基于PLC的深海ROV光電復(fù)合纜絞車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蔣恒深 吳朋朋 朱小東

（無(wú)錫德林防務(wù)裝備股份有限公司 無(wú)錫214000）

引 言

深海超長(zhǎng)距離光電復(fù)合纜收放是帶纜深潛遙控?zé)o人潛水器（ROV）的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)千米乃至上萬(wàn)米的光電復(fù)合纜造價(jià)很高，而且ROV的收放、供電和通信都依靠光電復(fù)合纜承載［1］，絞車隨時(shí)要進(jìn)行光電復(fù)合纜的收放。因此，既要保證ROV不會(huì)因收放系統(tǒng)拖拉而影響作業(yè)，也不能使放出的纜過(guò)于松弛而與ROV或水中雜物纏繞，導(dǎo)致昂貴的光電復(fù)合纜發(fā)生損傷。本文給出了一種采用西門(mén)子PLC和S120變頻器控制的光電復(fù)合纜絞車控制系統(tǒng)方案，該絞車具有收放、儲(chǔ)纜張力可控和自動(dòng)排纜功能，可以滿足萬(wàn)米級(jí)收放作業(yè)要求。

1 光電復(fù)合纜絞車的組成及工作原理

1.1 光電復(fù)合纜絞車組成

本文設(shè)計(jì)的萬(wàn)米級(jí)光電復(fù)合纜絞車主要由以下4大部分組成：控制及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、牽引絞車、儲(chǔ)纜絞車、排纜裝置，其中的牽引絞車采用雙牽引摩擦輪同步同向轉(zhuǎn)動(dòng)方式。［2］

1.2 工作原理

根據(jù)ROV等水下設(shè)備的作業(yè)深度，光電復(fù)合纜短則幾百米，長(zhǎng)則上千米。為保證復(fù)合纜中的通訊電纜與光纖不被折彎或拉斷，所有未放出的復(fù)合纜必須整齊排列在一個(gè)專用儲(chǔ)纜絞車上（見(jiàn)圖1） 。

圖1 光電復(fù)合纜絞車工作原理

為實(shí)現(xiàn)大牽引力載體收放起吊，如果采用常用的單滾筒絞車（牽引和纏繞用同一滾筒），當(dāng)纜處于最大張力狀態(tài)時(shí)，纏繞于滾筒的幾層內(nèi)部纜較松，而最外層纜很緊，勢(shì)必將纜勒入內(nèi)層，使昂貴的纜擠壓受損［3］，因此需要單獨(dú)的牽引絞車。

該絞車由結(jié)構(gòu)相同、前后排列的2個(gè)摩擦絞盤(pán)組成。主驅(qū)動(dòng)輪為摩擦輪l，從驅(qū)動(dòng)輪為摩擦輪2，每個(gè)摩擦輪絞盤(pán)有多個(gè)環(huán)形纜槽（如圖2所示）。排纜裝置用于將纜整齊排放于儲(chǔ)纜卷筒上，限位開(kāi)關(guān)用于排纜裝置限位，ROV的動(dòng)力電信號(hào)和通訊光信號(hào)最后均通過(guò)儲(chǔ)纜卷筒一端的光電滑環(huán)連接到信號(hào)接收和處理設(shè)備上。

圖2 牽引絞車工作原理

2 控制及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的深海ROV光電復(fù)合纜絞車控制系統(tǒng)采用西門(mén)子最新1 500系列PLC，該P(yáng)LC具有4級(jí)保護(hù)、集成工藝、運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)控制等功能。位指令計(jì)算時(shí)間為ns級(jí)別，并帶有2個(gè)PROFINET接口。變頻器采用西門(mén)子模塊化的高性能S120系列，其控制及驅(qū)動(dòng)原理如下頁(yè)圖3所示。

圖3 控制及驅(qū)動(dòng)原理框圖

用戶通過(guò)本地或者遠(yuǎn)程控制臺(tái)發(fā)送操作指令到PLC，PLC識(shí)別用戶輸入并通過(guò)PROFINET總線發(fā)送啟停、速度及力矩控制指令到變頻器的控制單元CU320，最后通過(guò)變頻器的驅(qū)動(dòng)單元完成對(duì)各電機(jī)的速度及力矩的控制。觸摸屏用于人機(jī)交互。

CU320-1設(shè)置為矢量控制模式，E1、E2為增量型編碼器，并配置電機(jī)模塊MM1和MM2為帶編碼器的閉環(huán)速度控制模式。摩擦輪1和摩擦輪2之間是非剛性連接，因此同步控制采用速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅方式，見(jiàn)圖4。

圖4 牽引絞車摩擦輪同步控制

儲(chǔ)纜絞車設(shè)置為力矩模式，始終保持在收纜狀態(tài)。當(dāng)下放ROV設(shè)備時(shí)，牽引絞車的力大于儲(chǔ)纜絞車的力，儲(chǔ)纜絞車被牽引絞車?yán)龇爬|；當(dāng)回收設(shè)備時(shí)，儲(chǔ)纜絞車處于力矩模式會(huì)自動(dòng)收纜，其中E3編碼器為絕對(duì)值編碼器，用于記錄纜繩在卷筒上的位置，防止掉電丟失。

為保證排纜裝置快速響應(yīng)、定位準(zhǔn)確，本文采用帶編碼器的伺服電機(jī)，并采用位置伺服控制的方式。其中E4編碼器為絕對(duì)值編碼器，用于記錄排纜裝置在絲杠上的位置，防止掉電丟失。

3 張力計(jì)算與控制

3.1 牽引張力計(jì)算

牽引絞車通過(guò)光電復(fù)合纜下放和回收深潛ROV設(shè)備，牽引張力用過(guò)變頻器控制電機(jī)扭矩大小決定，通過(guò)變頻器限制電機(jī)的最大輸出扭矩，即可控制復(fù)合纜的最大牽引張力式中：為電機(jī)的最大扭矩，N·m；i為牽引絞車減速機(jī)傳動(dòng)比；d為驅(qū)動(dòng)輪的直徑，m。

3.2 儲(chǔ)纜張力計(jì)算

在ROV的收放過(guò)程中，牽引絞車摩擦輪提供系統(tǒng)的提升力。牽引絞車與復(fù)合纜可看作一種特殊的帶傳動(dòng)［4］，為保證纜在牽引絞車上不打滑，儲(chǔ)存絞車必須保持一定的最小張力才能使?fàn)恳g車產(chǎn)生足夠的提升力，根據(jù)歐拉公式：將牽引絞車上的纜繩逐層展開(kāi)，如圖5所示。，依次類推，可推出最小張力，見(jiàn)式（2）。

圖5 儲(chǔ)纜張力計(jì)算

式中：F1為牽引收放負(fù)載力，為儲(chǔ)纜絞車最小張力，N；α為纜在絞車絞盤(pán)上的包角，此處為纜與卷筒槽的摩擦系數(shù)，根據(jù)摩擦材料確定；n為摩擦輪提供摩擦力的環(huán)形纜槽數(shù)。

儲(chǔ)纜絞車用于存儲(chǔ)未放出的復(fù)合纜。因?yàn)楸疚氖褂玫氖荓EBUS公司的儲(chǔ)纜卷筒皮，根據(jù)官方手冊(cè)，排纜張力應(yīng)大于纜破斷張力的2%，因此綜合上述要求，儲(chǔ)纜張力Fs應(yīng)滿足式（3）。

3.3 張力控制與限幅

牽引絞車和儲(chǔ)纜絞車電機(jī)的輸出扭矩可以通過(guò)S120變頻器的力矩設(shè)置選項(xiàng)頁(yè)進(jìn)行設(shè)定，PLC也可以通過(guò)控制報(bào)文實(shí)時(shí)改變當(dāng)前電機(jī)的輸出扭矩，根據(jù)式（1）、式（3）可推出當(dāng)前復(fù)合纜受到的牽引張力和儲(chǔ)纜張力。張力控制方面，如下頁(yè)圖6所示。PLC通過(guò)變頻器的控制單元獲取當(dāng)前電機(jī)的反饋輸出轉(zhuǎn)矩，當(dāng)反饋轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)模塊從速度模式切換到轉(zhuǎn)矩模式，防止力矩超限，當(dāng)檢測(cè)到反饋轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)模塊由轉(zhuǎn)矩模式切換至速度模式防止電機(jī)飛車。

4 自動(dòng)排纜控制

本文儲(chǔ)纜卷筒采用LEBUS卷筒皮，每層纏繞纜的圈數(shù)相同，通過(guò)獲取儲(chǔ)纜卷筒絕對(duì)值編碼器當(dāng)前值，即可計(jì)算出當(dāng)前纜在卷筒上的實(shí)際位置w，如式（4）、式（5）所示。

圖6 力矩設(shè)定與控制

式中：nt為儲(chǔ)纜絞車電機(jī)編碼器總脈沖數(shù)；np電機(jī)每轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)；i為減速機(jī)傳動(dòng)比；ns為卷筒繩槽個(gè)數(shù)；L為卷筒開(kāi)檔寬度，mm；int為取整運(yùn)算；當(dāng)為偶數(shù)時(shí)，取值式（4），否則取式（5）。

通過(guò)排纜裝置電機(jī)上安裝的編碼器和排纜裝置絲杠的導(dǎo)程，可獲得排纜裝置當(dāng)前的實(shí)際位置x，見(jiàn)式（6）。

式中：nt為排纜裝置電機(jī)編碼器總脈沖數(shù)；np電機(jī)每轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)；i為減速機(jī)傳動(dòng)比；ns為卷筒繩槽個(gè)數(shù)；Δd為絲杠導(dǎo)程，mm。

將以上獲取的纜在卷筒上的實(shí)際位置w和排纜裝置的當(dāng)前實(shí)際位置x輸入PID控制器，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)PID參數(shù)，可獲取比較滿意的控制精度。但是傳統(tǒng)PI控制器由于積分飽和原因無(wú)法使系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快速性的同時(shí)滿足小超調(diào)甚至無(wú)超調(diào)，因此本文采用一種具有抗積分飽和功能［5］，且能夠?qū)Ρ壤饔煤臀⒎肿饔眠M(jìn)行加權(quán)的 PID控制算法對(duì)排纜裝置的位置進(jìn)行控制，見(jiàn)式（7），實(shí)際儲(chǔ)纜和排纜入繩角可以控制在±1.5°以內(nèi)，滿足排纜要求。

式中：y為PID算法的控制值，mm；Kp為比例增益；s為拉普拉斯運(yùn)算符；b為比例作用權(quán)重；c為微分作用權(quán)重；w為設(shè)定值（纜在儲(chǔ)纜卷筒上的位置），mm；x為過(guò)程值（排纜裝置在絲杠上的位置），mm；Ti為積分作用時(shí)間；Td為微分作用時(shí)間。

5 試驗(yàn)結(jié)果

2016年12月在南海進(jìn)行了樣機(jī)的功能試驗(yàn)和性能試驗(yàn)。排纜緊密整齊，萬(wàn)米纜排列未出現(xiàn)亂繩狀況，控制算法經(jīng)驗(yàn)證成功。排纜效果見(jiàn)下頁(yè)圖7。

本次試驗(yàn)使用的拖體重1.5 t，當(dāng)下放至深度2 651 m時(shí)，總的牽引張力約33.6 kN，儲(chǔ)纜張力約11.3 kN（連同纜重）。如圖8所示，牽引張力隨船體縱搖（5級(jí)海況下）產(chǎn)生約20%的上下波動(dòng)，儲(chǔ)纜張力由PLC控制始終保持恒定張力，張力計(jì)算和控制方法能滿足實(shí)際使用要求。

圖7 排纜效果

圖8 張力控制驗(yàn)證

6 結(jié) 論

通過(guò)PLC控制的深海ROV光電復(fù)合纜絞車控制系統(tǒng)，可在S120變頻器的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)牽引絞車雙摩擦輪同步和負(fù)荷分配，儲(chǔ)纜絞車恒張力排纜以及自動(dòng)排纜裝置的聯(lián)合控制。通過(guò)系統(tǒng)觸摸屏，可方便設(shè)定當(dāng)前牽引絞車的收放張力、儲(chǔ)纜張力和收放速度，有效保護(hù)深潛ROV設(shè)備的光電復(fù)合纜。采用該系統(tǒng)已成功研制的樣機(jī)，對(duì)其他有纜遙控設(shè)備的收放設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

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