漁船中動力及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究

吳小洲，劉玉良，蘇玉香，張存喜

（浙江海洋大學(xué)船舶與機電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

目前，我國北部灣地區(qū)500 t以下的小型漁船有8 000多艘，80%以上都安裝了液壓舵機，在該類漁船中，往往都是以經(jīng)濟性為出發(fā)點，所以安裝的舵機大多數(shù)是經(jīng)濟型的手動舵機，可以實現(xiàn)自動操舵功能的小型漁船數(shù)量不多[1]，但自動舵是船舶控制系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，通過它可以進行航向設(shè)定并使船舶行駛更接近航線，從而更節(jié)能、更經(jīng)濟。我國在從20世紀70年代就開始自動舵的研究，并取得了一定的成效，但國內(nèi)自動舵的研究側(cè)重于理論方面，進行算法仿真，很少做出實際產(chǎn)品。迄今為止，國內(nèi)船舶安裝的自動舵基本依賴進口[2]。同時，我國對向船舶控制的研究往往趨向于船舵控制的單獨研究，而往往忽略了漁船作為一個整體在航行中漿舵的配合重要性。

因此本文設(shè)計了一套由PLC、電子羅盤、舵角傳感器、GPS定位系統(tǒng)、電磁閥驅(qū)動組成的自動操舵系統(tǒng)和PLC、變頻器、三相異步電動機等組成的自動定速巡航系統(tǒng)配合使用的操作系統(tǒng)來進行漁船的操控，從而實現(xiàn)漁船沿預(yù)定航線自動定速航行的功能。本次設(shè)計中最重要的是采用了PLC作為控制單元，相比于其他設(shè)計中采用的單片機控制，本文中PLC的使用提高了數(shù)據(jù)運算處理的可靠性以及輸出控制的穩(wěn)定性，同時本文中變頻器的運用也使得漁船航行速度得到了更加穩(wěn)定的控制。另外本文中可視化單元-觸摸屏的加入使得大量的物理按鈕得到了虛擬化、可視化處理，大大釋放了漁船控制室操作臺的空間，使得漁船上的人機交互體驗感更加友好，這將使得漁民對漁船駕駛的操作更加方便，小型漁船在海洋中航行的安全性、經(jīng)濟性和可操控性[1]更高。

1 漁船動力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制設(shè)計

本文設(shè)計的關(guān)鍵是要實現(xiàn)沿航線自動定速航行的功能，該系統(tǒng)的自動航線控制模塊和自動定速巡航模塊分別由GPS定位系統(tǒng)、電子羅盤、舵角傳感器、舵角指示器、舵角表、液壓電磁閥和編碼器、水流傳感器、GPS測速傳感器、變頻器、三相異步電動機、380V三相電源組成。自動航線控制模塊操舵實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向功能，自動定速巡航模塊控制變頻器和三相異步電動機實現(xiàn)自動定速巡航功能。系統(tǒng)總圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總圖Fig.1 System diagram

1.1 總體控制方案

本次設(shè)計采用三菱PLC FX2N型號作為控制元件，配備觸摸屏為系統(tǒng)顯示元件，采用變頻器、三相異步電動機為系統(tǒng)執(zhí)行元件，其控制流程圖如圖2所示。系統(tǒng)采用觸摸屏設(shè)置預(yù)定航線以及航速，并實時動態(tài)顯示當(dāng)前所處航線位置、航角、舵角以及當(dāng)前所維持航速，另外當(dāng)出現(xiàn)漁船偏離航線、漁船航速波動嚴重、漁船航速失控、三相異步電機電流電壓過載等情況時可實現(xiàn)自動報警，以便漁民進行檢查修正。

圖2 主程序流程圖Fig.2 The flow chart of main program

1.2 航線控制

本文中開發(fā)的是基于PLC控制的的多任務(wù)操舵系統(tǒng)，與傳統(tǒng)C51單片機控制的操舵系統(tǒng)相比，無論是在數(shù)據(jù)處理還是控制精度上，都具有很大的優(yōu)勢。

本系統(tǒng)主要由航角傳感器系統(tǒng)、電子羅盤、GPS定位系統(tǒng)、液壓電磁閥、觸摸顯示模塊等5個單元組成，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示，控制等功能。其中由PLC實現(xiàn)控制計算，液壓電磁閥實現(xiàn)舵角動作，配備傳感器GPS定位系統(tǒng)、電子羅盤、舵角反饋模塊實現(xiàn)反饋，最終由觸摸屏顯示控制狀態(tài)并提供人機交互界面。

此舵角控制模塊中采用電子羅盤獲取漁船當(dāng)前航角α°，并與GPS定位系統(tǒng)所得當(dāng)前航線正確航角γ°進行對比，得出偏航角漬°；再與舵角傳感器得到的舵角茁°作比較，經(jīng)PLC控制器PID算法后產(chǎn)生偏舵角啄°，由啄°的正負以及大小來驅(qū)動電磁閥操控舵的左右轉(zhuǎn)向及控制舵的轉(zhuǎn)向角度，如圖4所示[3-4]。

圖3 自動操舵簡圖Fig.3 Automatic steering diagram

圖4 自動操舵控制原理框圖Fig.4 Automatic steering control block diagram

1.3 自動定速巡航

在我國大部分小型漁船的航行采用的是手動調(diào)節(jié)航速進行航行，它需要漁民根據(jù)當(dāng)時海況進行不斷地手動調(diào)節(jié)，這就大大增加了漁民的勞動強度。為減輕漁民的負擔(dān)，本文在自動操舵的基礎(chǔ)上增加設(shè)計了漁船自動定速巡航的功能，它能根據(jù)當(dāng)前海域的水流情況對電機轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)定速巡航功能。

另為響應(yīng)國家低碳環(huán)保的號召，此次設(shè)計所采用的的動力系統(tǒng)為電力系統(tǒng)，動力裝置為三相異步電動機，由PLC及變頻器控制驅(qū)動。

1.3.1 定速巡航硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由觸摸屏、編碼器、變頻器、三相異步電動機、380 V三相電源等7個單元組成，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中觸摸屏仍作為人機交互界面使用，編碼器、水流傳感器、GPS測速傳感器作為反饋系統(tǒng)使用，380 V電源提供動力來源，變頻器作為三相異步電動機控制裝置，由PLC計算數(shù)據(jù)并實現(xiàn)各模塊之間的通訊。

1.3.2 自動定速巡航原理

漁船在海域當(dāng)中航行時海況復(fù)雜，水流流速不斷變化，如果采用電機勻速運轉(zhuǎn)，漁船的航行速度將不斷發(fā)生變化。因此為了實現(xiàn)定速巡航，就需要根據(jù)當(dāng)前海域的水流流速來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)漁船航行速度不變。

該模塊可完成實際船速、水流流速、電機實際轉(zhuǎn)速的采集、顯示、信號轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)裙δ?。如圖6所示，本設(shè)計選用了GPS測速傳感器、水流流速傳感器和編碼器等傳感器。GPS測速傳感器首先采集到漁船實際船速，并把船速輸送到PLC，經(jīng)過與給定船速的比較后得到偏航速。之后根據(jù)當(dāng)前海域的水流流速計算出所需電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)與編碼器所測當(dāng)前電機實際轉(zhuǎn)速對比得到偏轉(zhuǎn)速。最后由PLC將所需提升電機轉(zhuǎn)速信息發(fā)送給變頻器，由變頻器控制三相異步電機改變轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)船舶的定速巡航，其系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。

圖5 自動定速巡航簡圖Fig.5 Automatic constant speed cruise diagram

圖6 自動定速巡航功能原理圖Fig.6 The schematic of automatic constant speed cruise function

圖7 自動定速巡航流程圖Fig.7 The flow chart of automatic constant speed cruise

圖8 航速航線設(shè)定圖Fig.8 Navigational speed and air route setting map

2 觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計的系統(tǒng)包括漁船航線、航速的的設(shè)定，漁船航線、航速、舵角的顯示以及漁船故障報警的提示三部分。為了方便參數(shù)設(shè)置以及動態(tài)顯示漁船航行狀態(tài)，本次設(shè)計中采用了臺達的B10E615型號觸摸屏作為控制及人機交換單元,該觸摸屏具有儀器儀表顯示、圖表繪制、按鈕設(shè)置等功能，極大地方便了系統(tǒng)操作設(shè)置，同時由于物理按鍵、儀表儀盤的虛擬化，操作臺的空間得到了極大釋放。

2.1 漁船航線、航速設(shè)定

本次漁船控制系統(tǒng)中可進行漁船航線、航速的設(shè)定，從而實現(xiàn)在當(dāng)前海域的自動航行以及定速巡航功能，另外漁船航速航線的設(shè)定由虛擬儀表盤顯示，增加了人機交互體驗，如圖8所示。

2.2 漁船航線、航速的顯示

點擊下一頁菜單按鈕進入航速監(jiān)視頁面，如圖9所示，此頁面設(shè)置了實時舵角、航速顯示儀表盤，它可顯示當(dāng)前漁船所保持的舵角、航速。本頁也設(shè)置了航線變化圖表繪制功能，它能將漁船歷史位置繪制成航線變化圖，從而給駕駛者提供直觀的航線波動變化對比，以方便駕駛者對漁船的航行進行修正。

圖9 參數(shù)顯示界面Fig.9 Parameter display interface

2.3 漁船故障的報警提示

另外系統(tǒng)中還加入了漁船歷史故障報警記錄模塊、當(dāng)前故障報警記錄模塊和歷史故障報警次數(shù)記錄模塊等三個漁船航行報警功能模塊。當(dāng)漁船偏離航線或產(chǎn)生了故障之后相應(yīng)的傳感器會將信息傳到PLC，并顯示在觸摸屏上，并記錄在案，如圖10和圖11所示。同時故障發(fā)生的次數(shù)也將被觸摸屏所記錄，供駕駛者在回港之時及時對故障率高的模塊進行修復(fù)。

圖10 報警記錄畫面Fig.10 Alarm record screen

圖11 報警子頁面Fig.11 Alarm subpage

3 漁船航行穩(wěn)定性測試

3.1 PLC控制程序及通訊協(xié)議設(shè)置

本次試驗控制中采用 FX2 N-485D通訊板為PLC與變頻器的通訊模塊，采用標(biāo)準的Modbus通訊協(xié)議保證PLC與變頻器正常通訊，其接線圖如圖12所示，PLC通訊協(xié)議及正轉(zhuǎn)控制程序如圖13所示[5]。

圖12 PLC、變頻器系統(tǒng)接線圖Fig.12 The wiring diagram of PLC,frequency converter system

圖13 PLC、變頻器通訊協(xié)議設(shè)置及正傳控制指令Fig.13 Communication protocol settings and forward control commands of PLC and frequency converter

3.2 變頻器PID控制設(shè)置

變頻器PID調(diào)控模式接線如圖14所示。試驗所用電動機為6極對數(shù)三相異步電動機，其額定轉(zhuǎn)速為480 r/min，檢測轉(zhuǎn)換裝置為光碼盤及信號轉(zhuǎn)換電路，輸出信號為0～10 V，其具體對應(yīng)參數(shù)見表1，變頻器參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 對應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)光碼盤及信號轉(zhuǎn)換電路輸出信號表Tab.1 The output signal table of optical encoder and signal conversion circuit corresponding to number of revolutions

圖14 變頻器、三相異步電動機接線圖Fig.14 The wiring diagram of frequency converter and three-phase asynchronous motor

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置表Tab.2 The parameter setting table of frequency converter

表3 三相異步電動機轉(zhuǎn)數(shù)測試數(shù)據(jù)記錄表Tab.3 The data record table of three-phase asynchronous motor revolution test

3.3 三相異步電動機測速記錄

參數(shù)設(shè)置完畢閉合變頻器RH開關(guān)，PLC發(fā)送正轉(zhuǎn)指令，變頻器以PID模式控制電機運轉(zhuǎn)，記錄電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速于表3。

由表3可知實際轉(zhuǎn)速與期望的轉(zhuǎn)速誤差范圍在±5%之內(nèi)，符合控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，保證了漁船海上航行的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)分析

本文基于漁船自動化的需求，完成了動力系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，最后進行了相關(guān)試驗，試驗結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)人工操舵、調(diào)速控制船只航行，本次設(shè)計中所設(shè)計的動力系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)合實現(xiàn)了漁船沿航線穩(wěn)定自動定速巡航的功能，解決了漁船沿航線自動轉(zhuǎn)向航行以及在復(fù)雜海域中定速巡航的技術(shù)難題。同時本次設(shè)計中采用的變頻器PID控制模式下的異步電機動力模塊，使得整體船只結(jié)構(gòu)相對簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠，成本較低，符合小型漁船的設(shè)計要求。但是由于三相異步電機存在轉(zhuǎn)數(shù)差，導(dǎo)致其調(diào)速性能較差，所以在一些要求較寬廣和平滑調(diào)速范圍的船只上不太適用。

另外漁船自動化、智能化是漁船技術(shù)革新的嶄新課題，還有大量的工作要做，所以后續(xù)的工作應(yīng)以漁船整體智能控制技術(shù)開發(fā)等相關(guān)問題為重心展開研究。