.4 電液式閥門驅(qū)動蝶閥

電液式閥門驅(qū)動蝶閥分為液壓部分和電氣部分。液壓部分包括液壓泵、油缸、單向閥、溢流閥、蝶閥閥體等；電氣部分包括電機、接近開關(guān)、電位器等。電液式驅(qū)動裝置將電機、泵、油箱集成于一體，采用自帶的微型動力單元提供高壓液壓油，實現(xiàn)機、電、液一體化的控制功能。圖5為電液式驅(qū)動裝置內(nèi)部液壓原理圖。

1）開閥時，來自閥門控制箱CM3模塊的開閥動力電源使電機正轉(zhuǎn)，帶動液壓泵將液壓油通過單向閥R1輸送至A口，液壓油往單向閥R1輸送的同時，液壓油也輸送到單向閥R2的控制油口，推動R2的控制活塞，使R2正反向液壓油自由流動。這樣就可以使得A油口和B油口形成了油路循環(huán)，推動了油缸運動，油缸和閥門的轉(zhuǎn)軸相連，帶動閥門轉(zhuǎn)動。

2）閥門全部開啟后，接近開關(guān)起作用，將開閥到位信號反饋至CM3模塊，CM3收到開閥到位信號后停止輸出開閥動力電源，電機停轉(zhuǎn)。

3）關(guān)閥時，電機反轉(zhuǎn)，液壓泵將液壓油通過R2輸送至B口，同時液壓油輸送到R1的控制油口，推動R1的控制活塞，使R1正反向液壓油自由流動，形成油路循環(huán)，實現(xiàn)關(guān)閥動作。

圖4 閥門控制箱接線示意圖

4）閥門全部關(guān)閉后，接近開關(guān)起作用，將關(guān)閥到位信號反饋至CM3模塊，CM3模塊停止輸出關(guān)閥動力電源，電機停轉(zhuǎn)。

若是開度閥門，通過驅(qū)動裝置內(nèi)部的電位器轉(zhuǎn)換成的4～20 mA閥門開度電流信號反饋至CM3模塊和MI MIC板。驅(qū)動裝置具有相應(yīng)的安全措施：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，在止回閥R1、止回閥R2的作用下，可阻止液壓油回流，確保閥位安全；當(dāng)油路由于溫差等原因造成壓力過大時，溢流閥S1、溢流閥S2動作；當(dāng)電機輸出扭矩過大時，溢流閥S3、溢流閥S4動作，從而保證了液壓系統(tǒng)的安全。E1和E2為應(yīng)急操作接口，在系統(tǒng)失電等故障情況下，可接入便攜式應(yīng)急手搖泵進(jìn)行開閥或關(guān)閥操作。

圖5 電液式驅(qū)動裝置內(nèi)部液壓原理圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

在船塢進(jìn)行沉浮作業(yè)時，船塢的操作人員在中控室內(nèi)對閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，遠(yuǎn)程遙控有通過操作MI MIC板實現(xiàn)和通過操作遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站實現(xiàn)兩種模式。操作人員可根據(jù)需要通過模式切換旋鈕選擇使用。選擇MI MIC板模式時，操作人員在系統(tǒng)上電后在MI MIC板上操作旋鈕來進(jìn)行開閥或關(guān)閥；選擇遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站模式時，操作人員在工作站通過鼠標(biāo)點擊閥門圖標(biāo)來操作閥門（見圖6）。船塢下沉?xí)r，操作人員只通過調(diào)節(jié)壓載艙閥門的開度調(diào)節(jié)艙內(nèi)進(jìn)水量，從而控制船塢狀態(tài)和下沉速度；船塢上浮時，操作人員起動壓載泵，通過調(diào)節(jié)壓載艙閥門的開度調(diào)節(jié)每個艙的排水量，從而控制船塢狀態(tài)和上浮速度。操作人員在MI MIC板上通過閥門狀態(tài)指示燈和開度表指示監(jiān)測每個閥門的當(dāng)前狀態(tài)，也可在遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站監(jiān)測閥門的狀態(tài)，兩者顯示的閥門狀態(tài)是一致的。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站工作流程示意圖

4 結(jié) 語

電液式閥門遙控系統(tǒng)的成本較傳統(tǒng)的閥門遙控系統(tǒng)高，但日常維護(hù)和保養(yǎng)的工作量少，并且可有效的同時開關(guān)多個大型閥門。系統(tǒng)交付用戶使用后工作穩(wěn)定，在浮船塢的沉浮過程中能及時遙控開、關(guān)閥門，并實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測顯示閥門的開／關(guān)狀態(tài)。該系統(tǒng)使用效果良好，在今后大型浮船塢的設(shè)計制造中，電液式閥門遙控系統(tǒng)必將被越來越多的用戶所采用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 王京齊，張緯康.船舶維修的海上浮動平臺——浮船塢簡介［J］.中國修船，2004（5）：28－30.

［2］ 王煥菊.液壓與氣壓傳動［M］.河南：科學(xué)技術(shù)出版社，2007.