絞吸式挖泥船三纜定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張紅升，繆袁泉，聞 峣，黎富強(qiáng)

● （中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

絞吸式挖泥船三纜定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張紅升，繆袁泉，聞 峣，黎富強(qiáng)

● （中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

傳統(tǒng)絞吸式挖泥船多采用鋼樁系統(tǒng)移船定位，此方法簡(jiǎn)單方便，但只適用于淺水和小風(fēng)浪區(qū)域。在深水和大風(fēng)浪環(huán)境下多采用三纜定位模式進(jìn)行移船定位。本文將根據(jù)三纜定位的控制要求設(shè)計(jì)一套絞吸式挖泥船三纜定位控制系統(tǒng)。

絞吸挖泥船；三纜定位；控制系統(tǒng)

0 引言

絞吸式挖泥船移船定位通常采用“鋼樁臺(tái)車(chē)”和“三纜定位”兩種模式。“鋼樁臺(tái)車(chē)”模式通過(guò)臺(tái)車(chē)、固定在臺(tái)車(chē)上的主鋼樁和固定在船體的輔鋼樁組合移動(dòng)實(shí)現(xiàn)船體的前進(jìn)和后退。此模式受到鋼樁長(zhǎng)度和剛性的限制一般只適用于水深小于30m、浪高小于1.5m的區(qū)域施工?！叭|定位”模式拋棄原來(lái)鋼樁臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制船艉的三臺(tái)絞車(chē)進(jìn)行移船定位。因?yàn)椴捎缅^和鋼纜結(jié)構(gòu)，所以此模式可以在大挖深和大風(fēng)浪區(qū)域施工。

1 三纜定位系統(tǒng)工作原理

三纜定位系統(tǒng)的機(jī)械部分由：3臺(tái)絞車(chē)、導(dǎo)纜樹(shù)(俗稱(chēng)“圣誕樹(shù)”)和3個(gè)海底錨組成。3臺(tái)絞車(chē)在船艉甲板以圓弧狀依次排開(kāi)[1]。導(dǎo)纜樹(shù)固定在船艉中心線位置，兩端分別固定3個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的定滑輪，用于引導(dǎo)3臺(tái)絞車(chē)的鋼纜。3個(gè)海底錨分別系在3臺(tái)絞車(chē)的鋼纜末端。三纜定位系統(tǒng)工作示意圖如圖1。

實(shí)際施工過(guò)程中將左右兩個(gè)絞車(chē)的海底錨拋到船艏與船舷20°～30°夾角方向。中間絞車(chē)的海底錨拋到船艉與船中心線平行的方向。這樣左右兩個(gè)絞車(chē)收纜，中間絞車(chē)放纜可以向前移船。左右兩個(gè)絞車(chē)放攬，中間絞車(chē)收攬可以向后移船。由3點(diǎn)穩(wěn)定性原理可知通過(guò)3個(gè)海底錨可以將船艉牢牢固定在工作線上。

圖1 三纜定位系統(tǒng)工作示意圖

2 三纜定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 三纜定位控制原理

2.1.1 坐標(biāo)系建立

系統(tǒng)坐標(biāo)系建立如圖2，規(guī)定船艉中心點(diǎn)導(dǎo)纜樹(shù)位置為虛擬定位樁[2-4]。虛擬定位樁位置為三維坐標(biāo)系原點(diǎn)，原點(diǎn)至船艏方向?yàn)閤軸正方向，原點(diǎn)至左舷方向?yàn)閥軸正方向，原點(diǎn)至船底方向?yàn)閦軸正方向。

圖2 坐標(biāo)系示意圖

2.1.2 控制原理[5]

在實(shí)際施工過(guò)程中，首先將三個(gè)錨拋入水中，并記下拋錨點(diǎn)的坐標(biāo)。左舷錨(x1，y1，z1)、右舷錨(x2，y2，z2)、中間錨(x3，y3，z3)。根據(jù)建立的坐標(biāo)系設(shè)定 GPS天線在船體的安裝坐標(biāo)(x9，y9，z9)。因?yàn)?GPS安裝位置相對(duì)于虛擬定位樁固定不變，所以由GPS天線在船體的安裝坐標(biāo)(x9，y9，z9)可推算出虛擬定位樁的坐標(biāo)(x，y，z)。由空間內(nèi)兩點(diǎn)之間的距離可計(jì)算出三個(gè)錨到導(dǎo)纜樹(shù)的鋼纜長(zhǎng)度L1、L2和L3。如圖3所示。

圖3 拋錨示意圖

當(dāng)需要向前進(jìn)刀時(shí)虛擬定位樁將向前移動(dòng)長(zhǎng)度 L，根據(jù)進(jìn)刀前虛擬定位樁坐標(biāo) (x，y，z)可以計(jì)算出移動(dòng) L長(zhǎng)度后虛擬定位樁的坐標(biāo)(x’，y’，z’)。因?yàn)樵诓蛔咤^的情況下三個(gè)錨的坐標(biāo)是固定不變的，所以由空間內(nèi)兩點(diǎn)之間的距離可以計(jì)算出進(jìn)刀長(zhǎng)度 L后三個(gè)錨到導(dǎo)纜樹(shù)的鋼纜長(zhǎng)度L1’、L2’和L3’。進(jìn)刀工作示意圖如圖4。將計(jì)算的幾個(gè)長(zhǎng)度值代入公式（1）即可獲得進(jìn)刀前后鋼纜長(zhǎng)度變化量ΔL1、ΔL2和ΔL3。

式中：ΔL1、ΔL2和ΔL3為進(jìn)刀后鋼纜長(zhǎng)度變化量。系統(tǒng)控制三臺(tái)絞車(chē)使鋼纜長(zhǎng)度調(diào)整ΔL 1，ΔL 2和Δ L 3 的長(zhǎng)度，虛擬定位樁移動(dòng)到(x’，y’，z’ )完成進(jìn)刀。退刀過(guò)程與進(jìn)刀相同。

圖4 進(jìn)刀示意圖

2.2 坐標(biāo)獲取方法

系統(tǒng)中需要獲取錨位和船體坐標(biāo)，本系統(tǒng)中我們選用Trimble SP351差分GPS，坐標(biāo)精度可達(dá)10cm。系統(tǒng)共需2臺(tái)GPS，1臺(tái)安裝在船體用于實(shí)時(shí)獲取船體坐標(biāo)和虛擬定位樁坐標(biāo)，另外1臺(tái)安裝在拋錨艇上用于拋錨時(shí)將錨位發(fā)送給母船。因?yàn)殄^艇與母船之間沒(méi)有電纜連接，為了將錨位坐標(biāo)發(fā)送到母船我們采用日精ND886A數(shù)傳電臺(tái)。數(shù)傳電臺(tái)由發(fā)送端和接收端組成，它可以將串口信號(hào)通過(guò)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送到接收端。

2.3 鋼纜長(zhǎng)度計(jì)算

絞車(chē)收放鋼纜長(zhǎng)度通過(guò)安裝在絞車(chē)軸上的絕對(duì)值編碼器獲取。考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定和維護(hù)方便我們采用ELCO PAM58系列Profibus Dp總線型絕對(duì)值編碼器。編碼器輸出信號(hào)只是絞車(chē)的圈數(shù)和速度，通過(guò)圈數(shù)計(jì)算鋼纜長(zhǎng)度時(shí)需要考慮絞車(chē)卷筒的半徑(r )、鋼纜直徑(d)、卷筒纏繞鋼纜的層數(shù)(n)。絞車(chē)鋼纜層數(shù)可由絞車(chē)排纜裝置輸出。將上述參數(shù)代入公式(2)即可獲得絞車(chē)鋼纜長(zhǎng)度L。

式中：c為絞車(chē)圈數(shù)。

2.4 控制器、監(jiān)視器選用

2.4.1 控制器

控制器選用西門(mén)子S7315-2DP PLC。此PLC的DP接口可直接和Profibus Dp編碼器通訊。三臺(tái)絞車(chē)控制和邏輯運(yùn)算都在PLC內(nèi)部完成。實(shí)際工程中PLC與編碼器的組態(tài)圖如圖5所示。

圖5 PLC組態(tài)圖

2.4.2 監(jiān)視器

監(jiān)視器采用Vistal C++編寫(xiě)的上位機(jī)監(jiān)視軟件。軟件可以采集GPS信號(hào)并計(jì)算坐標(biāo)、提供控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置入口、與控制器通訊、監(jiān)視并診斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

2.5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)前面章節(jié)論述，本次三纜定位控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 總體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

介紹了絞吸式挖泥船三纜定位系統(tǒng)的工作原理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和控制精度高。本文介紹的控制方法在上海航道局3500m3絞吸挖泥船新海鮫輪上得到了很好應(yīng)用。

[1]候曉明,王培勝等. 中交上海航道局有限公司.疏浚技術(shù)培訓(xùn)教材(下)[M]. 2006.

[2]陳廣蓮.確定錨泊設(shè)備的直接計(jì)算法[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊, 2004(1): 43-45.

[3]肖越,王言英.浮體錨泊系統(tǒng)計(jì)算分析[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005(9): 682-686.

[4]季永華.疏浚工程[M]. 大連:大連海事大學(xué)出版社,2000.

[5]柯軍.絞吸式挖泥船三錨定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 武漢:武漢理工大學(xué), 2001.

現(xiàn)代重工獲得4艘蘇伊士型油輪訂單

根據(jù)造船海洋日刊消息，韓國(guó)現(xiàn)代重工近日與希臘船東Arcadia Shipmanagement簽署了4艘蘇伊士型油輪新造合同。

根據(jù)H I S，相關(guān)船舶的長(zhǎng)、型寬、深分別為274m、48m、23.1m，規(guī)模達(dá)158517DWT級(jí)，將在現(xiàn)代重工的群山造船廠及蔚山造船廠分別建造2艘船舶。

蔚山造船廠建造的2艘船舶安排在2016年6月及9月交付，群山造船廠建造的2艘在2016年10月及2017年2月交付。

4艘油輪都入美國(guó)船級(jí)，新造船價(jià)還不得而知。

Design of Christmas Tree Control System for Cutter Suction Dredger

ZHANG Hong-sheng, MIAO Yuan-quan, WEN Yao, LI Fu-Qiang
(CCCC NATIONAL ENGINEER RESEARCH CENTER OF DREDGING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT CO.,TD, Shanghai 201208, China)

Conventional cutter suction dredger usually uses the steel piles to shift and position. The method is simple an convenient, which is only applied in the area of shallow and small storms. In the environment of the deep water and large waves, th“Christmas Tree” system is usually used to shift and position. The paper based on the demand of “Christmas Tree” system designs“Christmas Tree” control system for cutter suction dredger.

cutter suction dredger; christmas tree; control system

U695

A

張紅升（1983-），男，工程師。主要從事挖泥船自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。