基于分布式特征的智能機艙用電液裝置

黃日剛

（海軍裝備部駐上海地區第二軍事代表室，上海 200129）

0 引言

船舶智能機艙能夠采集船上機械設備部件的實時數據，以此來監控其運行狀態并對其健康值進行計算分析，最終目的為提出操作的輔助決策和后續維修或保養機械設備的方案。與現有的自動化機艙不同的是，未來智能機艙發展的重點在于推動上述“輔助決策”系統與信息系統的高效連接，能夠符合“AUT-0”標準的要求，實現“船員更輕松、船機更健康、運行更高效”的目標[1]。

然而，能夠實現上述遠景目標的一切都建立在能夠提供具有高可靠性的智能化機械設備部件，并需要在其負責的區域范圍內，按照一定的規則建立一套統一的反饋系統，采用信息感知技術將機械設備部件的數據進行對比分析[2]。未來，機械設備部件需要具有高功率質量比、高可靠性和綠色節能等特征，本文旨在介紹能夠滿足這些要求的具有分布式特征的機艙用電液裝置，這些電液裝置除了本身的物理特征，還集成了運行狀態反饋系統，并預留了與信息系統進行交互的通信及電氣接口，這些產品對于智能機艙的基礎層構建有重要的指導作用。

1 智能機艙用電液裝置簡介

所謂的具有分布式特征的電液裝置，主要是指針對智能機艙控制的機械設備部件在船舶上的位置及功能的不同，以能夠實現智能化與終端化的典型產品：智能化動力單元、EHA電液作動器及數字式同步控制缸為例，構造一套能夠滿足多場景應用的產品體系，進行“智能機艙”的硬件基礎層構建，同時通過信息系統中的數據采集、通信與處理技術，能夠監控機械設備的運行狀態，最終能夠計算出設備部件的健康值并提出輔助決策建議，整體結構框架見圖1[3]。

圖1 智能船舶液壓系統的結構框圖

2 數據采集、通信與處理技術

2.1 CAN 總線型液壓控制系統的基本特征

使用總線型液壓控制產品的特點：嵌入微處理器、電子技術和電液裝置，使得由外部控制系統可以實現的功能在產品內部即可實現，具有以下特點：

1）執行機構數據、參數實時在線檢測與反饋。

2）執行機構自檢測與故障提前預警功能。

3）遠程自診斷信息化監控技術。

4）網絡化、智能化以及集成信息化過程管理。

5）分散型控制，即插即用，實現不同節點之間及與上位機之間的雙向數據通信。

6）增強系統的可維護性。

2.2 CAN 總線型液壓控制系統的基本組成

基于CAN總線的智能船舶液壓系統，主要由主控制板、上位機監控平臺、無線通信模塊、GPS定位模塊、電液裝置、傳感器采集系統等組成。主控制板包括控制中心、電液裝置驅動模塊和CAN總線通信接口，CAN總線通信接口一端連接控制中心，另一端以總線形式連接至傳感器采集系統，傳感器采集系統包括傳感器、傳感器采集控制器和CAN總線收發器，傳感器采集控制器接收采集的壓力、流量、溫度、位置、速度和力等液壓系統或產品參數，并通過CAN總線收發器將上述參數轉為差分信號并通過CAN總線發送出去。

3 智能機艙用電液裝置典型產品

本文列出的智能化動力單元屬于高度智能化和網絡化的單元，能夠緊密結合智能機艙的液壓設備用油需求，并進行用油狀態監測及油液健康診斷[4]。

EHA電液作動器是智能化終端產品，將高性能嵌入式計算系統、多類型傳感器等融合，實時對作動器的運動控制及各種狀態參數進行檢測、存儲、運算和傳輸等，實現多種網絡鏈接的大數據預處理、預測性維護等智能化提升，是智能機艙的重要基礎器件。

數字式同步控制缸直接接受脈沖信號而可靠工作，電信號的頻率對應數字缸的速度，電信號的數量對應數字缸的行程，只需接通油源，不需任何其它液壓閥件和傳感器，所有的功能都通過電子控制器直接設定，把傳統控制中復雜的閥口控制技術徹底地改為直接給定的電子控制技術[5]。

3.1 智能化動力單元

3.1.1 產品功能特點

采用智能化動力單元為各液壓設備部件提供液壓動力油源，可以進行液壓動力油源的健康診斷，實現液壓各子系統的遠程診斷服務、用戶主動維護提示、預測性維護提示等能力，與智能化輔機設備中整機深度融合，協同為用戶提供整機級別的服務能力，智能化動力單元有以下特點：

1）能夠實時監測液壓系統液位、油溫、壓力以及變頻器等狀態數據的變化。

2）設備配置在線顆粒度檢測儀，可對磨損趨勢、油液含水情況進行定時檢測，評估液壓系統這兩項關鍵指標的變化趨勢，識別液壓系統亞健康狀況，為健康指數評估提供可靠依據。

3）開放的接口包括常規的fieldbuses，以及Ethernet協議等，可輸出各類液壓系統有關的運行、狀態時域數據。

4）采用變頻技術，可大幅度提高能源效率，根據執行器需求調整輸出壓力和流量，實現綠色節能運行。

5）封閉式結構，有效地減小環境噪音和結構振動。

6）采用陣列技術，可實現大流量需求時的靈活組配使用，提升艙室空間利用率。

3.1.2 產品基本原理

智能化動力單元基本原理見圖2。

圖2 智能化動力單元基本原理

油浸式電機泵組工作中產生的熱量傳遞給液壓油，液壓油通過循環將熱量傳遞給熱管，熱管與液壓油進行熱交換，將熱量最終傳遞給油箱中冷板的內循環冷卻水，油箱中冷板上設有循環冷卻水進出口，冷水進入后和熱管傳上來的熱能進行換熱，冷水變為熱水從出口將熱量帶走。

此外，通過變頻電機來調節輸出油液的流量，通過變頻器工作調節液壓系統壓力，出口溢流閥提供安全壓力保護，電磁閥的開啟或關閉來決定該動力單元的輸出P口以及回油T口的工作狀態，通過設置的壓力傳感器及流量傳感器來采集P口的輸出壓力及流量數據，以及T口的壓力數據，來進行智能化閉環控制，這樣能夠保證該動力單元的輸出壓力及流量能與需求實時匹配，降低系統能耗和發熱量。

3.1.3 產品組成及結構

智能化動力單元組成及結構見圖3。

圖3 智能化動力單元組成及結構

該智能化動力單元，按照安裝部位分為油箱上部、油箱中冷板、油箱下部，在油箱上部裝有控制閥組、液位傳感器、溫度傳感器、空濾器、電源模塊及電控箱，油箱中冷板上裝有熱管、冷卻水管接頭，油箱下部裝有油浸式電機泵組、液位計。

3.2 EHA 電液作動器

3.2.1 產品功能特點

對于在船舶上處于遠端的執行機構，鑒于它們頻率要求不高及維護不便等特點，需要配置具有高可靠性的終端化液壓系統級產品，所謂液壓系統級產品，即為將泵、閥、油缸或馬達、電控設備等進行高度集成的一體化產品，產品配置位置、速度或力傳感器，可以實時反饋機構的運動狀態，并預留接口用于傳輸反饋數據至CAN總線系統。EHA電液作動器在額定電源下，僅需要給定控制電信號，就可以按給定要求進行直線往復運動（速度、位置及出力均可控），有以下特點：

1）容積調速，高效節能。

2）無泄漏，抗污染，便于維護。

3）μ級精度位置控制，恒定出力控制。

4）抗沖擊能力強，具有超載保護功能。

3.2.2 產品基本原理

EHA電液作動器的基本原理見圖4。

圖4 EHA 電液作動器的基本原理

圖4為一典型功能的單出桿對稱缸，伸出縮回是通過電機正反轉實現的，伸出及縮回至最大處的壓力由2個溢流閥設定；在油缸2個控制口處設2個液控單向閥，實現保壓功能；它有專用的伺服驅動器，用戶只要提供電源及控制信號就可操作油缸動作。

3.2.3 產品組成及結構

EHA電液作動器結構見圖5。

EHA電液作動器主要包括以下部分：伺服電機組件（含伺服電機、伺服驅動器）、雙向液壓泵、充液油箱、控制閥組（含溢流閥、液控單向閥、壓力傳感器等）、油缸（可含位置傳感器）。

3.3 數字式同步控制缸

3.3.1 產品功能特點

數字式同步控制缸是另一種集成式終端產品，一般適用于船舶上有同步要求、進行位置高精度控制的場合，如飛機起飛/降落升降設施等。數字缸集成了控制器，接收到的總線信號通過控制器轉變成脈沖信號，來驅動步進或伺服電機，在油缸內外部可安裝位置、速度傳感器，以此實現電閉環，同時可以接入信息系統，實時監控數字缸的運行狀態。主要特點：

1）油缸數字化控制，對負載不敏感，可精準控制油缸位移，同步精度可達0.02 mm。

2）與原有采用比例閥/伺服閥/比例泵/伺服泵的方式相比，該數字式同步控制缸的閥口壓降小，具有節能和減少發熱的作用。

3）加工部件難度大大降低，提升系統可靠性。

3.3.2 產品基本原理

數字式同步控制缸原理圖見圖6。

圖6 數字式同步控制缸原理圖

液壓數字缸是由數字信號控制的機械反饋的液壓油缸；采用帶閉環控制的伺服電機作為信號輸出裝置，驅動裝置發出的脈沖數量及脈沖速度決定了油缸的位移和速度；油缸不帶電反饋只有機械反饋。即數字液壓油缸是外部開環控制，即可實現高精度控制位置及速度的液壓油缸。

3.3.3 產品組成及結構

數字式同步控制缸的基本組成見圖7。

如圖7所示，n個數字式同步控制缸由一套集中油源統一進行供油，在油源流量及壓力能夠滿足使用要求的情況下，流量由n個分布式數字缸根據同步需求自適應分配，通過對n個伺服電機的控制，最終實現指定要求的組合動作。

圖7 數字式同步控制缸的基本組成

數字液壓缸由控制單元（由驅動器、電機和液壓轉閥（含閥套）組成）、機械反饋單元（由聯軸器、中間軸和滾珠絲杠組件組成）、執行單元（油缸）等組成，見圖8。

圖8 數字式同步控制缸的結構

具體工作過程為：驅動器按要求給電機發出按一定脈沖速度和一定數量的脈沖，電機按要求的速度驅動轉閥的閥芯轉過要求的角度，轉閥閥口打開，控制油缸前進或后退，油缸活塞運動推動絲杠螺母前進或后退，螺母的運動驅動絲桿正轉或反轉，絲桿的轉動通過中間軸驅動轉閥的閥套按電機的相同方向運動，保持和電機相同的速度運行，電機停止，油缸運行使轉閥的閥口關閉，油缸停止運行。

4 結論

本文按照智能機艙基礎層硬件設備部件的要求，在滿足整體系統構建的基礎上，提出了3種具有分布式特征的電液裝置：智能化動力單元、EHA電液作動器、數字式同步控制缸，并分別介紹了這3種產品的功能特點、基本原理及組成結構。未來，液壓技術將進一步與微電子、計算機技術相結合，使電液裝置進入“機械電子一體化、模塊化、智能化和網絡化”的發展新階段，將涌現出更多可供智能機艙用的機械設備部件，真正實現“無人機艙”。