船舶電纜自動(dòng)化敷設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱小輝

(渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

自動(dòng)化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)重要的組成部分，也是目前設(shè)備制造領(lǐng)域研究與應(yīng)用最活躍的技術(shù)之一。我國(guó)作為全球第一大自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用市場(chǎng)，自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展前景非常樂(lè)觀(guān)，但自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用研究還缺乏一定的創(chuàng)新，在造船行業(yè)中更是如此。

在船舶電纜敷設(shè)過(guò)程中，作業(yè)環(huán)境狹窄、電纜橋架分布復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程利用人工拉拽，將電纜按預(yù)定路徑敷設(shè)，不僅會(huì)產(chǎn)生巨額的人工成本，而且在安全問(wèn)題上存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)。隨著勞動(dòng)力成本的增加，安全風(fēng)險(xiǎn)要求日趨提高，在造船行業(yè)中應(yīng)用船舶電纜自動(dòng)化敷設(shè)系統(tǒng)成為一種需求。

1 系統(tǒng)組成

船舶電纜自動(dòng)化[1]敷設(shè)系統(tǒng)由控制單元和執(zhí)行單元組成，采用PROFINET總線(xiàn)完成控制單元與執(zhí)行單元之間的連接，如圖1所示。執(zhí)行單元安裝至待放電纜的托架上，通過(guò)控制單元協(xié)調(diào)所有在線(xiàn)執(zhí)行單元運(yùn)動(dòng)，使待敷設(shè)電纜不斷向預(yù)定路徑輸送。自動(dòng)化敷設(shè)系統(tǒng)可多機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，最多可達(dá)36臺(tái)。

圖1 電纜自動(dòng)化敷設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 控制單元

控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用模糊控制。模糊控制是近來(lái)發(fā)展最快的一項(xiàng)控制技術(shù)，已成功應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。因?yàn)橐肴祟?lèi)的邏輯思維方式，模糊控制器具有一定的自適應(yīng)控制能力和較強(qiáng)的魯棒性，特別適用于難以用精確數(shù)字模型表示的實(shí)際系統(tǒng)[2]?？刂茊卧饕晌鏖T(mén)子觸摸屏、控制單元板卡、電池和充電裝置等元件組成。觸摸屏顯示所有執(zhí)行單元的狀態(tài)，按照人工指令，控制所有執(zhí)行單元的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)可設(shè)置執(zhí)行單元所有機(jī)械手臂的運(yùn)行速度和行程。控制單元板卡是控制單元的中樞，負(fù)責(zé)接受并計(jì)算觸摸屏的指令，并通過(guò)PROFINET總線(xiàn)傳送至執(zhí)行單元，同時(shí)接受執(zhí)行單元反饋的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，發(fā)送至觸摸屏。電池和充電裝置為觸摸屏和控制板卡提供不間斷電源，具有重量輕、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)理論負(fù)荷計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，可保障系統(tǒng)不間斷供電10 h以上。電源開(kāi)關(guān)采用ON、OFF兩擋旋鈕開(kāi)關(guān)，作為系統(tǒng)整體供電的通斷開(kāi)關(guān)，為避免熱插拔PROFINET總線(xiàn)對(duì)電路造成的電力沖擊，在需要插拔航空插頭時(shí)通斷開(kāi)關(guān)旋向OFF，接通完畢旋向ON。在有機(jī)器人處于電機(jī)故障時(shí)，蜂鳴器發(fā)生閃爍并蜂鳴。電量顯示計(jì)顯示當(dāng)前電池剩余電量。

1.2 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元的主體是機(jī)械手，由交流伺服電機(jī)、執(zhí)行單元板卡、位置傳感器等部件組成[3]。交流伺服電機(jī)是系統(tǒng)的動(dòng)力單元，其特點(diǎn)是體積小、控制精度高、反應(yīng)速度快，其作用是負(fù)責(zé)機(jī)械手臂的行程運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行單元板卡是執(zhí)行單元的中樞，主要作用是接收并處理控制單元的指令信息，通過(guò)指令控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的行程運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接收位置傳感器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的位置行程控制。位置傳感器作為交流伺服電機(jī)的限位開(kāi)關(guān)，主要是保障交流伺服電機(jī)的行程安全，同時(shí)為控制板卡提供機(jī)械手臂位置信號(hào)，提供聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)的位置反饋。工作燈和風(fēng)扇為系統(tǒng)工作提供輔助保障，工作燈可為系統(tǒng)在黑暗環(huán)境中提供照明，風(fēng)扇可為系統(tǒng)降溫，保障系統(tǒng)安全。

2 系統(tǒng)接口

系統(tǒng)秉承模塊化設(shè)計(jì)和模塊化裝配原則，各部件可獨(dú)立更換和升級(jí)。內(nèi)部采用可自潤(rùn)滑滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)精密、傳動(dòng)效率高、力量大、體積小等特點(diǎn)；整機(jī)采用非承載式機(jī)身，剛性支架采用鋁鎂合金，具有堅(jiān)固耐用、重量輕等特點(diǎn)；所有零部件均采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(Computerized Numerical Control，CNC)加工，具有精度高、誤差小等特點(diǎn)；外殼采用合金鋼板一次折彎成型，在惡劣工況下發(fā)生意外撞擊時(shí)可有效保護(hù)內(nèi)部元器件；整機(jī)設(shè)計(jì)裝配可達(dá)到IP56級(jí)防護(hù)等級(jí)。

控制單元采用3芯航空連接件，實(shí)現(xiàn)控制單元及所有執(zhí)行單元的供電；采用4芯航空插頭實(shí)現(xiàn)執(zhí)行單元間的通信?？刂茊卧?個(gè)外部接口，頂端有1個(gè)10芯航空插頭和1個(gè)16芯航空插頭，用于連接工作模塊；頂端另有1個(gè)3芯航空插頭，用于電源接線(xiàn)；左右兩側(cè)各有1個(gè)電源接口和1個(gè)信號(hào)接口，電源接口采用3芯航空插頭，信號(hào)接口采用4芯航空插頭。所有接口不同種類(lèi)之間采用不同規(guī)格航空插頭，可避免錯(cuò)接造成的設(shè)備損壞。

執(zhí)行單元有2個(gè)外部接口，包括1個(gè)10芯航空插頭和1個(gè)16芯航空插頭，用于連接控制單元。

3 系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)行程算法

系統(tǒng)行程采用比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)算法[4]，其基本原理的數(shù)學(xué)形式為

(1)

式中：u(t)為輸出量；Kp為比例系數(shù)；e(t)為偏差量；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間；u0為控制常量。

在控制數(shù)學(xué)算法中，為節(jié)省存儲(chǔ)空間，降低計(jì)算復(fù)雜度，利用差分方程，將PID的位置式算法改造成增量式算法，遞推原理的數(shù)學(xué)形式為

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：k為采樣序號(hào)，k=0,1,2,…；T為采樣周期；uk、uk-1分別為第k次、第k-1次采樣輸出量；ej為積分的離散量；ek、ek-1、ek-2分別為第k次、第k-1次、第k-2次采樣偏差量。

式(2)減式(3)可得增量Δuk，即

(4)

位置傳感器用于控制器在計(jì)算電纜敷設(shè)長(zhǎng)度時(shí)返回相對(duì)于零點(diǎn)的偏差信號(hào)，可確保系統(tǒng)執(zhí)行單元在任意時(shí)刻都在傳感器的有效行程范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，自動(dòng)化電纜敷設(shè)的有效行程即為傳感器的中間距離累加，偏差信號(hào)即為相對(duì)傳感器中心點(diǎn)的偏差距離。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的精度和可靠性，在進(jìn)行數(shù)字計(jì)算時(shí)，單個(gè)行程采用2個(gè)傳感器，作為計(jì)算數(shù)據(jù)偏差參考。

3.2 系統(tǒng)硬軟件

采用西門(mén)子SIMATIC S7-1200作為控制單元控制器，具體選型為CPU 1212C。該控制器設(shè)計(jì)緊湊、成本低廉且功能強(qiáng)大，集成電源和各種板載輸入與輸出電路，CPU監(jiān)視輸入并根據(jù)用戶(hù)程序邏輯更改輸出，用戶(hù)程序邏輯包含布爾邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算等。觸摸屏選用SIMATIC精智面板9英寸(1英寸=0.025 4 m)顯示屏，具體選型為T(mén)P900 Comfort。該顯示屏是高端的人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)設(shè)備，適用于PROFINET環(huán)境，與控制器實(shí)現(xiàn)PROFINET總線(xiàn)通信，可與控制器CPU 1212C映射在同一個(gè)TIA博途門(mén)戶(hù)框架下，減少工程量設(shè)計(jì)。

使用西門(mén)子TIA Portal V15平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)和程序塊設(shè)計(jì)，充分利用TIA博途集成自動(dòng)化軟件高效便捷的特點(diǎn)。編程語(yǔ)言采用適用于一般工程技術(shù)的梯形圖(Ladder Diagram，LD)語(yǔ)言，采用HMI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和功能操作?？紤]到可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)在實(shí)現(xiàn)PID控制算法時(shí)，程序篇幅較長(zhǎng)，因此使用函數(shù)塊完成功能實(shí)現(xiàn)。自由循環(huán)組織塊調(diào)用的函數(shù)塊包括：手/自動(dòng)操作功能函數(shù)塊；本地/遠(yuǎn)程切換功能函數(shù)塊；伺服電機(jī)精度控制功能函數(shù)塊、位置傳感器信號(hào)處理函數(shù)塊等。單序列結(jié)構(gòu)順序功能如圖2所示。

圖2 單序列結(jié)構(gòu)順序功能

3.3 人機(jī)界面

人機(jī)界面[5]由控制單元的觸摸屏實(shí)現(xiàn)，可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類(lèi)型的各種特殊要求，具有良好的存儲(chǔ)空間、處理性能和數(shù)據(jù)連通性，不僅將可視化和微型計(jì)算機(jī)集成在一個(gè)單元中，而且支持客戶(hù)端分布式監(jiān)控。操作者可通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制與設(shè)置，各觸摸按鍵及顯示功能簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便。人機(jī)界面主要包括歡迎界面、控制界面和設(shè)置界面等。

歡迎界面由中英文切換按鈕和點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕組成。

控制界面由啟動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕和設(shè)置按鈕等組成。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕將顯示所有聯(lián)動(dòng)執(zhí)行單元的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)PROFINET總線(xiàn)連線(xiàn)的執(zhí)行單元均同步聯(lián)動(dòng)，偶數(shù)次點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕停止執(zhí)行單元聯(lián)動(dòng)。復(fù)位按鈕和設(shè)置按鈕在系統(tǒng)停機(jī)狀態(tài)下完成設(shè)置。點(diǎn)擊復(fù)位按鈕，所有執(zhí)行單元處于重啟狀態(tài)，只有在點(diǎn)擊執(zhí)行單元的啟動(dòng)按鈕后，執(zhí)行單元才會(huì)同步聯(lián)動(dòng)。點(diǎn)擊設(shè)置按鈕進(jìn)入設(shè)置界面。

設(shè)置界面由設(shè)置菜單和信號(hào)反饋等組成。設(shè)置菜單包括參數(shù)設(shè)置和快捷鍵設(shè)置。參數(shù)設(shè)置方法是通過(guò)控制單元模塊編號(hào)選擇需要設(shè)置的執(zhí)行單元編號(hào)，在選擇ALL時(shí)所有執(zhí)行單元均參與設(shè)置，通過(guò)命令選擇項(xiàng)選擇需要設(shè)置的命令值，完成設(shè)置?？旖萱I設(shè)置由同向運(yùn)動(dòng)銨鈕和開(kāi)燈銨鈕組成。同向運(yùn)動(dòng)表示所有執(zhí)行單元同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)拉線(xiàn)，同時(shí)返回。偶數(shù)次點(diǎn)擊同向運(yùn)動(dòng)按鈕，所有奇數(shù)編號(hào)的執(zhí)行單元延時(shí)50%運(yùn)行，即在偶數(shù)編號(hào)的執(zhí)行單元拉線(xiàn)時(shí)，奇數(shù)編號(hào)的執(zhí)行單元返回，反之亦然，可降低執(zhí)行單元的疲勞度，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用年限。開(kāi)燈按鈕開(kāi)關(guān)所有照明燈，保障系統(tǒng)在光線(xiàn)不足的環(huán)境中可正常工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶電纜自動(dòng)化敷設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可完成狹窄工況下的電纜輸送任務(wù)。該系統(tǒng)的工作原理具有可行的理論計(jì)算數(shù)據(jù)作為支撐，通過(guò)在風(fēng)電安裝平臺(tái)上的運(yùn)用實(shí)踐，充分證明其具有良好的人機(jī)交互功能和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)的計(jì)算方法可進(jìn)一步延伸至船舶管線(xiàn)安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。