淺談船舶電氣自動化實驗臺的功能與優化設計

孔德璐，李寶，顧敦良，劉新莉，莊常青

（日照航海工程職業學院，山東 日照 276800）

船舶各設備的水位調節系統是船舶自動控制的一個重要系統，在船舶領域涉及的此類自動化試驗臺較少，功能單一，而且實驗臺都是處于靜態。船舶在海上航行時，隨時有傾斜角度的發生。針對現有技術的不足，本實驗臺具備便于調節高度且方便移動等優點，解決了一般實驗臺并不便于調節高度且體積較大不易搬運的問題。

1 船舶電氣自動化實驗臺

1.1 船舶電氣自動化實驗臺的介紹

本實驗臺以氣動和數字PID為主體，以壓力傳感器、電動差壓變送器、電氣轉換器、數顯壓力開關等元器件為輔助單元搭建的船舶電氣自動化多功能實驗臺，通過香蕉插頭連接各個電氣模塊，以及采用6mm氣管、配合速接頭連接各個氣動元部件，構成水位自動調節的演示實驗平臺。

1.2 主要功能的演示內容

（1）數字式PID功能實驗。采用數字式PID智能液位顯示控制儀，通過其接收本實驗臺的壓力變送器發出的電流信號，然后，經過PID調整后，將輸出的標準電流信號4～20mA發送給電氣轉換器，電氣轉換器將電流信號轉換成為標準氣壓信號0.02～0.1MPa發送給氣動調節閥，氣壓信號來控制氣動調節閥的開度，從而控制流入容器水流量的大小，達到給定的水位。

（2）數顯壓力開關檢測實驗。選用了含有三極管智能數顯壓力開關，通過對數顯壓力開關的設置，通過調節減壓閥，從而控制氣壓大小，當氣壓值達到設定值時，數顯壓力開關的數值顏色會變化，繼而輸出三極管PNP型開關信號，也可以控制氣壓信號來輸出4～20mA電流信號，可用智能數顯毫安儀表觀察電流的數值。

（3）PID氣動調節實驗。通過安裝在管路中的擴散硅壓力變送器發出的電流信號4～20mA經過電氣轉換器轉換成標準的氣壓信號0.02～0.1MPa，將氣壓信號接入氣動PID指示儀表的氣壓檢測端，作為檢測反饋信號。將氣源通入氣動PID指示儀表，設定氣動PID指示儀表的給定值，氣壓反饋信號到氣動PID指示儀表，通過PID整定后，輸出0.02～0.1MPa的標準電壓信號給氣動調節閥，從而達到控制水量的目的，讓整個系統達到一個穩態效果。

2 本實驗臺的優化設計

2.1 本實驗臺的結構設計

圖1 中：1.實驗臺；2.推桿；3.把手；4.放殘管；5.萬向輪；6.剎車踏板；7.水箱底座；8.儲水箱；9.進水管；10.抽水管；11.連接塊；12.水泵；13.出水管；14.控制箱；15.實驗箱；16.排水管；17.第一套桿；18.第二套桿；19.液壓缸；20.液壓桿；21.滑塊；22.滑槽；23.放殘閥；24.流量調節閥；25.控制閥。

圖1 船舶電氣自動化實驗臺的簡化結構圖

第二套桿18的一端固定連接有萬向輪5，萬向輪5的一側固定連接有剎車踏板6，再通過推桿2、把手3、萬向輪5和剎車踏板6的相互配合使用，移動和固定都方便。第二套桿18的一側固定連接有液壓缸19，萬向輪5的數量為四個，且每兩個萬向輪5為一組，且兩組萬向輪5以實驗臺1的中垂線為對稱軸對稱設置，且兩組萬向輪5分別設置在四個第二套桿18的底部，第一套桿17的數量與第二套桿18的數量均為四個，且每個第一套桿17與每一個第二套桿18通過滑塊21與滑槽22活動連接，液壓缸19的輸出端固定連接有液壓桿20，液壓缸19的數量為四個，液壓桿20的外壁固定連接有連接塊11，它的頂部與實驗臺1的底部固定連接，再通過實驗臺1、儲水箱8、抽水管10、水泵12、出水管13、控制箱14和控制閥25的相互配合使用，達到了該船舶電氣自動化多功能實驗臺便于直接觀察電源實際電壓，水泵12的運行電流，直觀判斷水泵12運轉情況的目的，且便于水資源的循環利用。抽水管10的一端分別貫穿實驗臺1的頂部和儲水箱8的頂部并延伸至儲水箱8的內部，且抽水管10與儲水箱8的連接處設置有橡膠密封圈，它是由一個或幾個零件組成的環形罩，環形罩的材質為橡膠，固定在軸承的一個套圈或墊圈上并與另一套圈或墊圈接觸或形成窄的迷宮間隙，防止液體漏出及外物侵入。圖中實驗箱15為儲水箱，是完全透明的，利于學生觀察對其水位變化情況。

通過上述設計，該船舶電氣自動化多功能實驗臺，通過推桿、把手、萬向輪和剎車踏板的相互配合使用，達到了該船舶電氣自動化多功能實驗臺便于移動和固定的目的，使該船舶電氣自動化多功能實驗臺移動和固定效果更好，能夠隨意調節高度，使用方便，實現本實驗臺的多種實驗功能。

2.2 船舶電氣自動化實驗臺高度調節具體設計

如上文所述，傳統一些實驗臺沒有調節高度這個特點，為適合不同高度的人使用，且能模擬船舶傾斜引起的水位變化，達到動態調節過程。如圖2為實驗臺部分結構示意圖。

圖2

如圖2所示，在實驗臺底部固定連接配有第一套桿17，第一套桿的一側開設有滑槽22。滑槽的內壁活動連接配有滑塊21，滑塊的一側固定連接有第二套桿18。第二套桿的一側固定連接有液壓缸19，液壓缸的輸出端固定連接有液壓桿20，液壓桿的外壁固定連接有連接塊11，連接塊的頂部與實驗臺的底部固定連接。液壓缸與第二套桿的連接處設置有定位圈，且定位圈為硅膠定位圈，硅膠是一種橡膠材料，硅膠定位圈在裝置中起到減震和固定位置的作用。

通過上述設計，通過實驗臺、連接塊、第一套桿、第二套桿、液壓缸、液壓桿、滑塊和滑槽的相互配合使用，達到了該船舶電氣自動化多功能實驗臺便于調節高度的目的。

3 結語

本實驗臺，經過優化與設計，增加調節高度裝置，模擬船舶的傾斜引起水位的變化，以PID為主體實現多種實驗功能，對于航海類院校輪機工程技術專業實踐教學有很好的促進作用，可全方位融合教、學、做為一體化的教學平臺。基于現代技術的高速發展，PID與智能控制相結合是智能控制技術發展的趨勢所在，在控制過程中實現控制效果的更有效、更優越、更迅速。因此，本實驗臺后續會搭建傳統PID控制和智能控制，以達到現代智能控制，進而確保該實驗臺優勢功能在實際教學應用中得到充分發揮。