伺服排纜系統(tǒng)在變徑纜絞車中的應(yīng)用

秦 利，聶 杰，翟慶光，康岳偉

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

絞車在海洋開發(fā)領(lǐng)域?qū)儆诖眉装鍣C械，是海洋調(diào)查、科考、測量中的重要工具，主要用于探測設(shè)備的收放、拖曳等。絞車的排纜系統(tǒng)是保證絞車正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，在絞車工作過程中起著非常重要的作用。良好的排纜系統(tǒng)能夠使纜繩整齊密實地纏繞在儲纜滾筒之上，從而避免了纏繞過程中纜繩亂卷、互相擠壓等現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證絞車能夠順利地進行收放纜和儲纜工作。

目前，國內(nèi)外海洋絞車主要以鋼纜和鎧裝纜為主，均為單一纜徑的圓纜，針對單一纜徑的排纜技術(shù)較為成熟，應(yīng)用也比較廣泛。常見的排纜系統(tǒng)主要有基于雙向絲杠的機械排纜系統(tǒng)、基于比例閥換向閥的液壓排纜系統(tǒng)和基于電機的電動排纜系統(tǒng)[1]。隨著海洋科學(xué)的發(fā)展與科技的進步，各種探測設(shè)備不斷涌現(xiàn)，各種復(fù)合纜、變徑纜、變截面纜等組合纜絞車也隨即而生[2]，針對變徑纜排纜系統(tǒng)的研究也逐步增多，但基本處于模擬和樣機階段，實際裝船應(yīng)用的設(shè)備并不多見。變徑纜的特點是纜繩由兩種或兩種以上的不同類型纜繩組成。比如毛發(fā)纜和流線纜屬于變纜徑變截面組合纜，各部分纜徑和截面均不同；拖曳線列陣纜也是一種變徑纜，主要由拖曳纜、線列陣纜和尾纜等組成，線列陣纜外徑遠大于拖曳纜和尾纜[3-4]。不同的纜經(jīng)對排纜系統(tǒng)的要求不同，纜徑的改變會引起纜繩在筒上排列間隙變化，造成排列松散、壓纜、嵌纜等現(xiàn)象[5]。因此，常規(guī)的排纜系統(tǒng)不能滿足變徑纜的排纜要求。

本文根據(jù)變徑纜的特點，研究設(shè)計了一套伺服排纜系統(tǒng)，其導(dǎo)纜機構(gòu)能夠準確快速地跟隨儲纜滾筒的轉(zhuǎn)動往復(fù)移動，并根據(jù)絞車收放纜的狀態(tài)自動換向，通過改變導(dǎo)纜機構(gòu)的步長實時實現(xiàn)變徑，保證了變徑纜在儲纜滾筒上整齊有序排列。該系統(tǒng)可大大降低排纜故障率、節(jié)省操作時間、提高工作效率，適合在變徑纜絞車中推廣應(yīng)用。

1 伺服排纜系統(tǒng)組成與基本原理

伺服排纜系統(tǒng)主要由機械組件和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機械組件主要包括兩條平行的光杠、滾珠絲杠、導(dǎo)纜機構(gòu)、伺服電機、減速機、齒輪等，如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)主要包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、人機界面（Human Machine Interface，HMI）、傳感器和伺服驅(qū)動器等。

圖1 伺服排纜系統(tǒng)示意圖

伺服排纜系統(tǒng)的基本原理是儲纜滾筒轉(zhuǎn)動一周，導(dǎo)纜機構(gòu)帶動纜繩沿著儲纜滾筒軸線方向移動一個纜徑大小的位移[4]。具體可以歸結(jié)為以下幾個要點：①位移上的精確跟隨，即導(dǎo)纜機構(gòu)與儲纜滾筒轉(zhuǎn)動保持量的同步，儲纜滾筒轉(zhuǎn)動一周，導(dǎo)纜機構(gòu)移動一個纜徑大小的位移；②導(dǎo)纜機構(gòu)與儲纜滾筒轉(zhuǎn)動的同向性，當(dāng)儲纜滾筒放纜時導(dǎo)纜機構(gòu)沿著纜繩圈數(shù)減少的方向行進，當(dāng)儲纜滾筒收纜時，導(dǎo)纜機構(gòu)沿著纜繩圈數(shù)增加的方向行進；③纜繩到達儲纜滾筒兩側(cè)板時，導(dǎo)纜機構(gòu)能夠自動換向；④相對于變徑纜，導(dǎo)纜機構(gòu)需根據(jù)纜繩直徑的變化調(diào)整行走的位移量，以保證排纜整齊。

2 伺服排纜系統(tǒng)實施方法

本文選取西門子PLC 和HMI 作為主控單元，控制導(dǎo)纜機構(gòu)做有規(guī)律的往復(fù)運動，從而使得纜繩整齊有序地排列在儲纜滾筒上，PLC 采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，對于艦船這些電磁兼容性要求很高的設(shè)備更是理想的控制器件[6]。圖2 為控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 控制方框圖

2.1 導(dǎo)纜機構(gòu)對儲纜滾筒精確跟隨的實現(xiàn)

不同的跟隨方式會對最終的排纜效果產(chǎn)生直接的影響。行業(yè)內(nèi)的研究者們之前也進行了研究探索，有的采用模糊控制方式，有的采用比例-積分-微分控制（Proportional-Integral-Derivative Control，PID）方式，其共同點是排纜機構(gòu)是連續(xù)行走的[7-8]。本文采用離散的跟隨方式，離散跟隨即儲纜滾筒轉(zhuǎn)動1 周，排纜機構(gòu)沿著光杠行進一個纜徑的位移，這個位移不是連續(xù)完成的，而是把這個位移分N步，N為大于等于1 的整數(shù)。本文中N為儲纜滾筒上齒輪的齒數(shù)（圖1）。當(dāng)儲纜滾筒轉(zhuǎn)動時，齒輪與轉(zhuǎn)動傳感器發(fā)生感應(yīng)，從而產(chǎn)生一個沿脈沖，儲纜滾筒轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生N個脈沖。PLC 接收到一個沿脈沖后控制導(dǎo)纜機構(gòu)移動一個步長，從而實現(xiàn)精確地跟隨。

2.2 導(dǎo)纜機構(gòu)與儲纜滾筒同向性的實現(xiàn)

絞車從收纜狀態(tài)切換到放纜狀態(tài)或從放纜狀態(tài)切換到收纜狀態(tài)的同時，導(dǎo)纜機構(gòu)需要同時改變行走方向。儲纜滾筒驅(qū)動系統(tǒng)在儲纜滾筒放纜時輸出信號C 為高電壓，信號D 為低電壓；反之，儲纜滾筒收纜時信號C 為低電壓，信號D 為高電壓。PLC通過判斷C、D 信號的電平變化來判斷儲纜滾筒收放狀態(tài)的改變，若狀態(tài)發(fā)生變化，則通過程序改變導(dǎo)纜機構(gòu)的行進方向，從而保證導(dǎo)纜機構(gòu)與儲纜滾筒的同向性。

同向性還體現(xiàn)在重新上電后導(dǎo)纜機構(gòu)需要恢復(fù)到斷電前的行進方向，否則重新上電后可能發(fā)生導(dǎo)纜機構(gòu)行進方向錯誤。如斷電前放纜狀態(tài)時導(dǎo)纜機構(gòu)向右行走，那么重新上電后放纜時導(dǎo)纜機構(gòu)還應(yīng)向右行走，如果不恢復(fù)其斷電前的狀態(tài)，PLC 上電初始化后導(dǎo)纜機構(gòu)可能會向左行走，絞車就不能正常排纜。本文通過編程將控制導(dǎo)纜機構(gòu)方向相關(guān)的參數(shù)存儲在PLC 保持性存儲器中，當(dāng)再次上電后，PLC自動恢復(fù)這些參數(shù)即可恢復(fù)斷電前的排纜狀態(tài)。

2.3 導(dǎo)纜機構(gòu)在兩側(cè)板換向時的延時補償機制

大部分絞車纜繩在儲纜滾筒上需要進行多層纏繞，這就要求導(dǎo)纜機構(gòu)運動到儲纜滾筒兩側(cè)板位置能夠自動換向進行下一層纜繩的排纜。而這也是實際使用過程中，排纜不齊現(xiàn)象多發(fā)生在儲纜滾筒兩側(cè)板位置的主要原因[9]。目前大部分絞車導(dǎo)纜機構(gòu)在儲纜滾筒兩端處與左右換向傳感器感應(yīng)而立即換向，導(dǎo)致纜繩在儲纜滾筒兩側(cè)板未能完整地卷繞一周，導(dǎo)纜機構(gòu)就已經(jīng)換向遠離側(cè)板，造成了纜繩與擋板之間產(chǎn)生較大間隙，在后面的纏繞中這個間隙逐步被放大，最終導(dǎo)致出現(xiàn)亂繩。

本文為了克服這一影響因素，在導(dǎo)纜機構(gòu)兩端換向時加入了延時補償機制。延時時間與儲纜滾筒的轉(zhuǎn)速相關(guān)，儲纜滾筒轉(zhuǎn)速快時需要的延時時間短，轉(zhuǎn)速慢時需要的延時時間長，兩者成一定的反比關(guān)系，而與轉(zhuǎn)動測量傳感器輸出脈沖的間隔時間成正比。設(shè)延時時間為t1，脈沖間隔時間為t2，則有公式（1）存在，t2可通過PLC 的脈沖捕捉功能和定時器獲得，t1可以在試驗中測量得到，從而可計算得到補償系數(shù)K。K可以通過HMI 進行微調(diào)。延時補償機制可以明顯減少兩端排纜不齊的發(fā)生概率。

2.4 自動變徑檢測與實現(xiàn)

變徑信號的獲取也是變徑纜絞車排纜的關(guān)鍵技術(shù)，若PLC 不能自動獲取變徑信號以實時改變導(dǎo)纜機構(gòu)的步長，則需要操作人員手動更改，不利于絞車自動化排纜的實現(xiàn)。本系統(tǒng)創(chuàng)造性地在兩種纜徑過渡連接件中埋入磁環(huán)，采用霍爾傳感器進行直接感應(yīng)，并通過限位輥對纜繩的跳動加以限制，以保證纜繩的上下跳動在霍爾傳感器的測量范圍之內(nèi)。當(dāng)纜繩過渡連接件通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器會產(chǎn)生一個脈沖信號，PLC 檢測到沿脈沖信號之后進入中斷程序，結(jié)合收放纜狀態(tài)改變導(dǎo)纜機構(gòu)的步長，從而實現(xiàn)自動變徑。實現(xiàn)變徑纜排纜的本質(zhì)原理是發(fā)生變徑時改變導(dǎo)纜機構(gòu)每步的步長。

3 PLC 與HMI 的組態(tài)與編程

PLC 與HMI 的組態(tài)與編程使用的是TIA 博途軟件的STEP7 V13，STEP7 V13 是SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分，用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATICS7、M7、C7 和基于個人計算機（Personal Computer，PC）的WinAC 的編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，支持S7-1200、S7-1500、S7-300、S7-400 等系列PLC[10]。在硬件組態(tài)、軟件編程、在線診斷和運行等方面的功能非常強大。該PLC 還設(shè)有安全數(shù)碼卡（Secure Digital Memory Card，SD）卡槽，可以將SD作為程序傳送卡，可在技術(shù)人員不在現(xiàn)場的情況下進行程序修改，節(jié)省維護成本。

3.1 PLC 運動軸的組態(tài)

PLC 專門的工藝對象可方便地對軸進行組態(tài)，從而實現(xiàn)對伺服電機的完美控制。本文首先對硬件接口進行組態(tài)，根據(jù)需要選擇第一組脈沖發(fā)生器（即輸出口Q0.0 和Q0.1）控制伺服驅(qū)動器，脈沖控制方式選擇脈沖A 和方向B，如圖3 所示。然后對機械參數(shù)進行組態(tài)，這需要確定電機轉(zhuǎn)動一周絲杠的位移和電機每轉(zhuǎn)所需PLC 發(fā)出的脈沖數(shù)，以及電子齒輪比。設(shè)絲杠導(dǎo)程為p，減速機減速比為i，則電機每轉(zhuǎn)絲杠移動的位移為p/i，本文p= 10 mm，i=10，因此電機每轉(zhuǎn)絲杠位移為1 mm，要求絲杠分辨率為1 μm，則絲杠移動1 mm 需PLC 發(fā)送的脈沖數(shù)n=1 mm/1 μm=1 000。伺服電機額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，即為30 r/s，因此，絲杠每秒的位移為30 mm，PLC 脈沖頻率為30 kHz，小于所選PLC 的最大脈沖輸出頻率100 kHz，組態(tài)如圖4 所示。

圖3 運動軸硬件接口組態(tài)

圖4 機械參數(shù)組態(tài)

最后對速度和加速度進行計算和組態(tài)。在確定排纜器行走速度和加減速度時，應(yīng)考慮儲纜滾筒達到最大轉(zhuǎn)速時，排纜器的速度能夠?qū)崟r跟隨，同時還要考慮伺服電機頻繁地啟動、停止、換向等操作對傳動機構(gòu)的沖擊。如果速度過低，則排纜器速度跟不上儲纜滾筒轉(zhuǎn)速；速度過高，則會產(chǎn)生失步或超程，對減速機和絲杠等造成沖擊，縮短機械部件使用壽命，因此必須設(shè)置合適的速度和加速度。相同步數(shù)條件下，排列粗纜時，導(dǎo)纜機構(gòu)每步需要行走的位移比排列細纜時大，因此需要根據(jù)粗纜的直徑確定速度和加速度。

設(shè)絞車最外層直徑為Dmax；粗纜直徑為d2；步數(shù)（即儲纜滾筒齒輪齒數(shù)）為N；收放纜最大線速度為Vmax；設(shè)絲杠每步所需的時間為T，則

根據(jù)實際數(shù)據(jù)，計算得到：T≤0.25 s。

設(shè)絲杠每步所走的距離為S，則

根據(jù)實際數(shù)據(jù)，計算得到：S=4 mm。

伺服電機額定轉(zhuǎn)速為n；絲杠導(dǎo)程為p；減速機減速比為i；則絲杠的最大速度V1max如下。

根據(jù)實際數(shù)據(jù)，計算得到：V1max=30 mm/s。

預(yù)設(shè)速度曲線圖如圖5 所示，設(shè)定絲杠初始速度為V0，加速度與減速度相同，都設(shè)為a，則有下式成立。

圖5 預(yù)設(shè)速度曲線

式（5）中t=T/2 ≤0.125 s，V0=0，S=4 mm，計算得加速度a≥256 mm2。當(dāng)a= 256 mm2時，V=a×t=30.72 mm/s ＞V1max，因此，實際的速度曲線圖如圖6 所示。

根據(jù)圖6 的曲線得出式（6）至式（8）。

圖6 實際速度曲線

根據(jù)式（7）和式（8）計算得到t1≤0.116 6 s，a≥257.3 mm2，t1越小，則加速度a越大，慣量越大，對減速機和絲杠等造成的沖擊越大，因此取a=258 mm2，最終根據(jù)最大速度V1max和加速度a對軸進行組態(tài)如圖7 所示。

圖7 速度與加速度組態(tài)

通過對運動軸的組態(tài)，實現(xiàn)了PLC 對絲杠運動精度，運動速度及加速度的控制，實現(xiàn)了絲杠對儲纜滾筒精確地跟隨，從而保證了排纜系統(tǒng)運行的實時性和平穩(wěn)性。

3.2 PLC 軟件編程

PLC 程序主要包括參數(shù)初始化子程序、手動排纜子程序、自動排纜子程序、信號和參數(shù)采集子程序、報警子程序、中斷程序等。中斷程序中有儲纜滾筒轉(zhuǎn)動脈沖檢測子程序和變徑處理子程序。圖8為部分程序控制流程圖。

圖8 自動排纜簡要流程圖

3.3 HMI 組態(tài)與編程

HMI 主要用來控制設(shè)備、顯示設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)并輸入相關(guān)控制參數(shù)，從而保證系統(tǒng)正常工作并提高系統(tǒng)智能化與操控的靈活性。HMI 通過PROFINET 接口與PLC 進行數(shù)據(jù)通信。HMI 主要組態(tài)了控制界面、參數(shù)顯示與設(shè)置界面、系統(tǒng)狀態(tài)界面和報警界面?？刂平缑婵梢郧袚Q自動收放模式和手動收放模式，并設(shè)定自動收放纜速度。還可以選擇自動排纜模式和手動排纜模式；參數(shù)顯示與設(shè)置界面主要顯示實時收放長度、瞬時速度、實時轉(zhuǎn)速、粗纜和細纜分界點長度?？梢栽O(shè)置纜徑，延時補償系數(shù)K和放纜長度等參數(shù)；系統(tǒng)狀態(tài)界面包括收放纜指示、排纜方向指示、報警記錄、本次運行時間和累計運行時間；報警界面設(shè)置了左右限位報警、放纜到位報警、收纜到位報警、伺服系統(tǒng)報警等。纜徑的設(shè)定包括粗纜纜徑的設(shè)定和細纜纜徑的設(shè)定，在初始化時系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定纜徑進行排纜，若是在實際收放或者拖曳過程中，由于張力的變化纜徑發(fā)生微小的變化時，可以通過HMI 方便地更改纜徑值，保證導(dǎo)纜機構(gòu)與卷筒轉(zhuǎn)動的同步性，這也是伺服排纜系統(tǒng)相比于其他方式排纜系統(tǒng)的突出優(yōu)勢所在。

4 海上試驗

基于伺服排纜系統(tǒng)的變徑纜絞車在實驗工廠調(diào)試完成后，在南海進行了海上試驗。試驗纜繩由兩部分組成，一部分為細纜，標(biāo)稱纜徑26 mm，長度900 m；一部分為粗纜，標(biāo)稱纜徑40 mm，長度400 m，纜繩過渡連接件處埋入磁環(huán)，纜繩在儲纜滾筒上整齊排列共計10 層。試驗海況3 級，母船航速分別為6 kn、10 kn、14 kn，纜繩收放長度設(shè)定為1 200 m。在每個航速段分別對絞車進行了不同速度的收放試驗，并做了相應(yīng)記錄。試驗中，放纜過程絞車運行穩(wěn)定，只需對纜徑進行微調(diào)，航速為10 kn 時，將細纜直徑由26 mm 調(diào)整到25.9 mm，比標(biāo)稱纜徑小0.1 mm，粗纜直徑為39.8 mm，比標(biāo)稱纜徑小0.2 mm；航速為14 kn 時，將細纜直徑由26 mm 調(diào)整到25.6 mm，比標(biāo)稱纜徑小0.4 mm，粗纜直徑為39.4 mm，比標(biāo)稱纜徑小0.6mm；纜徑微調(diào)后導(dǎo)纜機構(gòu)與卷筒可以準確跟隨，在放纜完成后改為收纜時，無需對導(dǎo)纜機構(gòu)位置進行調(diào)整。圖9為航速為10 kn，絞車卷筒轉(zhuǎn)速為12 r/min 時，絞車參數(shù)實例。表1、表2 和表3 分別對母船航速為6 kn、10 kn、14 kn 時絞車的收纜狀態(tài)進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計，表4 為不加入延時補償系數(shù)K的對比試驗數(shù)據(jù)。

表3 母船航速為14 kn 時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表4 母船航速為14 kn 未引入延時系數(shù)時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖9 絞車工作參數(shù)值實例

表1 母船航速為6 kn 時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表2 母船航速為10 kn 時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過海上試驗可以得出以下結(jié)論：①伺服排纜系統(tǒng)在變徑纜絞車工作時，在不同的母船航速和收放纜速度范圍內(nèi)，基本上可保證纜繩整齊緊密地纏繞，整個排纜過程中操作員干預(yù)較少，達到了預(yù)計的效果；②在母船航速和收纜速度較快時，即纜繩拉力較大時，纜徑會有所變化，而本系統(tǒng)可以方便地修改纜徑來保證排纜的密實整齊；③本系統(tǒng)利用霍爾傳感器檢測和識別纜徑分界點的方法是較為準確的；④加入延時補償機制可以降低兩端排纜不齊的發(fā)生概率。

5 結(jié) 論

本文提出了一套針對變徑纜絞車的伺服排纜系統(tǒng)，重點闡述了伺服排纜系統(tǒng)的原理和實施方法，PLC 和HMI 的組態(tài)編程，并進行了海上試驗。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)控制靈活且排纜整齊。在工作時，導(dǎo)纜機構(gòu)可以自動獲取變徑信號，并相應(yīng)地改變步長，在使用不同纜繩時，導(dǎo)纜機構(gòu)與儲纜滾筒仍能精確同步，在纜繩直徑由于受力發(fā)生微小變化時，操作員可以方便地修正纜徑，從而改變導(dǎo)纜機構(gòu)的步長，使得排纜保持整齊；另外，操作人員可以設(shè)定延時補償系數(shù)，大大減少了纜繩在兩端換向時發(fā)生亂繩的次數(shù)。伺服排纜系統(tǒng)應(yīng)用在變徑纜絞車上達到了良好的排纜效果，可以在使用單一纜徑的絞車上和使用兩種以上纜徑的絞車上推廣應(yīng)用。