液壓拖曳絞車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

丁 平，石曉妹，何曉燕，朱德峰，王喜娟，田亞楠

（1. 無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司，江蘇無錫 214191；2. 徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

拖曳絞車是一種特種設(shè)備，用于收放纜繩、拖帶沒有自航能力的船舶、海上設(shè)施以及失去自航能力的船舶，是拖船上的重要設(shè)備[1-2]。

目前，出于成本和精度要求的考慮，大多數(shù)液壓拖曳絞車都使用接近開關(guān)檢測(cè)絞車的轉(zhuǎn)速。若用戶對(duì)繩長(zhǎng)和繩速提出了較高的精度要求，則可以通過安裝編碼器實(shí)現(xiàn)。使用常規(guī)接近開關(guān)檢測(cè)拖曳絞車?yán)K長(zhǎng)和繩速，有時(shí)會(huì)因?yàn)橛?jì)算方法本身不夠準(zhǔn)確而導(dǎo)致控制精度不高。因此，本文在詳細(xì)介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，深入研究了接近開關(guān)檢測(cè)絞車?yán)K長(zhǎng)和繩速的方法。同時(shí)在控制系統(tǒng)程序中增加了手柄斜坡分段控制，提高了操作的微動(dòng)性和平穩(wěn)性；增加了恒張力自動(dòng)保護(hù)模式，提高了恒張力拖航時(shí)的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以某650 kN液壓拖曳絞車為研究對(duì)象，該絞車為雙卷筒絞車，兩卷筒瀑布式布置，上卷筒為拖帶卷筒，下卷筒為錨處理卷筒，絞車上、下卷筒不能同時(shí)工作，需要通過離合器自動(dòng)切換上、下卷筒的工作狀態(tài)。系統(tǒng)包含3臺(tái)110 kW主電機(jī)泵組和2臺(tái)5.5 kW輔助電機(jī)泵組。系統(tǒng)主要控制站點(diǎn)包括駕控室操作面板、駕駛室觸摸屏、機(jī)旁操作臺(tái)和本地啟動(dòng)箱。四個(gè)控制點(diǎn)都能起停電機(jī)，但啟動(dòng)箱優(yōu)先級(jí)最高，只有啟動(dòng)箱內(nèi)遠(yuǎn)程起停旋鈕切換到“遠(yuǎn)程”時(shí)，駕控室和機(jī)旁操作臺(tái)才能夠起停電機(jī)。啟動(dòng)箱站點(diǎn)的主要功能是采集啟動(dòng)箱內(nèi)各檢測(cè)信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)泵站信號(hào)、控制電機(jī)起停、控制電機(jī)除濕和油箱加熱等，其不具備操作拖曳絞車的功能。

駕控室操作面板和機(jī)旁操作臺(tái)兩個(gè)站點(diǎn)可以對(duì)液壓拖曳絞車進(jìn)行操作，通過切換旋鈕選擇操作位置。由于機(jī)旁操作優(yōu)先，所以操作位置切換旋鈕位于機(jī)旁操作臺(tái)上。而系統(tǒng)泵站除了為拖曳絞車提供動(dòng)力以外，還要給其他設(shè)備提供動(dòng)力，所以駕控臺(tái)操作面板有工作模式切換旋鈕。除此之外，兩個(gè)操作站點(diǎn)功能基本相同。駕控室觸摸屏可顯示絞車動(dòng)作動(dòng)畫、顯示參數(shù)、記錄報(bào)警和設(shè)置相關(guān)參數(shù)等，各控制站點(diǎn)之間通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信。電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1. 1 硬件設(shè)計(jì)

該650 kN液壓拖曳絞車電氣系統(tǒng)控制主站設(shè)在駕控室，控制器選用西門子CPU 1511-1PN，其包含2個(gè)RJ45網(wǎng)口，1個(gè)用于和啟動(dòng)箱分站通信，1個(gè)用于和觸摸屏通信。擴(kuò)展模塊包括：1個(gè)AI/AQ 4×U/I/RTD/TC/2×U/I ST模擬量輸入輸出模塊，用于收放纜手柄和恒張力電位器的信號(hào)采集以及恒張力比例閥和收放纜比例閥的輸出控制；1個(gè)DI 32×24VDC HF數(shù)字量輸入模塊，1個(gè)DQ 32×24VDC/0.5A HF數(shù)字量輸出模塊，1個(gè)DI 16/DQ 16×24VDC/0.5A BA數(shù)字量輸入輸出模塊，用于駕控室面板上操作按鈕和旋鈕等輸入檢測(cè)以及相關(guān)狀態(tài)指示燈輸出。

啟動(dòng)箱選用ET200sp遠(yuǎn)程I/O分站；接口模塊選用IM 155-6 PN ST；擴(kuò)展模塊包括：3個(gè)DI 16×24VDC ST數(shù)字量輸入模塊，2個(gè)DQ 16×24VDC/0.5A ST數(shù)字量輸出模塊，輸入模塊用于檢測(cè)啟動(dòng)箱上起停信號(hào)、啟動(dòng)箱內(nèi)各輸入信號(hào)和泵站各報(bào)警輸入信號(hào)，輸出模塊控制啟動(dòng)箱上各指示燈以及相關(guān)中間繼電器。

機(jī)旁控制臺(tái)選用ET200sp遠(yuǎn)程I/O分站，接口模塊選用IM 155-6 PN ST，擴(kuò)展模塊包括：1個(gè)AI 4×U/I 2-wire ST模擬量輸入模塊，用于機(jī)旁控制臺(tái)收放纜手柄、恒張力電位器和絞車本體上壓力傳感器信號(hào)的采集；4個(gè)DI 16×24VDC ST數(shù)字量輸入模塊，3個(gè)DQ 16×24VDC/0.5A ST數(shù)字量輸出模塊，用于機(jī)旁操作臺(tái)面板上操作按鈕和旋鈕等的輸入檢測(cè)、相關(guān)狀態(tài)指示燈輸出以及絞車本體相應(yīng)電磁閥組輸出控制。駕駛室觸摸屏選用西門子品牌的TP1200 Comfort型12英寸觸摸屏。各個(gè)控制站點(diǎn)之間通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)視圖

1. 2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括控制程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序設(shè)計(jì)。軟件開發(fā)工具為西門子TIA Portal V13，該開發(fā)工具基于西門子豐富的產(chǎn)品系列和優(yōu)化的自動(dòng)化系統(tǒng)，遵循工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，著眼于滿足先進(jìn)自動(dòng)化理念的需求[3]。

系統(tǒng)控制程序采用模塊化編程的設(shè)計(jì)思想[4]，把程序按控制功能分成若干程序塊，這樣可以減少編程的工作量、增加程序的可讀性和可維護(hù)性?？刂瞥绦蛑饕ㄖ鞒绦騇ain（OB1）、Time error interrupt（OB80）、Diagnostic error interrupt（OB82）、Programming error（OB121）、IO access error（OB122）、觸摸屏數(shù)據(jù)處理（FC1）、拖纜機(jī)報(bào)警及指示燈（FC2）、拖纜機(jī)電機(jī)起停控制（FC3）、繩長(zhǎng)和繩速計(jì)算（FC4）、工況模式選擇（FC5）、拖纜機(jī)動(dòng)作控制（FC6）、拉力計(jì)算處理（FC7）、電磁閥輸出（FC8）、試燈報(bào)警消音控制塊（FC9）、拖纜機(jī)電機(jī)起停控制塊（FB1）、接近開關(guān)測(cè)速程序（FB2）、遠(yuǎn)程請(qǐng)求控制（FB3）、拉力計(jì)算（FB4）、Joystick_ctrl（FB5）等。

觸摸屏程序也是用同款軟件開發(fā)的，主要包括主界面、狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面、設(shè)置界面、報(bào)警記錄界面和運(yùn)行記錄界面。主界面顯示拖曳絞車動(dòng)作的動(dòng)畫效果和主要控制參數(shù)，比如控制位置、控制模式、系統(tǒng)壓力、當(dāng)前纜繩層數(shù)和圈數(shù)、放出繩長(zhǎng)、剩余繩長(zhǎng)、纜繩速度、纜繩拉力等。狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面顯示電機(jī)狀態(tài)、控制器各數(shù)字量端口狀態(tài)、模擬量端口AD值和實(shí)際值。設(shè)置界面主要用于設(shè)置卷筒參數(shù)并設(shè)置保護(hù)，可以在任何位置設(shè)置纜繩，程序可自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前纜繩放纜長(zhǎng)度和剩余纜長(zhǎng)，如圖3所示。報(bào)警記錄界面主要記錄報(bào)警數(shù)據(jù)，方便故障查詢和故障處理。運(yùn)行記錄界面主要記錄系統(tǒng)動(dòng)作，方便查詢動(dòng)作記錄。

圖3 系統(tǒng)設(shè)置界面

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

拖曳絞車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵功能是控制卷筒的收放動(dòng)作、計(jì)算鋼絲繩繩長(zhǎng)和繩速、控制恒張力，以及計(jì)算鋼絲繩拉力。下面就其中幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)作詳細(xì)說明。

2.1 手柄斜坡控制

程序中設(shè)計(jì)了Joystick_ctrl手柄控制功能塊，可以方便設(shè)置輸出控制的最大值和最小值（Up_MAX_INT、Up_Min_INT、Down_MAX_INT、Down_Min_INT）、手柄中位值（Mbound）和死區(qū)值（Blind）。程序根據(jù)收放纜動(dòng)作條件判斷手柄收放動(dòng)作是否允許（Enable_Up、Enable_Down）。程序加入斜坡步進(jìn)值控制，且斜坡步進(jìn)值可以分段控制。手柄去程動(dòng)作前半程的斜坡步進(jìn)值較小，動(dòng)作更平穩(wěn)；手柄去程動(dòng)作后半程的步進(jìn)值較大，快速達(dá)到手柄輸出值。同理，手柄回程前半程的步進(jìn)值較大，手柄輸出值快速減小；手柄回程后半程的步進(jìn)值可適當(dāng)減小，避免頻繁操作引起的沖擊。手柄控制功能塊如圖4所示。

圖4 手柄控制功能塊

2.2 繩長(zhǎng)繩速計(jì)算

該650 kN液壓拖曳絞車控制系統(tǒng)采用接近開關(guān)測(cè)量卷筒鋼絲繩的繩長(zhǎng)和繩速，每個(gè)卷筒使用兩個(gè)接近開關(guān)。卷筒一側(cè)裝有檢測(cè)盤，通過兩個(gè)接近開關(guān)信號(hào)檢測(cè)順序判斷卷筒旋轉(zhuǎn)方向，完整檢測(cè)一個(gè)脈沖信號(hào)的流程如圖5所示。圖5中：兩個(gè)圓代表接近開關(guān)；空心圓代表沒有檢測(cè)信號(hào)；實(shí)心圓代表有檢測(cè)信號(hào)；正向箭頭代表檢測(cè)流程脈沖數(shù)加1；逆向箭頭代表檢測(cè)流程脈沖數(shù)減1。這種檢測(cè)方法可以有效避免接近開關(guān)在檢測(cè)臨界值（檢測(cè)信號(hào)時(shí)有時(shí)無）時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的脈沖信號(hào)，從而提高了檢測(cè)精度。

圖5 完整脈沖檢測(cè)流程

假設(shè)卷筒檢測(cè)盤上的擋塊數(shù)量為NS，卷筒直徑為D，卷筒每層纏繞鋼絲繩圈數(shù)為m，鋼絲繩直徑為d，檢測(cè)脈沖數(shù)為T，鋼絲繩總長(zhǎng)為L(zhǎng)。

則當(dāng)前層數(shù)取整為

當(dāng)前圈數(shù)為

卷筒上滿層鋼絲繩長(zhǎng)度為

卷筒上剩余鋼絲繩長(zhǎng)度為

放出繩長(zhǎng)為

鋼絲繩速度計(jì)算較為簡(jiǎn)單，通過單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)的變化計(jì)算得出單位時(shí)間內(nèi)繩長(zhǎng)的變化。

2.3 恒張力自動(dòng)保護(hù)

恒張力控制主要用于長(zhǎng)距離拖航任務(wù)，拖曳絞車以一定的張力拖航，可以克服因被拖物的抖動(dòng)或瞬間張力沖擊而對(duì)拖船造成的影響[5]。打開恒張力旋鈕開關(guān)，根據(jù)被拖物重量調(diào)整恒張力電位器?？梢栽谟|摸屏上設(shè)置恒張力過放繩長(zhǎng)和恒張力過收繩長(zhǎng)報(bào)警值。當(dāng)卷筒鋼絲繩放纜長(zhǎng)度小于恒張力過收?qǐng)?bào)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，為了防止拖船和被拖物距離過近，系統(tǒng)自動(dòng)減小恒張力比例值，此時(shí)系統(tǒng)處于慢慢放纜狀態(tài)。當(dāng)鋼絲繩放纜長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)置的恒張力過放報(bào)警值和恒張力過收?qǐng)?bào)警值的平均值時(shí)，恒張力比例值恢復(fù)到原來值。當(dāng)卷筒鋼絲繩放纜長(zhǎng)度大于恒張力過放報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)增加恒張力比例值。如果檢測(cè)到鋼絲繩拉力急劇增大，考慮到被拖物可能觸礁或出現(xiàn)其他故障，恒張力比例值恢復(fù)到原來值，系統(tǒng)報(bào)警音頻率提高，此時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)指揮人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷作出進(jìn)一步操作。

3 結(jié)論

該650 kN液壓拖曳絞車控制系統(tǒng)能很好地滿足拖曳絞車的動(dòng)作要求，在不增加硬件成本的情況下，有效地解決了卷筒鋼絲繩繩長(zhǎng)和繩速不準(zhǔn)確的問題。通過增加手柄分段斜坡控制，使控制動(dòng)作更加平順，并減小了對(duì)液壓系統(tǒng)的沖擊。觸摸屏主界面能實(shí)時(shí)監(jiān)控絞車狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，主界面可以智能提示故障位置和故障原因，從而達(dá)到了智能化監(jiān)控的目的。該拖曳絞車已交付使用，效果良好。

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