浅谈船舶电气自动化实验台的功能与优化设计

孔德璐，李宝，顾敦良，刘新莉，庄常青

（日照航海工程职业学院，山东 日照 276800）

船舶各设备的水位调节系统是船舶自动控制的一个重要系统，在船舶领域涉及的此类自动化试验台较少，功能单一，而且实验台都是处于静态。船舶在海上航行时，随时有倾斜角度的发生。针对现有技术的不足，本实验台具备便于调节高度且方便移动等优点，解决了一般实验台并不便于调节高度且体积较大不易搬运的问题。

1 船舶电气自动化实验台

1.1 船舶电气自动化实验台的介绍

本实验台以气动和数字PID为主体，以压力传感器、电动差压变送器、电气转换器、数显压力开关等元器件为辅助单元搭建的船舶电气自动化多功能实验台，通过香蕉插头连接各个电气模块，以及采用6mm气管、配合速接头连接各个气动元部件，构成水位自动调节的演示实验平台。

1.2 主要功能的演示内容

（1）数字式PID功能实验。采用数字式PID智能液位显示控制仪，通过其接收本实验台的压力变送器发出的电流信号，然后，经过PID调整后，将输出的标准电流信号4～20mA发送给电气转换器，电气转换器将电流信号转换成为标准气压信号0.02～0.1MPa发送给气动调节阀，气压信号来控制气动调节阀的开度，从而控制流入容器水流量的大小，达到给定的水位。

（2）数显压力开关检测实验。选用了含有三极管智能数显压力开关，通过对数显压力开关的设置，通过调节减压阀，从而控制气压大小，当气压值达到设定值时，数显压力开关的数值颜色会变化，继而输出三极管PNP型开关信号，也可以控制气压信号来输出4～20mA电流信号，可用智能数显毫安仪表观察电流的数值。

（3）PID气动调节实验。通过安装在管路中的扩散硅压力变送器发出的电流信号4～20mA经过电气转换器转换成标准的气压信号0.02～0.1MPa，将气压信号接入气动PID指示仪表的气压检测端，作为检测反馈信号。将气源通入气动PID指示仪表，设定气动PID指示仪表的给定值，气压反馈信号到气动PID指示仪表，通过PID整定后，输出0.02～0.1MPa的标准电压信号给气动调节阀，从而达到控制水量的目的，让整个系统达到一个稳态效果。

2 本实验台的优化设计

2.1 本实验台的结构设计

图1 中：1.实验台；2.推杆；3.把手；4.放残管；5.万向轮；6.刹车踏板；7.水箱底座；8.储水箱；9.进水管；10.抽水管；11.连接块；12.水泵；13.出水管；14.控制箱；15.实验箱；16.排水管；17.第一套杆；18.第二套杆；19.液压缸；20.液压杆；21.滑块；22.滑槽；23.放残阀；24.流量调节阀；25.控制阀。

图1 船舶电气自动化实验台的简化结构图

第二套杆18的一端固定连接有万向轮5，万向轮5的一侧固定连接有刹车踏板6，再通过推杆2、把手3、万向轮5和刹车踏板6的相互配合使用，移动和固定都方便。第二套杆18的一侧固定连接有液压缸19，万向轮5的数量为四个，且每两个万向轮5为一组，且两组万向轮5以实验台1的中垂线为对称轴对称设置，且两组万向轮5分别设置在四个第二套杆18的底部，第一套杆17的数量与第二套杆18的数量均为四个，且每个第一套杆17与每一个第二套杆18通过滑块21与滑槽22活动连接，液压缸19的输出端固定连接有液压杆20，液压缸19的数量为四个，液压杆20的外壁固定连接有连接块11，它的顶部与实验台1的底部固定连接，再通过实验台1、储水箱8、抽水管10、水泵12、出水管13、控制箱14和控制阀25的相互配合使用，达到了该船舶电气自动化多功能实验台便于直接观察电源实际电压，水泵12的运行电流，直观判断水泵12运转情况的目的，且便于水资源的循环利用。抽水管10的一端分别贯穿实验台1的顶部和储水箱8的顶部并延伸至储水箱8的内部，且抽水管10与储水箱8的连接处设置有橡胶密封圈，它是由一个或几个零件组成的环形罩，环形罩的材质为橡胶，固定在轴承的一个套圈或垫圈上并与另一套圈或垫圈接触或形成窄的迷宫间隙，防止液体漏出及外物侵入。图中实验箱15为储水箱，是完全透明的，利于学生观察对其水位变化情况。

通过上述设计，该船舶电气自动化多功能实验台，通过推杆、把手、万向轮和刹车踏板的相互配合使用，达到了该船舶电气自动化多功能实验台便于移动和固定的目的，使该船舶电气自动化多功能实验台移动和固定效果更好，能够随意调节高度，使用方便，实现本实验台的多种实验功能。

2.2 船舶电气自动化实验台高度调节具体设计

如上文所述，传统一些实验台没有调节高度这个特点，为适合不同高度的人使用，且能模拟船舶倾斜引起的水位变化，达到动态调节过程。如图2为实验台部分结构示意图。

图2

如图2所示，在实验台底部固定连接配有第一套杆17，第一套杆的一侧开设有滑槽22。滑槽的内壁活动连接配有滑块21，滑块的一侧固定连接有第二套杆18。第二套杆的一侧固定连接有液压缸19，液压缸的输出端固定连接有液压杆20，液压杆的外壁固定连接有连接块11，连接块的顶部与实验台的底部固定连接。液压缸与第二套杆的连接处设置有定位圈，且定位圈为硅胶定位圈，硅胶是一种橡胶材料，硅胶定位圈在装置中起到减震和固定位置的作用。

通过上述设计，通过实验台、连接块、第一套杆、第二套杆、液压缸、液压杆、滑块和滑槽的相互配合使用，达到了该船舶电气自动化多功能实验台便于调节高度的目的。

3 结语

本实验台，经过优化与设计，增加调节高度装置，模拟船舶的倾斜引起水位的变化，以PID为主体实现多种实验功能，对于航海类院校轮机工程技术专业实践教学有很好的促进作用，可全方位融合教、学、做为一体化的教学平台。基于现代技术的高速发展，PID与智能控制相结合是智能控制技术发展的趋势所在，在控制过程中实现控制效果的更有效、更优越、更迅速。因此，本实验台后续会搭建传统PID控制和智能控制，以达到现代智能控制，进而确保该实验台优势功能在实际教学应用中得到充分发挥。