車載雷達(dá)機(jī)電控制系統(tǒng)安全性設(shè)計

張 偉，盧 銘

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

作為雷達(dá)設(shè)備“六性”設(shè)計之一，安全性設(shè)計貫穿設(shè)備的設(shè)計、加工、調(diào)試、試驗(yàn)、使用、維修等整個裝備生命過程，其重要性不言而喻。人員的人身安全、設(shè)備的可靠工作對于整部雷達(dá)正常工作至關(guān)重要。相對于岸基固定式雷達(dá)，車載雷達(dá)的機(jī)電控制系統(tǒng)多而復(fù)雜，具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)多、驅(qū)動電機(jī)多、傳感器多和控制系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，且各機(jī)電控制子系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)，安全性設(shè)計要求較高。為保證人身安全和設(shè)備安全，機(jī)電控制系統(tǒng)在方案設(shè)計之初便要進(jìn)行安全性設(shè)計，統(tǒng)籌考慮，辨別其中存在的安全隱患，并針對性地提出解決措施。本文以某型岸基車載雷達(dá)為例，系統(tǒng)地介紹了該型車載雷達(dá)機(jī)電控制系統(tǒng)在安全性方面所進(jìn)行的設(shè)計。

1 系統(tǒng)概述

某型岸基車載雷達(dá)機(jī)電控制系統(tǒng)包括方位控制系統(tǒng)、饋源控制系統(tǒng)、天線展收控制系統(tǒng)和載車調(diào)平控制系統(tǒng)。

方位控制系統(tǒng)主要由伺服機(jī)柜、方位電機(jī)、方位轉(zhuǎn)臺、自整角機(jī)、方位鎖銷等組成，用于控制方位轉(zhuǎn)臺按照操控指令進(jìn)行方位環(huán)掃、扇掃、定位、停車首等動作。

饋源控制系統(tǒng)主要由伺服機(jī)柜、饋源轉(zhuǎn)臺、饋源電機(jī)以及接近開關(guān)等組成，用于控制饋源轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)、定位，使得饋源轉(zhuǎn)臺上3個頻段的喇叭分時對準(zhǔn)天線面陣。

圖1 天線、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

天線展收控制系統(tǒng)由天線展收控制主站、天線展收控制分站、變頻器、左邊塊傳動裝置(含電機(jī)）、右邊塊傳動裝置(含電機(jī)）、主塊傳動裝置(含電機(jī)）、限位開關(guān)等組成，用于控制天線的展開與收疊。天線展收控制系統(tǒng)主要工作是到達(dá)陣地后的天線展開，使得天線處于雷達(dá)工作狀態(tài)，以及撤離陣地前的天線收疊，確保天線收疊后其高度、寬度滿足公路運(yùn)輸要求。

載車調(diào)平控制系統(tǒng)主要由一臺控制機(jī)箱、四條機(jī)電式調(diào)平支腿、一臺水平傳感器組成，用于載車到達(dá)預(yù)設(shè)陣地后將載車平臺的水平度調(diào)至精度要求內(nèi)，以及撤離陣地前的收支腿。

2 安全性設(shè)計

安全性設(shè)計的最終目的是保證人員和設(shè)備的安全［1］。該型雷達(dá)機(jī)電控制系統(tǒng)安全性設(shè)計主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計和伺服控制兩方面進(jìn)行，同時也充分考慮了人員操作習(xí)慣、結(jié)構(gòu)運(yùn)動空間、各機(jī)電控制子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)。

2.1 方位控制系統(tǒng)安全性設(shè)計

方位控制系統(tǒng)安全性設(shè)計的目的是防止天線旋轉(zhuǎn)時對人員的傷害，以及在天線未展開情況下或方位轉(zhuǎn)臺鎖定的情況下旋轉(zhuǎn)造成結(jié)構(gòu)損壞，為此采取了以下安全設(shè)計:

(1）載車平臺上設(shè)置安全開關(guān)，維修人員上載車平臺之前，將安全開關(guān)撥至“斷”的位置，此時方位電機(jī)不工作，方位轉(zhuǎn)臺不會旋轉(zhuǎn)，保證了人員安全。

(2）天線展收控制系統(tǒng)與方位控制系統(tǒng)之間建立通訊接口，進(jìn)行天線展開到位狀態(tài)傳輸，避免天線在未展開到位的狀態(tài)下天線方位旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)的損壞。

(3）方位轉(zhuǎn)臺設(shè)計有方位鎖銷，在天線停車首時可鎖定方位轉(zhuǎn)臺，同時設(shè)置方位鎖銷傳感器，并將信號分別接入方位控制系統(tǒng)和天線展收控制系統(tǒng)，確保在鎖定狀態(tài)下方位電機(jī)無法旋轉(zhuǎn)，保護(hù)天線結(jié)構(gòu)。

伺服分機(jī)也會將上述狀態(tài)送至終端顯控臺。終端顯控臺在發(fā)送方位旋轉(zhuǎn)命令前，也會判斷上述安全條件是否滿足，若滿足才發(fā)送，若不滿足則不發(fā)送，同時提示操作人員當(dāng)前天線不能旋轉(zhuǎn)。

2.2 饋源控制系統(tǒng)安全性設(shè)計

饋源控制系統(tǒng)安全性設(shè)計的目的是防止接近開關(guān)損壞或者結(jié)構(gòu)咬死導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)，從而破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。為此，進(jìn)行以下安全設(shè)計:

(1）在饋源轉(zhuǎn)臺的左、右極限位置分別設(shè)置兩個結(jié)構(gòu)擋塊，同時在極限位置處設(shè)置了接近開關(guān)用于控制保護(hù)。

(2）由于饋源喇叭相對位置固定，轉(zhuǎn)速已知，因此可預(yù)知從當(dāng)前饋源切換至下一目標(biāo)饋源所需要的時間。為防止結(jié)構(gòu)咬死或者接近開關(guān)失效導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)，軟件中設(shè)置了時間檢測功能，當(dāng)饋源動作時間超過正常運(yùn)動所需時間后的一段時間內(nèi)仍然沒有檢測到接近開關(guān)信號，則軟件自動將饋源電機(jī)停止，并向終端顯控臺報送饋源轉(zhuǎn)臺故障，這樣便防止了電機(jī)持續(xù)堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件破壞。

(3）此外，饋源轉(zhuǎn)臺內(nèi)設(shè)置安全銷，在上述兩種安全措施均失效的情況下將首先損壞安全銷，從而切斷電機(jī)的動力輸入，保護(hù)其余結(jié)構(gòu)件不被損壞。

2.3 天線展收控制系統(tǒng)安全性設(shè)計

作為該車載雷達(dá)系統(tǒng)最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的機(jī)電控制子系統(tǒng)，天線展收控制系統(tǒng)的安全風(fēng)險最大。為此，采取了多重安全保護(hù)技術(shù)，比如應(yīng)用三維仿真進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理設(shè)置限位開關(guān)，實(shí)時采集電流進(jìn)行電機(jī)保護(hù)等。

天線展收運(yùn)動部件多，運(yùn)動為空間運(yùn)動，為防止結(jié)構(gòu)件相互干涉，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取了三維建模技術(shù)和虛擬裝配技術(shù)，確保天線在進(jìn)行展收動作時不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件干涉現(xiàn)象。

此外，天線展收控制系統(tǒng)還存在以下幾個安全隱患，一是天線展收不可與方位旋轉(zhuǎn)同時動作，二是防止結(jié)構(gòu)件傳動絲桿咬死，三是天線展收控制系統(tǒng)失控，四是防止限位開關(guān)失效。針對以上隱患分別采取了如下措施:

(1）天線展收時，必須將天線方位停在車首位置，并通過方位鎖銷將方位轉(zhuǎn)臺鎖定，確保方位轉(zhuǎn)臺固定，方位電機(jī)不會旋轉(zhuǎn)。此外，在天線展收控制主站上分別設(shè)置“方位”動力和“展收”動力開關(guān)，并把“方位”和“展收”開關(guān)設(shè)置成互鎖開關(guān)，確保方位動力電源和展收動力電源不可能同時上電，確保了在進(jìn)行展收動作時方位電機(jī)不會旋轉(zhuǎn)。

(2）天線在進(jìn)行展收動作時，控制軟件實(shí)時采集電機(jī)反饋電流，并進(jìn)行全程監(jiān)控，若電流異常增大，則立即停止電機(jī)轉(zhuǎn)動，防止結(jié)構(gòu)件咬死事件發(fā)生，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件不損壞。

(3）天線展收控制系統(tǒng)采用CAN 總線與變頻器進(jìn)行通訊，從而控制電機(jī)的起停、轉(zhuǎn)速、方向等。為防止天線在展開或收疊動作時CAN 總線中斷，導(dǎo)致控制系統(tǒng)失去對電機(jī)的控制，從而引起結(jié)構(gòu)沖擊，為此天線展收控制系統(tǒng)定時向變頻器發(fā)送查詢碼。若CAN 通訊中斷，變頻器接收不到控制系統(tǒng)發(fā)出的查詢碼，變頻器將自動停止電機(jī)轉(zhuǎn)動。

(4）天線展收控制系統(tǒng)在關(guān)鍵處均設(shè)置了限位開關(guān)，比如在天線展開到位處設(shè)置了限位開關(guān)，到位時會自動觸發(fā)限位開關(guān)。為避免運(yùn)輸時的振動沖擊損壞各傳動絲桿，電子設(shè)備載車平臺上設(shè)置主塊鎖銷、左右邊塊鎖銷，在運(yùn)輸時將天線主塊、邊塊鎖定。同時，這些鎖銷處均設(shè)置了限位開關(guān)，并將信號接入天線展收控制系統(tǒng)，從軟件上確保在未解除主塊鎖銷、左右邊塊鎖銷之前天線主塊、邊塊電機(jī)不會工作。

為防止限位開關(guān)損壞或連接電纜斷裂導(dǎo)致限位開關(guān)檢測失效，限位開關(guān)均采取備份，確保單一開關(guān)失效時不至于系統(tǒng)失控。

圖2 天線鎖定裝置示意圖

最后，天線展收控制系統(tǒng)操作面板增加“急?！卑粹o，在緊急情況下按下“急?！卑粹o，則立即跳開天線展收動力開關(guān)，確保結(jié)構(gòu)件不損壞。

2.4 載車調(diào)平控制系統(tǒng)安全性設(shè)計

載車調(diào)平控制系統(tǒng)的安全隱患主要是調(diào)平腿不協(xié)調(diào)動作，比如某一條或兩條腿動作，而剩余的腿并未動作，導(dǎo)致整個載車平臺傾斜甚至傾覆。為此，實(shí)時采集載車平臺水平傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)水平數(shù)值出現(xiàn)放大現(xiàn)象且超過一定數(shù)值時，則電機(jī)立即停止動作，確保載車平臺不會出現(xiàn)傾斜、傾覆的現(xiàn)象。

調(diào)平支腿采取了T 型絲桿結(jié)構(gòu)，為防止結(jié)構(gòu)件咬死，也同樣實(shí)時采集電機(jī)反饋電流進(jìn)行電流保護(hù)。

此外，在調(diào)平腿的伸縮極限位置處均設(shè)有限位開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)限位開關(guān)時也會立即停止電機(jī)，防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)。

2.5 警示、提示

電子設(shè)備載車平臺相關(guān)位置處設(shè)置天線展收操作流程指示牌以及警示標(biāo)牌，一方面告知操作人員正確的操作流程和注意事項(xiàng)，另一方面提醒操作人員上載車平臺時需注意的安全措施。

天線展收控制單元設(shè)置電鈴，用于在天線展開或收疊動作前通過鈴聲提醒人員注意，避免人員傷害。

3 結(jié)束語

車載雷達(dá)機(jī)電控制系統(tǒng)的安全性設(shè)計是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程設(shè)計，關(guān)系到人身和設(shè)備的安全，在方案設(shè)計之初時必須全盤考慮。在進(jìn)行安全性設(shè)計時，除了考慮設(shè)備正常工作時隱藏的安全隱患，更要考慮在操作失誤、器件損壞、加電異常、通訊中斷等異常情況下會對人員和雷達(dá)設(shè)備帶來怎樣的傷害，并針對性地采取安全措施。此外，在設(shè)計圖紙物化后，需要通過各種辦法來進(jìn)行模擬測試，確保安全措施合理、有效，以此來保證安全性設(shè)計的正確性和可行性。

［1］平麗浩，等.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］夏勇，等.雷達(dá)機(jī)電一體化系統(tǒng)的安全性設(shè)計［C］//中國電子學(xué)會可靠性分會第十三屆學(xué)術(shù)年會論文選，2006.

［3］陸廷孝，等.可靠性設(shè)計與分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1996.