一種水關節測試裝置控制系統

范 越

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101）

0 引言

綜合匯流環是一種典型的光、電、液一體化機電設備，廣泛應用于雷達及其他電子裝備。隨著雷達由傳統體制向相控陣體制的轉變和雷達集成化程度的提高，對匯流環也提出了更多、更高的要求。近些年來，使用光纖環、水關節的需求也越來越多。實踐證明，綜合匯流環作為雷達的關鍵部件在信號和流體傳輸方面發揮著越來越重要的作用。因此，對于綜合型匯流環的研究十分急迫，特別是小型化、輕量化、集成化和多功能化等發展方向，以滿足雷達不斷發展的需求[1－3]。

水關節在雷達系統中，主要作用為將固定部分冷源提供的流體傳輸到陣面轉動部分，用于對功率器件進行散熱、冷卻。隨著雷達技術的發展和功率器件的高度集成化，電子設備的冷卻和散熱成為設計師面臨的首要問題。水關節成為冷卻系統的關鍵部件，在壽命期限內必須保證可靠工作，如不能正常工作，將有可能給設備帶來嚴重的后果或無法挽回的損失。雷達工作時需要通過水關節進行流體傳輸，并且能夠在較長壽命期限內和振動、沖擊等惡劣環境條件下可靠、穩定工作，性能指標滿足要求，保證雷達整機正常工作。

本文設計了一個水關節測試裝置控制系統，通過驅動器帶動電機，控制水關節旋轉，通過PLC實時檢測和保護系統，其體積小、功能強、可靠性高，完全滿足了水關節的測試要求。

1 水關節測試裝置控制系統

水關節測試裝置控制系統是水關節測試的重要部分。其主要功能是通過驅動器控制水關節旋轉，通過PLC實時采集水路中的溫度、壓力、流量等信號，并保護系統自動停啟，實現測試水關節各項性能和指標的目的[4－8]。

現有國內水關節測試裝置大都為手動控制，需要測試人員一直觀察操控，效率不高而且浪費人力資源，測試時若離開人則不能保證系統的可靠性和安全性。本文所設計的水關節測試裝置控制系統，利用可編程控制器PLC實現對整個系統狀態的自動檢測和保護。

2 水關節測試裝置控制系統原理

水關節測試裝置控制系統原理如圖1所示，主要由PLC控制箱、水泵箱和驅動器組成。

圖1 水關節測試裝置控制系統原理

PLC控制箱為測試系統的核心，負責控制風機和水泵的停啟、驅動器的供斷電以及對傳感器的信號進行采集監控。PLC控制箱中220 V交流電經過空開接入到開關電源轉換為24 V和48 V的直流電，其中24 V給顯示屏、PLC、固態繼電器、傳感器和驅動器控制使用，48 V給風機使用。3個開關接入到PLC中，然后PLC通過輸出觸點接到2個固態繼電器盒，1個交流接觸器分別控制水泵和2個風機的停啟。PLC控制交流接觸器輸出380 V給驅動器動力電?？刂扑煤万寗悠鞯?80 V接觸器后都接有1個熱繼電器提供過載保護的功能。液位傳感器輸出數字信號直接進入到PLC中使用，溫度、流量和壓力傳感器信號通過2個4AD模塊轉換為數字量后輸入到PLC中使用。所有傳感器的數據、報警信息、水泵和驅動器的運行狀態都通過觸摸屏顯示出來，同時也可以通過觸摸屏控制水泵和風機的停啟。

水泵箱主要作用是為水關節供液并通過換熱器和風機將冷卻液降溫，同時通過7路傳感器監測冷卻液的液位、溫度、流量和壓力。

驅動器主要作用是控制電機帶動水關節按一定的速度旋轉，在旋轉軸上安裝有1塊磁鐵，機架上安裝有計數器，根據霍爾效應[9－10]，旋轉軸每轉1圈計數器數值加1來計算水關節旋轉的圈數，從而達到測試水關節使用壽命的目的。

3 水關節測試裝置控制系統實現

PLC選用三菱的FX3GA－24MR可編程控制器，擁大容量存儲器，超過30 000點的數據寄存器，信號處理速度達到60 kHz，輸入點14個，輸出點10個，具備豐富的擴展能力，滿足溫度控制和模擬量輸入、輸出功能需求，配合4AD模塊FX3U－4AD采集傳感器的模擬量。顯示屏選用威綸通的4.3寸TFT LCD觸摸屏TK6051IP，顯示色彩1 600萬像素顯示色彩真實，內置電源隔離保護，有效抑制電源突波保護，高效能，內置128 MB內存，采用USB編程接口設計通用性好，使用壽命長。固態繼電器采用和泉的RJ2S－CL－D24，交流接觸器采用三菱的S－T25，熱繼電器采用三菱的TH－T25KP。380 V和220 V空開分別選用施耐德的LS8F08350G和LS8F18210G。水泵和風機開關選用西門子LW39－10旋轉開關。接插件選用中航光電的XC158系列電連接器，可在浸水、潮濕等惡劣環境下使用。電源選用定制的220 V交流轉48 V和24 V直流開關電源，功率500 W。驅動器和電機采用定制的數字化永磁同步交流伺服系統，功率達到10 kW，可滿足各種不同型號的水關節旋轉需求。

PLC控制箱接線如圖2所示。

圖2 PLC控制箱接線

交流供電380 V和220 V分別經過接插件XS1和XS2接入控制箱，380 V經過空開K1控制后再經過接觸器KM1和熱繼電器RJ1輸出給水泵箱的水泵供電穿墻插座XS3，同時經過接觸器KM2和熱繼電器RJ2輸出給外部的驅動器動力電接插件XS5。220 V經過空開K2控制后再經過保險絲FU給直流開關電源SC和PLC上的220 V公共端供電。開關電源產生的48 V直流電經過繼電器M1和M2輸出給水泵箱的2個風機的供電穿墻插座XS3。開關電源產生的24 V直流電正負極分別接到2個接線排XJ1和XJ2上，然后再分別輸出給顯示屏TK、PLC、固態繼電器M1和M2、水泵箱的傳感器信號穿墻插座XS4和外部的驅動器控制電插座XS6。水泵開關S1，2個風機開關S2、S3，接觸器KM1上的水泵上電反饋信號，接觸器KM2上的驅動器上電反饋信號都接到PLC的輸入接口，PLC的控制輸出接口分別控制水泵的熱繼電器RJ1和KM1的220 V線圈通斷、驅動器的熱繼電器RJ2和KM2的220 V線圈通斷、風機1和風機2的固態繼電器M1和M2的24 V線圈通斷。

水泵箱及驅動器接線如圖3所示。供電穿墻插座接入插頭XP3，其中水泵的380 V供電直接接到水泵上，風機的48 V供電直接接到風機FAN1和FAN2。傳感器24 V供電和信號穿墻插座接入插頭XP4，分別接到1個液位傳感器LV、1個溫度傳感器TP、1個流量傳感器FL和4個壓力傳感器PR1～PR4。驅動器動力供電經插頭XP5和XP7接到驅動器380 V供電插座上，驅動器控制供電經插頭XP6和XP7接到驅動器24 V供電插座上。

圖3 水泵箱及驅動器接線

驅動器和電機之間通過專用電纜連接，電機的啟停和轉速通過驅動器上的開關和旋鈕操控，電機狀態和轉速由驅動器面板上的數碼管顯示出來。

4 水關節測試裝置控制工作方式

本電氣控制系統的工作方式為開機后自動運行。水關節測試裝置控制系統結構面板如圖4所示。當系統通過2路空開分別加上220 V和380 V的電后，可以通過3個開關分別啟動水泵和風機，水關節中有冷卻液流通后通過驅動器面板開關啟動電機，帶動水關節旋轉。

圖4 水關節測試裝置控制系統結構面板

水泵箱中有7個傳感器分別對1路液位、1路溫度、1路流量、4路水壓進行檢測，溫度、流量和水壓信號通過2個4AD模塊將模擬量轉換成相應的數字量后通過觸摸屏顯示出來，如果超出正常范圍則報警，液位信息也通過觸摸屏上的報警控件顯示。當冷卻液的溫度大于50℃時，PLC控制1路風機工作；如果冷卻液溫度繼續升溫大于60℃時，則PLC控制2路風機同時工作；冷卻液溫度大于80℃時則系統報警；大于100℃則PLC控制交流接觸器將給水泵和驅動器的380 V供電斷開，使系統停止運行達到保護的目的。

水關節常溫調節測試步驟如下。

（1）測試前，將水關節固定在測試轉臺上，將水關節、水箱、壓力泵、換熱器及各傳感器與管路和調節閥連接好。

（2）將所有調節閥全打開，啟動壓力泵試運行，檢查冷卻液是否運行正常，管接頭是否完全密封，檢查壓差變送器是否校零，各傳感器是否顯示正確；打開換熱器風扇，檢查風扇是否正常運轉；關閉水泵。

（3）正式啟動壓力泵加壓，使冷卻液循環起來；打開換熱器風扇；調節壓力泵旁通調節閥開度至流量傳感器、壓力傳感器為所需流量和壓力，此時冷卻液循環正常；調節壓力泵旁通調節閥進行耐壓測試，保持30 min，觀察壓力表數值有無變化，無泄漏即為合格；測試完畢后，恢復管路內流量和壓力。

（4）使能驅動器控制電機帶動水關節旋轉，調速至指定轉速，觀察并記錄壓差變送器讀數，確認水關節轉動無異常現象、無泄漏即為合格。

（5）保持步驟（4）狀態，水關節連續運行24 h，檢查有無泄漏。

5 結束語

水關節為雷達整機關重件，要求在較長壽命期限內和振動、沖擊等惡劣環境條件下可靠、穩定地工作。

本文所設計的水關節測試裝置控制系統已經投入使用，完全符合系統工作要求，運行良好。使用后實現了水關節測試裝置的自動控制，顯著提高了系統的可靠性和效率，與人工測試相比更加省時、省力，對科研和生產都有重要的作用。本水關節測試裝置控制系統對自研水關節進行了充分的長周期壽命試驗，積累了大量實踐經驗和試驗數據，為后續水關節的設計和批量生產奠定了很好的基礎，技術水平和產品質量相對穩定、可靠，保證了水關節自研的基本條件，技術風險可控。