基于Haiwell的多組船臺(tái)小車自動(dòng)對(duì)接監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：在現(xiàn)代造船行業(yè)中，艦船的制造過程已經(jīng)從傳統(tǒng)的單一船臺(tái)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟M船臺(tái)協(xié)同作業(yè)的模式。這種模式要求各船臺(tái)之間的對(duì)接精度和穩(wěn)定性達(dá)到極高的標(biāo)準(zhǔn)，以確保艦船的整體質(zhì)量和性能。為了滿足這一需求，提出了一種基于Haiwell的多組船臺(tái)小車協(xié)同自動(dòng)對(duì)接監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別船體分段的位置和姿態(tài)，調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)船體分段的精確對(duì)接；可以實(shí)時(shí)監(jiān)控船體分段的制造過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理出現(xiàn)的問題，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性；可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，靈活調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和對(duì)接策略，以滿足不同類型和規(guī)格的艦船制造需求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護(hù)和升級(jí)，為現(xiàn)代造船業(yè)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：船臺(tái)小車；位姿調(diào)整；協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；同步控制；海為云組態(tài)軟件；PLC

中圖分類號(hào)：TP273+. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-00-04＼

0 引 言

在造船行業(yè)中，船廠的船體分段拼接方式主要包括傳統(tǒng)的龍門吊裝以及使用分段拼接設(shè)備。傳統(tǒng)的龍門吊裝方式即通過吊車吊運(yùn)并操控船體分段進(jìn)行對(duì)中拼接，這種方式的缺點(diǎn)明顯，存在安全系數(shù)低、對(duì)中精度難以把控、作業(yè)周期長、效率低下等問題。隨著智能制造技術(shù)的迅速發(fā)展，船廠在船體分段拼接方式上也進(jìn)行了改進(jìn)，逐步從傳統(tǒng)的龍門吊裝方式轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂梅侄纹唇釉O(shè)備進(jìn)行拼接。分段拼接設(shè)備由主缸、副缸、三維小車、小車移動(dòng)軌道等部分構(gòu)成，其工作原理是利用主缸和副缸托起分段，并通過三維小車進(jìn)行三個(gè)維度、六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而精確調(diào)整分段姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效對(duì)中。雖然該系統(tǒng)設(shè)備較多，安裝調(diào)試較為復(fù)雜，但其結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、定位精度高，因此倍受青睞[1-2]。

針對(duì)傳統(tǒng)龍門吊裝對(duì)中精度難以把控、效率低下等缺點(diǎn)，本文在分段拼接設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于Haiwell的多組船臺(tái)小車協(xié)同自動(dòng)對(duì)接監(jiān)控系統(tǒng)，通過Haiwell組態(tài)軟件建立與下位機(jī)之間的通信，并搭建了一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)。每臺(tái)小車上均配備了油缸、泵站、控制閥組、檢測(cè)元件、過濾器等組件，PLC負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將其上傳至上位機(jī)。上位機(jī)是基于Haiwell組態(tài)軟件開發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

1 系統(tǒng)分析

為了使立體分段與基準(zhǔn)立體總段達(dá)到拼接所要求的精度范圍，操作人員首先需要根據(jù)立體分段的質(zhì)量以及長度選擇合適的小車數(shù)量以及小車間距；然后利用測(cè)量儀采集船體上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。上位機(jī)通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析得出此時(shí)立體分段的姿態(tài)，通過與立體總段的姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其達(dá)到拼接要求時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度以及位移，再通過逆求解計(jì)算出每臺(tái)小車的運(yùn)動(dòng)量。每臺(tái)小車根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)量，協(xié)同執(zhí)行立體分段與立體總段的拼接作業(yè)。同時(shí)每臺(tái)小車的數(shù)據(jù)變化可以由Haiwell監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其流程如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船臺(tái)小車自動(dòng)對(duì)接監(jiān)控系統(tǒng)由一套全面的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為核心，同時(shí)每臺(tái)小車均配備了一套獨(dú)立的分控制系統(tǒng)以及一套高效的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，共同構(gòu)成了這一先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

2.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在三維小車的動(dòng)力供電方面，采用三相五線制的供電方式。小車的動(dòng)力電纜采用串接的方式進(jìn)行連接，連接電纜通過重載連接器與每臺(tái)小車的動(dòng)力分線箱進(jìn)行連接[4]。動(dòng)力連接原理如圖2所示。

2.2 通信控制

通信功能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面為主站與從站之間的通信，旨在實(shí)現(xiàn)主站對(duì)從站的監(jiān)控、控制和數(shù)據(jù)交換；另一方面為主站與上位機(jī)之間的通信，負(fù)責(zé)將主站采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與監(jiān)控[5]。

2.2.1 主站與從站通信

三維小車控制系統(tǒng)的通信采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)控制方式。通信電纜采用串接的方式進(jìn)行連接，連接電纜通過PROFINET以太網(wǎng)連接器與每臺(tái)三維小車的控制箱進(jìn)行連接[6-7]。

2.2.2 主站與上位機(jī)通信

可編程控制器（PLC）作為應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)秀、可在線修改等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本系統(tǒng)的功能需求，選用西門子系列的PLC來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)。對(duì)于上位機(jī)，Haiwell的主要功能是讀取PLC所采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制。通過通信協(xié)議將PLC與Haiwell云組態(tài)軟件連接在一起，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。PLC與Haiwell云組態(tài)軟件的通信方式如圖3所示。

2.3 小車分控制系統(tǒng)

小車分控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，控制液壓系統(tǒng)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行各項(xiàng)操作。系統(tǒng)中，上位機(jī)內(nèi)的大型PLC通過現(xiàn)場(chǎng)總線與各小車的分控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。小車分控制系統(tǒng)具有以下功能：行走控制功能、閥開關(guān)控制功能以及油缸運(yùn)動(dòng)控制功能。其中，閥開關(guān)控制功能以及油缸運(yùn)動(dòng)控制功能共同控制立體分段的姿態(tài)調(diào)整，行走控制功能控制各小車的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 姿態(tài)調(diào)整

本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在于準(zhǔn)確描述待調(diào)整分段的姿態(tài)并據(jù)此實(shí)施有效的姿態(tài)調(diào)整策略。通過閥開關(guān)控制功能以及油缸運(yùn)動(dòng)控制功能的協(xié)同作用，小車能夠精確地完成待調(diào)整分段的姿態(tài)調(diào)整任務(wù)。結(jié)合分段的實(shí)際形狀，同時(shí)為了便于計(jì)算，本文使用圓柱體作為分段描述模型。以基準(zhǔn)分段圓柱的首端面中心點(diǎn)作為原點(diǎn)構(gòu)建三維坐標(biāo)系。設(shè)基準(zhǔn)段左右兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)a和b位于x軸上，且點(diǎn)a位于正半軸，點(diǎn)b位于負(fù)半軸；上下兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)c和d位于y軸上，且點(diǎn)c位于正半軸，點(diǎn)d位于負(fù)半軸?；鶞?zhǔn)段的位姿描述如圖4所示。分段與基準(zhǔn)段位于同一坐標(biāo)系，分段前（后）端面四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的定義同上，分段的位姿描述如圖5所示。

將待調(diào)整分段姿態(tài)調(diào)整為基準(zhǔn)分段姿態(tài)的過程細(xì)分為五個(gè)步驟：第一步，分段沿x軸方向平移，使分段中心點(diǎn)到達(dá)（y， z）平面；第二步，分段沿y軸方向平移，使分段中心點(diǎn)到達(dá)z軸；第三步，分段水平旋轉(zhuǎn)，使分段軸線到達(dá)（y， z）平面；第四步，分段垂直旋轉(zhuǎn)，使分段軸線與z軸重合；第五步，分段沿軸線旋轉(zhuǎn)，使分段與基準(zhǔn)段方向?qū)?zhǔn)[8]。

2.3.2 協(xié)同運(yùn)動(dòng)

小車行走控制功能控制各小車之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。離拼接段最近的小車為首車，離拼接段最遠(yuǎn)的小車為尾車；面向拼接段左邊為主列，面向拼接段右邊為副列；首車到分段首端面的距離為首車距離，當(dāng)首車在分段前面時(shí)，首車距離為正，否則為負(fù)，其余小車的距離以此類推，如圖6所示。

處于不同位置小車的水平調(diào)整量為：

（1）

式中：?x為分段首端面的水平調(diào)整量；?xk為處于第k個(gè)位置小車的水平調(diào)整量。

處于不同位置小車的垂直調(diào)整量為：

（2）

式中：?y為分段首端面的垂直調(diào)整量；?yk為處于第k個(gè)位置小車的垂直調(diào)整量。

當(dāng)?xk（?yk）的符號(hào)為正時(shí)，液壓系統(tǒng)的主（輔）軸的運(yùn)動(dòng)方向與相應(yīng)的坐標(biāo)軸方向一致，否則運(yùn)動(dòng)方向相反。

3 Haiwell監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用海為云組態(tài)軟件（Haiwell Cloud SCADA），海為云組態(tài)軟件是基于NET Framework的工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控管理平臺(tái)軟件。海為云組態(tài)的 SCADA 運(yùn)行端基于最新的技術(shù)打造，可跨平臺(tái)，擁有強(qiáng)大的運(yùn)行性能[9]。

3.1 監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

海為云組態(tài)軟件不僅集成了傳統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件的所有功能，還提供了更多功能。其具備強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能，能夠構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)工藝流程的可視化界面，通過界面中的各種圖形元件與點(diǎn)位圖，工作人員可以直觀地掌握小車作業(yè)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。工作人員只需點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)，便能查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[10]。PLC采集的現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，均能在上位機(jī)界面中以文字或圖形的方式顯示?；谛≤嚤O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和控制策略，監(jiān)測(cè)主界面集成了組車設(shè)置功能，工作人員可以根據(jù)待調(diào)整分段的質(zhì)量以及長度，點(diǎn)擊“組車設(shè)置”按鈕以選擇合適的小車數(shù)量。此外，點(diǎn)擊“單動(dòng)”按鈕便可進(jìn)入所有小車的序號(hào)界面，在這個(gè)界面中任意點(diǎn)擊一個(gè)小車序號(hào)，便進(jìn)入該序號(hào)小車的獨(dú)立監(jiān)測(cè)界面。監(jiān)測(cè)主界面如圖7所示。

3.2 獨(dú)立小車界面設(shè)計(jì)

Haiwell云組態(tài)軟件界面功能強(qiáng)大，包含豐富的圖庫、元器件庫，可供隨意選擇。在獨(dú)立界面中，工作人員能夠直觀地查看小車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，例如：小車的行走速度、油缸的位置、報(bào)警指示燈狀態(tài)等。啟動(dòng)小車后，工作人員可以通過設(shè)置小車的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車行走的精確控制。小車的姿態(tài)調(diào)整由主、副缸協(xié)同實(shí)現(xiàn)，每個(gè)缸上配有光柵尺，以確保位置的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)精確定位。主推力油缸的下腔裝有壓力變送器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力的變化，確保負(fù)荷的合理分布。同時(shí)，系統(tǒng)管路也裝有壓力變送器，用于對(duì)液壓系統(tǒng)工作壓力的監(jiān)測(cè)。小車的行走通過交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，且行走速度連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車行走位置的精確控制。系統(tǒng)不僅具備監(jiān)測(cè)油缸位置和負(fù)荷大小的功能，還能在監(jiān)測(cè)到異常情況時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警。出現(xiàn)異常情況時(shí)按下急停按鈕，即可立即中止正在執(zhí)行的動(dòng)作。小車準(zhǔn)備行走時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員，保證系統(tǒng)使用安全。此外，系統(tǒng)中還采取了多種抗電磁干擾措施，并對(duì)電機(jī)及電柜等關(guān)鍵部件實(shí)施了防水保護(hù)，以提升系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。獨(dú)立小車監(jiān)測(cè)界面如圖8所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)在分段拼接設(shè)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列的改良及優(yōu)化，配備了多臺(tái)可根據(jù)實(shí)際情況參與調(diào)控的小車，以適應(yīng)不同長度的分段拼接需求。通過選取合適的PLC設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)較好地滿足了對(duì)中誤差絕對(duì)值小于0.1 mm的高精度要求。本系統(tǒng)由兩列小車頂舉的平臺(tái)支撐船體分段，利用主、副缸電液伺服驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速電機(jī)精確控制每輛小車在六個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整船體分段的姿態(tài)。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)及各臺(tái)小車的分控制系統(tǒng)組成，有效簡化了工人的操作流程，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了分段拼接的效率和精度。目前，該監(jiān)控系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

注：本文通訊作者為邱力。

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