南極磷蝦捕撈加工船拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)設(shè)計

摘? ? 要：本文以某南極磷蝦捕撈加工船（以下簡稱“南極磷蝦船”）拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)為例，剖析了用于現(xiàn)代遠洋漁船的拖網(wǎng)絞車自動控制的基本原理、功能和人機對話界面，提出了拖網(wǎng)絞車自動控制的設(shè)計原理，為同類型拖網(wǎng)漁船的拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)設(shè)計奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：南極磷蝦捕撈加工船；拖網(wǎng)絞車；自動控制

中圖分類號：S972.7+31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Trawl Winch Control System Design and Research

of Krill Factory Trawler

WANG Yanpeng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited， Guangzhou 510725 ）

Abstract： Taking the design and application of the trawl winch control system of the Antarctic krill factory trawler as an example， this paper introduces in detail the basic control principle， function and human-computer conversation interface for the modern deep-sea fishing boats， proposes the design principle of the automatic control of the trawl winch and masters the auto-control skill in association with lifting & releasing fishing nets. All this would lay down the technical basis for the design of the trawl winch control system of the similar type of fishing boats.

Key words： Krill Factory Trawler;Trawl Winch; Auto-Control

1? ? ?前言

2012年，國家制訂和發(fā)布了發(fā)展海洋強國的戰(zhàn)略，我國遠洋漁業(yè)和遠洋漁船正式進入快速發(fā)展階段[1]。在南極磷蝦捕撈加工船建造方面，中船黃埔文沖船舶有限公司取得突破性進展，建造并交付了一艘專業(yè)南極磷蝦捕撈加工船。在此之前，國內(nèi)企業(yè)參與南極磷蝦等深遠捕撈的大型漁船，都是由進口國外二手拖網(wǎng)漁船改造而成，技術(shù)裝備落后。針對適應(yīng)南極磷蝦海洋環(huán)境、漁業(yè)管理、生物特性等的專業(yè)探測技術(shù)、連續(xù)式生態(tài)高效捕撈技術(shù)的相關(guān)研究，是從“十二五”才起步，除適用于傳統(tǒng)拖網(wǎng)作業(yè)的網(wǎng)具開發(fā)有所突破外，連續(xù)式吸蝦泵系統(tǒng)、全天候變水層連續(xù)捕撈、起放網(wǎng)協(xié)調(diào)自動控制技術(shù)等都沒有實現(xiàn)船載應(yīng)用，存在捕撈產(chǎn)量與加工能力不匹配，裝備集成化、自動化和專業(yè)化程度低，配套設(shè)備不齊全，可靠性差等問題，捕撈裝備系統(tǒng)技術(shù)差距明顯。

本文基于某南極磷蝦捕撈加工船的設(shè)計、建造和試驗，通過對南極磷蝦捕撈加工船的捕撈作業(yè)流程分析、拖網(wǎng)絞車控制原理、拖網(wǎng)絞車調(diào)速控制系統(tǒng)分析，提出可用于現(xiàn)代拖網(wǎng)遠洋漁船的拖網(wǎng)絞車自動控制的設(shè)計原理，以掌握起放網(wǎng)協(xié)調(diào)自動控制技術(shù)，提高拖網(wǎng)作業(yè)的協(xié)調(diào)性、可靠性和自動化水平，為構(gòu)建全天候變水層連續(xù)捕撈的現(xiàn)代漁業(yè)作業(yè)模式奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2? ? 捕撈作業(yè)流程分析

以某南極磷蝦捕撈加工船為例，該船集成雙舷泵吸式連續(xù)捕撈和艉滑道網(wǎng)板式傳統(tǒng)捕撈兩種漁法，具有效率高、可靠性高等特點。作業(yè)工序由下網(wǎng)、拖網(wǎng)和上網(wǎng)組成，當(dāng)使用雙舷泵吸式連續(xù)捕撈模式時，作業(yè)流程為放網(wǎng)→下泵→拖網(wǎng)→收泵→起網(wǎng)→卷網(wǎng)；當(dāng)使用艉滑道網(wǎng)板式傳統(tǒng)捕撈模式時，作業(yè)流程為放網(wǎng)→拖網(wǎng)→起網(wǎng)→起獲→（重復(fù)上一次）→卷網(wǎng)。因此，拖網(wǎng)作業(yè)是兩種漁法的核心，為變水層中層拖網(wǎng)作業(yè)。

該船的甲板面左、右舷各配置一臺拖網(wǎng)絞車。捕撈漁船慢速前進并將網(wǎng)具投入水中，通過網(wǎng)板或拖網(wǎng)橫桿連接到曳綱上，進行曳綱的零位標定；當(dāng)網(wǎng)具投入水中后，漁船進行拖網(wǎng)作業(yè)，船上可通過拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)曳綱長度、拖速來保持網(wǎng)具在不同水層位置；起網(wǎng)時，漁船慢速前進，通過拖網(wǎng)絞車收絞曳綱，將網(wǎng)板或拖網(wǎng)橫桿與曳綱分離后，繼續(xù)由卷網(wǎng)絞車收絞網(wǎng)具。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，對于捕撈南極磷蝦，曳綱放出的長度一般為水深的3～5倍，拖網(wǎng)速度一般為≤5 kn/h，此時網(wǎng)效最高，適合定速下拖網(wǎng)。

從作業(yè)流程上看，上網(wǎng)和下網(wǎng)需要根據(jù)不同的環(huán)境情況進行控制，因此實現(xiàn)自動化目前尚不具備條件也沒必要；而拖網(wǎng)過程主要在水下，肉眼無法觀測，但動作相對下網(wǎng)和上網(wǎng)比較規(guī)律，具備實現(xiàn)自動化控制的條件。

3? ? 拖網(wǎng)絞車控制基本原理

通過上述捕撈作業(yè)流程分析，拖網(wǎng)絞車的操作控制主要分三個階段：放網(wǎng)過程、拖網(wǎng)過程、收網(wǎng)過程。為實現(xiàn)自動化控制，重點考慮拖網(wǎng)作業(yè)。在拖網(wǎng)作業(yè)過程中，風(fēng)、浪、涌、船舶轉(zhuǎn)向變化以及障礙物等都可能引起拖網(wǎng)曳綱張力波動，對絞車的壽命具有較大的影響。另外，張力波動過大也會對捕撈裝置的位置、狀態(tài)等發(fā)生重大影響，比如網(wǎng)口擴張、網(wǎng)具變形等，從而影響網(wǎng)具的效能，因此拖網(wǎng)絞車配置張力自動控制系統(tǒng)。通過拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)PLC模塊，自動采集絞車油路壓力信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換成絞車曳綱或纜繩張力，動態(tài)張力與預(yù)設(shè)張力對比，通過比例積分、微分運算，輸出控制信號，調(diào)整溢流閥壓力，開始收放纜動作，保證動態(tài)張力與預(yù)設(shè)張力偏差較小，使曳綱或纜繩在一定長度變化范圍內(nèi)保持張力恒定；絞車配置編碼器，放纜長度通過編碼器來測量，編碼器信號通過PLC 中Profibus DP通訊傳輸數(shù)據(jù)，程序中經(jīng)過鋼絲直徑、層系數(shù)、圈數(shù)計算公式計算，在操作界面上可以轉(zhuǎn)換成放纜長度，作為張力控制的反饋信號。拖網(wǎng)絞車控制流程見圖1。

4? ? 拖網(wǎng)絞車調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1? 拖網(wǎng)絞車無級調(diào)速原理

在恒壓比例泵控液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)，拖網(wǎng)配置電磁換向閥，通過絞車控制手柄觸點控制電磁換向閥，實現(xiàn)遠程控制拖網(wǎng)絞車的動作；液壓泵站各液壓泵為恒壓比例變量泵，內(nèi)置比例閥以及比例放大板，通過絞車控制手柄推拉角度輸出信號給PLC模塊，PLC程序?qū)⑿盘栟D(zhuǎn)換為0～10 V模擬量提供給比例放大板，比例放大板驅(qū)動電磁閥控制電磁開度，調(diào)整主動力泵組的輸出流量，從而實現(xiàn)對絞車無級速度。無級調(diào)速原理圖，見圖2 [2]。

4.2? ?拖網(wǎng)絞車控制手柄選型

拖網(wǎng)絞車控制手柄一般有2種規(guī)格：一種是電位器型式，控制手柄輸出0～5 k電阻信號給PLC，通過PLC控制程序轉(zhuǎn)換為0～10 V信號輸出給比例放大板，進而驅(qū)動比例電磁閥；另一種為電流型式，控制手柄輸出4～20 mA信號給PLC，通過PLC控制程序轉(zhuǎn)換為0～10 V信號輸出給比例放大板，進而驅(qū)動比例電磁閥?？紤]電流型控制手柄在電源出現(xiàn)故障時，絞車控制手柄將無法正常使用，因此本船拖網(wǎng)絞車選用更為安全可靠的電位器式控制手柄。

4.3? 拖網(wǎng)絞車調(diào)速模式設(shè)計

實際捕撈作業(yè)過程中，拖網(wǎng)絞車使用工況復(fù)雜，不但包括放網(wǎng)、拖網(wǎng)、收網(wǎng)等，還需要考慮網(wǎng)具調(diào)遣等甲板作業(yè)。作業(yè)工況不同，速度需求不同，其相應(yīng)液壓流量需求也不同，故從操作安全和節(jié)能角度考慮，將拖網(wǎng)絞車速度設(shè)置為低速、中速、高速3檔，在絞車控制板設(shè)置3個速度調(diào)整按鍵，通過按鍵啟動相關(guān)主動力泵。

4.4? 拖網(wǎng)絞車操縱位置設(shè)計

在南極磷蝦船捕撈作業(yè)過程中，為了提高捕撈作業(yè)效率，確保捕撈作業(yè)操作過程中的安全性，在網(wǎng)具準備、放網(wǎng)、收網(wǎng)、拖網(wǎng)等作業(yè)過程中，拖網(wǎng)絞車需要在特定位置由人員進行操作。根據(jù)拖網(wǎng)絞車操縱位置，控制方式和控制功能也需要進行分別設(shè)置。

在網(wǎng)具準備、放網(wǎng)、收網(wǎng)、漁獲整理作業(yè)過程中，甲板作業(yè)以現(xiàn)場操作為主，因此拖網(wǎng)絞車在甲板面需要配置就地操縱控制箱，內(nèi)含拖網(wǎng)操縱手柄、速凍控制按鈕以及應(yīng)急停止按鈕。作業(yè)過程中，通過甲板作業(yè)人員和絞車操縱人員的通力配合，完成收/放網(wǎng)過程中一系列輔助操作。拖網(wǎng)絞車操縱人員在甲板作業(yè)人員指揮下，通過現(xiàn)場配置的拖網(wǎng)絞車操作箱，完成對拖網(wǎng)絞車進行收、放操縱；拖網(wǎng)絞車就地操作箱安裝位置要求比較高，需要視野開闊，以便及時接收甲板作業(yè)人員現(xiàn)場指令，并能夠俯瞰相關(guān)區(qū)域的甲板作業(yè)情況下，及時收、放纜；在漁船拖網(wǎng)作業(yè)過程中，拖網(wǎng)絞車以駕駛室監(jiān)視和控制為主，同時需在駕駛室配置拖網(wǎng)絞車遠程控制手柄。

5? ? 拖網(wǎng)絞車自動控制功能設(shè)計

5.1? ?拖網(wǎng)絞車控制模式設(shè)計

拖網(wǎng)絞車作為南極磷蝦捕撈作業(yè)過程中最關(guān)鍵設(shè)備，其控制系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，直接決定捕撈作業(yè)效率、捕撈作業(yè)安全可靠性。根據(jù)捕撈作業(yè)工況特點及捕撈作業(yè)流程，拖網(wǎng)絞車設(shè)有手動控制和自動控制：

（1）手動控制模式

根據(jù)拖網(wǎng)絞車作業(yè)需求，在前航行臺、后捕撈控制臺均設(shè)置了操縱手柄，在甲板面配置拖網(wǎng)絞車現(xiàn)場操縱手柄。甲板作業(yè)人員或捕撈作業(yè)人員可以在甲板板或駕駛室，通過操縱手柄完成曳綱收、放操作。

（2）自動控制模式

為減少作業(yè)人員勞動強度，提高收網(wǎng)、放網(wǎng)、拖網(wǎng)過程中安全可靠性，拖網(wǎng)絞車設(shè)置自動控制模式。通過控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)一鍵快速放網(wǎng)、一鍵快速收網(wǎng)以及拖網(wǎng)自動控制，在前航行控制臺、后捕撈控制臺均配置觸摸屏。

5.2? ?拖網(wǎng)絞車自動控制模式設(shè)計

5.2.1拖網(wǎng)絞車自動控制模式設(shè)計

拖網(wǎng)絞車自動控制設(shè)置了四種模式：快速放網(wǎng)模式、拖網(wǎng)模式、一鍵收網(wǎng)模式、一鍵停止模式。

（1）一鍵快速放網(wǎng)模式

通過控制界面設(shè)置一鍵快速自動放網(wǎng)功能。通過界面按鍵輸入放網(wǎng)長度，然后點擊快速放網(wǎng)按鍵，拖網(wǎng)絞車液壓泵自動起動，在拖網(wǎng)絞車操縱面板選定絞車速度，拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)將按照選定速度自動放網(wǎng)，當(dāng)放網(wǎng)長度到達設(shè)定長度拖網(wǎng)絞車自動進入拖網(wǎng)模式。

① 為進一步提高絞車操作安全可靠性，通過控制界面可以設(shè)定放網(wǎng)長度報警值，并自動降低拖網(wǎng)絞車速度至低速檔，以便提醒操作人員；

② 當(dāng)放網(wǎng)長度達到放網(wǎng)設(shè)定值時，系統(tǒng)自動進入拖網(wǎng)模式；

③ 當(dāng)放網(wǎng)長度到達報警值時，拖網(wǎng)絞車速度自動調(diào)整至低速檔，以便控制模式從一鍵快速放網(wǎng)自動切換至拖網(wǎng)模式；

④ 從一鍵快速放網(wǎng)模式自動切換至拖網(wǎng)模式時，絞車速度自動切換至中速檔或自動切換至設(shè)定檔位。

（2）拖網(wǎng)模式

通過點擊自動拖網(wǎng)模式按鍵，拖網(wǎng)絞車自動進入拖網(wǎng)模式。

① 通過控制界面設(shè)定拖網(wǎng)曳綱長度自動補償限定值及拖網(wǎng)曳綱自動補償報警值，當(dāng)放網(wǎng)長度達到自動補償限定值時自動開始收網(wǎng)；當(dāng)放網(wǎng)長度超過自動補償報警值時進行報警顯示，提醒操作人員介入；

② 通過控制界面設(shè)置左、右拖網(wǎng)曳綱最大允許差值，當(dāng)左、右拖網(wǎng)曳綱差值超過設(shè)定值時進行報警；

③ 拖網(wǎng)模式下可以設(shè)定多臺液壓泵組作為備用液壓泵組，以便滿足應(yīng)急收、放網(wǎng)操作需求；

④ 在自動控制過程中拖網(wǎng)絞車處于停止模式或拖網(wǎng)模式，當(dāng)需要一鍵快速放網(wǎng)或一鍵收網(wǎng)模式時，控制系統(tǒng)將按照設(shè)定數(shù)量，自動起動相應(yīng)的液壓泵。

（3）一鍵自動收網(wǎng)模式

本船設(shè)置一鍵快速自動收網(wǎng)功能。通過點擊快速收網(wǎng)按鍵液壓泵自動起動，在拖網(wǎng)絞車操縱泵選定絞車速度，拖網(wǎng)絞車將按照選定速度自動收網(wǎng)；當(dāng)收網(wǎng)長度到達設(shè)定長度時，拖網(wǎng)絞車自動停止收網(wǎng)。

① 通過控制界面設(shè)定收網(wǎng)報警值以及收網(wǎng)限定值，當(dāng)拖網(wǎng)曳綱長度達到報警值時進行報警提醒，并自動降低拖網(wǎng)絞車速度至低速檔；當(dāng)收網(wǎng)鋼絲繩度達到收網(wǎng)限定值時停止收網(wǎng)，并自動進入停止模式；

② 當(dāng)收網(wǎng)長度到達報警值時，拖網(wǎng)絞車速度自動調(diào)整至低速檔，從一鍵收網(wǎng)自動切換至停止模式；

③ 收網(wǎng)作業(yè)時，當(dāng)拖網(wǎng)絞車液壓油壓力高并延時6 s時，拖網(wǎng)絞車自動啟動備用液壓泵。

（4）一鍵停止模式

在快速放網(wǎng)、一鍵自動收網(wǎng)、拖網(wǎng)過程中，遇到突發(fā)狀況可一鍵重置所有模式，起動拖網(wǎng)絞車剎車，液壓泵站保持運行狀態(tài)，確保操縱人員可以及時介入進行應(yīng)急操縱。

① 在自動控制過程中，拖網(wǎng)絞車處于停止模式；當(dāng)需要一鍵快速放網(wǎng)或一鍵收網(wǎng)模式時，控制系統(tǒng)將按照設(shè)定數(shù)量自動起動相應(yīng)的液壓泵；

② 在一鍵快速放網(wǎng)、拖網(wǎng)、一鍵收網(wǎng)模式中，如果發(fā)生以下報警，拖網(wǎng)控制系統(tǒng)將自動切換至停止模式：拖網(wǎng)絞車液壓泵停止運行；拖網(wǎng)絞車控制權(quán)限不在駕駛室；通訊故障。

5.2.2拖網(wǎng)絞車監(jiān)控控制界面設(shè)計

為了實現(xiàn)對拖網(wǎng)絞車自動控制，每臺拖網(wǎng)絞車配置編碼器，PLC模塊自動采集編碼器信號，經(jīng)過換算，計算出拖網(wǎng)曳綱長度；通過控制界面，在放網(wǎng)、拖網(wǎng)、收網(wǎng)過程中，拖網(wǎng)曳綱長度、左/右拖網(wǎng)曳綱偏差值及拖網(wǎng)絞車動態(tài)張力以柱狀圖或數(shù)字形式在控制界面中進行監(jiān)控顯示，控制界面實時顯示液壓油溫、操縱過程中報警信息、拖網(wǎng)絞車液壓油壓、絞車選定速度檔位、拖網(wǎng)曳綱偏差報警、拖網(wǎng)絞車張力報警，讓操作人員可以很清晰監(jiān)視整個拖網(wǎng)狀態(tài)。同時，控制系統(tǒng)為電纜絞車液壓油壓力、拖網(wǎng)絞車拖網(wǎng)曳綱長度、拖網(wǎng)絞車動態(tài)張力參數(shù)提供歷史趨勢圖，通過不同顏色曲線形式，在同一界面同時進行顯示。

6? ? 結(jié)語

隨著世界性傳統(tǒng)漁業(yè)資源的逐漸衰竭和人口增加，我國的近海漁業(yè)資源也逐漸減少，開發(fā)深遠洋漁業(yè)資源意義重大，特別是極地漁業(yè)資源。為此，對國內(nèi)捕撈設(shè)備的大型化、自動化、智能化和安全可靠提出了更高要求。通過對南極磷蝦船拖網(wǎng)絞車控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，有助于我們掌握長期被海洋強國壟斷的遠洋捕撈技術(shù)；通過自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用，提高拖網(wǎng)絞車操作安全性、可靠性和國產(chǎn)化率；利用自動化技術(shù)提高網(wǎng)具和環(huán)境的自動映射和匹配，達到提高網(wǎng)具效能的最優(yōu)化，進一步提升拖網(wǎng)捕撈作業(yè)效率，踐行國家發(fā)展規(guī)劃，尋找出開發(fā)南極磷蝦產(chǎn)業(yè)甚至遠洋水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵路徑。

參考文獻

[1]胡慶松、王曼、陳雷雷、李俊. 我國遠洋漁船現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J]。上海，漁業(yè)現(xiàn)代化，2016（43）4.

[2] 王志勇、湯濤林. 漁船拖網(wǎng)絞車張力自動控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗[J]。農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017（1）.

作者簡介：王彥朋（1981-），男，高級工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計工作。

收稿日期：2022-12-07