一种水关节测试装置控制系统

范 越

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101）

0 引言

综合汇流环是一种典型的光、电、液一体化机电设备，广泛应用于雷达及其他电子装备。随着雷达由传统体制向相控阵体制的转变和雷达集成化程度的提高，对汇流环也提出了更多、更高的要求。近些年来，使用光纤环、水关节的需求也越来越多。实践证明，综合汇流环作为雷达的关键部件在信号和流体传输方面发挥着越来越重要的作用。因此，对于综合型汇流环的研究十分急迫，特别是小型化、轻量化、集成化和多功能化等发展方向，以满足雷达不断发展的需求[1－3]。

水关节在雷达系统中，主要作用为将固定部分冷源提供的流体传输到阵面转动部分，用于对功率器件进行散热、冷却。随着雷达技术的发展和功率器件的高度集成化，电子设备的冷却和散热成为设计师面临的首要问题。水关节成为冷却系统的关键部件，在寿命期限内必须保证可靠工作，如不能正常工作，将有可能给设备带来严重的后果或无法挽回的损失。雷达工作时需要通过水关节进行流体传输，并且能够在较长寿命期限内和振动、冲击等恶劣环境条件下可靠、稳定工作，性能指标满足要求，保证雷达整机正常工作。

本文设计了一个水关节测试装置控制系统，通过驱动器带动电机，控制水关节旋转，通过PLC实时检测和保护系统，其体积小、功能强、可靠性高，完全满足了水关节的测试要求。

1 水关节测试装置控制系统

水关节测试装置控制系统是水关节测试的重要部分。其主要功能是通过驱动器控制水关节旋转，通过PLC实时采集水路中的温度、压力、流量等信号，并保护系统自动停启，实现测试水关节各项性能和指标的目的[4－8]。

现有国内水关节测试装置大都为手动控制，需要测试人员一直观察操控，效率不高而且浪费人力资源，测试时若离开人则不能保证系统的可靠性和安全性。本文所设计的水关节测试装置控制系统，利用可编程控制器PLC实现对整个系统状态的自动检测和保护。

2 水关节测试装置控制系统原理

水关节测试装置控制系统原理如图1所示，主要由PLC控制箱、水泵箱和驱动器组成。

图1 水关节测试装置控制系统原理

PLC控制箱为测试系统的核心，负责控制风机和水泵的停启、驱动器的供断电以及对传感器的信号进行采集监控。PLC控制箱中220 V交流电经过空开接入到开关电源转换为24 V和48 V的直流电，其中24 V给显示屏、PLC、固态继电器、传感器和驱动器控制使用，48 V给风机使用。3个开关接入到PLC中，然后PLC通过输出触点接到2个固态继电器盒，1个交流接触器分别控制水泵和2个风机的停启。PLC控制交流接触器输出380 V给驱动器动力电。控制水泵和驱动器的380 V接触器后都接有1个热继电器提供过载保护的功能。液位传感器输出数字信号直接进入到PLC中使用，温度、流量和压力传感器信号通过2个4AD模块转换为数字量后输入到PLC中使用。所有传感器的数据、报警信息、水泵和驱动器的运行状态都通过触摸屏显示出来，同时也可以通过触摸屏控制水泵和风机的停启。

水泵箱主要作用是为水关节供液并通过换热器和风机将冷却液降温，同时通过7路传感器监测冷却液的液位、温度、流量和压力。

驱动器主要作用是控制电机带动水关节按一定的速度旋转，在旋转轴上安装有1块磁铁，机架上安装有计数器，根据霍尔效应[9－10]，旋转轴每转1圈计数器数值加1来计算水关节旋转的圈数，从而达到测试水关节使用寿命的目的。

3 水关节测试装置控制系统实现

PLC选用三菱的FX3GA－24MR可编程控制器，拥大容量存储器，超过30 000点的数据寄存器，信号处理速度达到60 kHz，输入点14个，输出点10个，具备丰富的扩展能力，满足温度控制和模拟量输入、输出功能需求，配合4AD模块FX3U－4AD采集传感器的模拟量。显示屏选用威纶通的4.3寸TFT LCD触摸屏TK6051IP，显示色彩1 600万像素显示色彩真实，内置电源隔离保护，有效抑制电源突波保护，高效能，内置128 MB内存，采用USB编程接口设计通用性好，使用寿命长。固态继电器采用和泉的RJ2S－CL－D24，交流接触器采用三菱的S－T25，热继电器采用三菱的TH－T25KP。380 V和220 V空开分别选用施耐德的LS8F08350G和LS8F18210G。水泵和风机开关选用西门子LW39－10旋转开关。接插件选用中航光电的XC158系列电连接器，可在浸水、潮湿等恶劣环境下使用。电源选用定制的220 V交流转48 V和24 V直流开关电源，功率500 W。驱动器和电机采用定制的数字化永磁同步交流伺服系统，功率达到10 kW，可满足各种不同型号的水关节旋转需求。

PLC控制箱接线如图2所示。

图2 PLC控制箱接线

交流供电380 V和220 V分别经过接插件XS1和XS2接入控制箱，380 V经过空开K1控制后再经过接触器KM1和热继电器RJ1输出给水泵箱的水泵供电穿墙插座XS3，同时经过接触器KM2和热继电器RJ2输出给外部的驱动器动力电接插件XS5。220 V经过空开K2控制后再经过保险丝FU给直流开关电源SC和PLC上的220 V公共端供电。开关电源产生的48 V直流电经过继电器M1和M2输出给水泵箱的2个风机的供电穿墙插座XS3。开关电源产生的24 V直流电正负极分别接到2个接线排XJ1和XJ2上，然后再分别输出给显示屏TK、PLC、固态继电器M1和M2、水泵箱的传感器信号穿墙插座XS4和外部的驱动器控制电插座XS6。水泵开关S1，2个风机开关S2、S3，接触器KM1上的水泵上电反馈信号，接触器KM2上的驱动器上电反馈信号都接到PLC的输入接口，PLC的控制输出接口分别控制水泵的热继电器RJ1和KM1的220 V线圈通断、驱动器的热继电器RJ2和KM2的220 V线圈通断、风机1和风机2的固态继电器M1和M2的24 V线圈通断。

水泵箱及驱动器接线如图3所示。供电穿墙插座接入插头XP3，其中水泵的380 V供电直接接到水泵上，风机的48 V供电直接接到风机FAN1和FAN2。传感器24 V供电和信号穿墙插座接入插头XP4，分别接到1个液位传感器LV、1个温度传感器TP、1个流量传感器FL和4个压力传感器PR1～PR4。驱动器动力供电经插头XP5和XP7接到驱动器380 V供电插座上，驱动器控制供电经插头XP6和XP7接到驱动器24 V供电插座上。

图3 水泵箱及驱动器接线

驱动器和电机之间通过专用电缆连接，电机的启停和转速通过驱动器上的开关和旋钮操控，电机状态和转速由驱动器面板上的数码管显示出来。

4 水关节测试装置控制工作方式

本电气控制系统的工作方式为开机后自动运行。水关节测试装置控制系统结构面板如图4所示。当系统通过2路空开分别加上220 V和380 V的电后，可以通过3个开关分别启动水泵和风机，水关节中有冷却液流通后通过驱动器面板开关启动电机，带动水关节旋转。

图4 水关节测试装置控制系统结构面板

水泵箱中有7个传感器分别对1路液位、1路温度、1路流量、4路水压进行检测，温度、流量和水压信号通过2个4AD模块将模拟量转换成相应的数字量后通过触摸屏显示出来，如果超出正常范围则报警，液位信息也通过触摸屏上的报警控件显示。当冷却液的温度大于50℃时，PLC控制1路风机工作；如果冷却液温度继续升温大于60℃时，则PLC控制2路风机同时工作；冷却液温度大于80℃时则系统报警；大于100℃则PLC控制交流接触器将给水泵和驱动器的380 V供电断开，使系统停止运行达到保护的目的。

水关节常温调节测试步骤如下。

（1）测试前，将水关节固定在测试转台上，将水关节、水箱、压力泵、换热器及各传感器与管路和调节阀连接好。

（2）将所有调节阀全打开，启动压力泵试运行，检查冷却液是否运行正常，管接头是否完全密封，检查压差变送器是否校零，各传感器是否显示正确；打开换热器风扇，检查风扇是否正常运转；关闭水泵。

（3）正式启动压力泵加压，使冷却液循环起来；打开换热器风扇；调节压力泵旁通调节阀开度至流量传感器、压力传感器为所需流量和压力，此时冷却液循环正常；调节压力泵旁通调节阀进行耐压测试，保持30 min，观察压力表数值有无变化，无泄漏即为合格；测试完毕后，恢复管路内流量和压力。

（4）使能驱动器控制电机带动水关节旋转，调速至指定转速，观察并记录压差变送器读数，确认水关节转动无异常现象、无泄漏即为合格。

（5）保持步骤（4）状态，水关节连续运行24 h，检查有无泄漏。

5 结束语

水关节为雷达整机关重件，要求在较长寿命期限内和振动、冲击等恶劣环境条件下可靠、稳定地工作。

本文所设计的水关节测试装置控制系统已经投入使用，完全符合系统工作要求，运行良好。使用后实现了水关节测试装置的自动控制，显著提高了系统的可靠性和效率，与人工测试相比更加省时、省力，对科研和生产都有重要的作用。本水关节测试装置控制系统对自研水关节进行了充分的长周期寿命试验，积累了大量实践经验和试验数据，为后续水关节的设计和批量生产奠定了很好的基础，技术水平和产品质量相对稳定、可靠，保证了水关节自研的基本条件，技术风险可控。