絞吸式挖泥船三纜定位控制系統設計

張紅升，繆袁泉，聞 峣，黎富強

● （中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

絞吸式挖泥船三纜定位控制系統設計

張紅升，繆袁泉，聞 峣，黎富強

● （中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

傳統絞吸式挖泥船多采用鋼樁系統移船定位，此方法簡單方便，但只適用于淺水和小風浪區域。在深水和大風浪環境下多采用三纜定位模式進行移船定位。本文將根據三纜定位的控制要求設計一套絞吸式挖泥船三纜定位控制系統。

絞吸挖泥船；三纜定位；控制系統

0 引言

絞吸式挖泥船移船定位通常采用“鋼樁臺車”和“三纜定位”兩種模式。“鋼樁臺車”模式通過臺車、固定在臺車上的主鋼樁和固定在船體的輔鋼樁組合移動實現船體的前進和后退。此模式受到鋼樁長度和剛性的限制一般只適用于水深小于30m、浪高小于1.5m的區域施工。“三纜定位”模式拋棄原來鋼樁臺車結構，通過控制船艉的三臺絞車進行移船定位。因為采用錨和鋼纜結構，所以此模式可以在大挖深和大風浪區域施工。

1 三纜定位系統工作原理

三纜定位系統的機械部分由：3臺絞車、導纜樹(俗稱“圣誕樹”)和3個海底錨組成。3臺絞車在船艉甲板以圓弧狀依次排開[1]。導纜樹固定在船艉中心線位置，兩端分別固定3個可以自由轉動的定滑輪，用于引導3臺絞車的鋼纜。3個海底錨分別系在3臺絞車的鋼纜末端。三纜定位系統工作示意圖如圖1。

實際施工過程中將左右兩個絞車的海底錨拋到船艏與船舷20°～30°夾角方向。中間絞車的海底錨拋到船艉與船中心線平行的方向。這樣左右兩個絞車收纜，中間絞車放纜可以向前移船。左右兩個絞車放攬，中間絞車收攬可以向后移船。由3點穩定性原理可知通過3個海底錨可以將船艉牢牢固定在工作線上。

圖1 三纜定位系統工作示意圖

2 三纜定位控制系統設計

2.1 三纜定位控制原理

2.1.1 坐標系建立

系統坐標系建立如圖2，規定船艉中心點導纜樹位置為虛擬定位樁[2-4]。虛擬定位樁位置為三維坐標系原點，原點至船艏方向為x軸正方向，原點至左舷方向為y軸正方向，原點至船底方向為z軸正方向。

圖2 坐標系示意圖

2.1.2 控制原理[5]

在實際施工過程中，首先將三個錨拋入水中，并記下拋錨點的坐標。左舷錨(x1，y1，z1)、右舷錨(x2，y2，z2)、中間錨(x3，y3，z3)。根據建立的坐標系設定 GPS天線在船體的安裝坐標(x9，y9，z9)。因為 GPS安裝位置相對于虛擬定位樁固定不變，所以由GPS天線在船體的安裝坐標(x9，y9，z9)可推算出虛擬定位樁的坐標(x，y，z)。由空間內兩點之間的距離可計算出三個錨到導纜樹的鋼纜長度L1、L2和L3。如圖3所示。

圖3 拋錨示意圖

當需要向前進刀時虛擬定位樁將向前移動長度 L，根據進刀前虛擬定位樁坐標 (x，y，z)可以計算出移動 L長度后虛擬定位樁的坐標(x’，y’，z’)。因為在不走錨的情況下三個錨的坐標是固定不變的，所以由空間內兩點之間的距離可以計算出進刀長度 L后三個錨到導纜樹的鋼纜長度L1’、L2’和L3’。進刀工作示意圖如圖4。將計算的幾個長度值代入公式（1）即可獲得進刀前后鋼纜長度變化量ΔL1、ΔL2和ΔL3。

式中：ΔL1、ΔL2和ΔL3為進刀后鋼纜長度變化量。系統控制三臺絞車使鋼纜長度調整ΔL 1，ΔL 2和Δ L 3 的長度，虛擬定位樁移動到(x’，y’，z’ )完成進刀。退刀過程與進刀相同。

圖4 進刀示意圖

2.2 坐標獲取方法

系統中需要獲取錨位和船體坐標，本系統中我們選用Trimble SP351差分GPS，坐標精度可達10cm。系統共需2臺GPS，1臺安裝在船體用于實時獲取船體坐標和虛擬定位樁坐標，另外1臺安裝在拋錨艇上用于拋錨時將錨位發送給母船。因為錨艇與母船之間沒有電纜連接，為了將錨位坐標發送到母船我們采用日精ND886A數傳電臺。數傳電臺由發送端和接收端組成，它可以將串口信號通過無線電臺發送到接收端。

2.3 鋼纜長度計算

絞車收放鋼纜長度通過安裝在絞車軸上的絕對值編碼器獲取。考慮到系統的穩定和維護方便我們采用ELCO PAM58系列Profibus Dp總線型絕對值編碼器。編碼器輸出信號只是絞車的圈數和速度，通過圈數計算鋼纜長度時需要考慮絞車卷筒的半徑(r )、鋼纜直徑(d)、卷筒纏繞鋼纜的層數(n)。絞車鋼纜層數可由絞車排纜裝置輸出。將上述參數代入公式(2)即可獲得絞車鋼纜長度L。

式中：c為絞車圈數。

2.4 控制器、監視器選用

2.4.1 控制器

控制器選用西門子S7315-2DP PLC。此PLC的DP接口可直接和Profibus Dp編碼器通訊。三臺絞車控制和邏輯運算都在PLC內部完成。實際工程中PLC與編碼器的組態圖如圖5所示。

圖5 PLC組態圖

2.4.2 監視器

監視器采用Vistal C++編寫的上位機監視軟件。軟件可以采集GPS信號并計算坐標、提供控制系統參數設置入口、與控制器通訊、監視并診斷系統運行狀況。

2.5 系統總體結構

根據前面章節論述，本次三纜定位控制系統的總體結構如圖6。

圖6 總體結構圖

3 結論

介紹了絞吸式挖泥船三纜定位系統的工作原理及控制系統設計方法。該系統結構簡單、穩定和控制精度高。本文介紹的控制方法在上海航道局3500m3絞吸挖泥船新海鮫輪上得到了很好應用。

[1]候曉明,王培勝等. 中交上海航道局有限公司.疏浚技術培訓教材(下)[M]. 2006.

[2]陳廣蓮.確定錨泊設備的直接計算法[J]. 船舶設計通訊, 2004(1): 43-45.

[3]肖越,王言英.浮體錨泊系統計算分析[J]. 大連理工大學學報, 2005(9): 682-686.

[4]季永華.疏浚工程[M]. 大連:大連海事大學出版社,2000.

[5]柯軍.絞吸式挖泥船三錨定位系統的設計[D]. 武漢:武漢理工大學, 2001.

現代重工獲得4艘蘇伊士型油輪訂單

根據造船海洋日刊消息，韓國現代重工近日與希臘船東Arcadia Shipmanagement簽署了4艘蘇伊士型油輪新造合同。

根據H I S，相關船舶的長、型寬、深分別為274m、48m、23.1m，規模達158517DWT級，將在現代重工的群山造船廠及蔚山造船廠分別建造2艘船舶。

蔚山造船廠建造的2艘船舶安排在2016年6月及9月交付，群山造船廠建造的2艘在2016年10月及2017年2月交付。

4艘油輪都入美國船級，新造船價還不得而知。

Design of Christmas Tree Control System for Cutter Suction Dredger

ZHANG Hong-sheng, MIAO Yuan-quan, WEN Yao, LI Fu-Qiang
(CCCC NATIONAL ENGINEER RESEARCH CENTER OF DREDGING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT CO.,TD, Shanghai 201208, China)

Conventional cutter suction dredger usually uses the steel piles to shift and position. The method is simple an convenient, which is only applied in the area of shallow and small storms. In the environment of the deep water and large waves, th“Christmas Tree” system is usually used to shift and position. The paper based on the demand of “Christmas Tree” system designs“Christmas Tree” control system for cutter suction dredger.

cutter suction dredger; christmas tree; control system

U695

A

張紅升（1983-），男，工程師。主要從事挖泥船自動化監控系統設計。