移動配載控制系統在航標船中的應用

史金山　徐應年

(1.武漢南華工業設備工程股份有限公司　武漢　430223;　2.武漢理工大學自動化學院　武漢　430063)

移動配載控制系統在航標船中的應用

史金山1徐應年2

(1.武漢南華工業設備工程股份有限公司武漢430223;2.武漢理工大學自動化學院武漢430063)

摘要在帶有吊機的航標船上，當吊裝貨物時船體會傾斜，如不加以控制會導致船舶發生傾覆的嚴重事故。文中采用移動配載方式來解決此問題，通過控制配載重物在船體橫向來回移動，用以平衡吊機工作時造成的船體傾斜，使船體保持基本平衡。采用PLC(programmable logic controller)作為主控制器，變頻器驅動交流電機，電機帶動齒輪齒條帶動配載重物移動。在控制算法上，采用模糊控制算法，建立模糊控制規則并經實船調試的反復調整，最終在實船達到比較滿意的控制效果。

關鍵詞移動配載模糊控制PLC

在很多工程船舶甲板上通常設置有吊機用來吊裝重的設備或貨物，當吊機吊裝重物吊臂旋轉時會引起船舶的傾斜，傾角過大可能會導致船舶的傾覆，釀成重大事故。為了避免事故的發生，南京航標船配置了一套移動配載自動控制系統，該船長40 m，寬7 m，可根據吊機吊裝重物時船體的傾斜方向和角度，實時改變船的配載，用以消除重物造成的船體傾斜。

1　工作原理

所謂移動配載，顧名思義就是根據船體傾斜角度的變化移動重物來改變船體的配載。具體實現為在船的寬度方向底艙設置由槽鋼制作的軌道，一塊重5 t的可移動配置鐵塊通過滾輪放置在軌道上，采用齒輪帶動齒條的傳動方式，當電機轉動時，動力通過減速箱減速，帶動齒輪旋轉，齒輪帶動齒條運動，齒條拉動配置鐵塊在導軌上運動。通過改變電機的旋轉方向實現配載沿縱向中心線兩側方向運動，通過移動配重鐵塊的位置來抵消吊機工作時帶來的船舶傾斜角度，使船舶始終處于相對平衡的狀態。

6　結語

除了上面列舉的故障模式和故障穿越分析和試驗，為保障安全性，整個電網包含AGP還需要做一系列分析和實驗來保證其功能得以實現和保持，如：軟件仿真測試；出廠試驗；海上認可測試；海上FMEA分析測試；其他測試如硬件在環(HIL)測試等；DP年度試驗[4]。

在DP2作業時母排聯絡開關能閉合運行的船舶，能夠根據負載選擇在線發電機的臺數并讓它們工作在最優的狀況，這樣可以大幅提高燃油經濟性，減少碳和其他有害氣體排放。雖然對船舶設備和系統提出了更高的要求，但其帶來的收益卻是長久的。

參考文獻

[1]李志壘.動力定位海洋工程船舶電力推進系統的設計[D].天津：天津大學,2013.

[2]劉楊.動力定位故障模式與影響分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2011.

[3]李東輝.船舶柴油發電機組的建模與運行仿真研究[D].大連：大連海事大學,2011.

[4]ABS Rules.Guide for dynamic positioning systems[S].2012.

圖1為移動配載工作時的3種狀態，當吊機不工作時，吊桿在船體中心線上，移動配載也處于船體的中心線上不移動，見圖1a)。當吊機在船體左側起吊重物時，重物和吊機吊臂的重量會以中心線為轉軸，產生向左的扭轉力矩，會使船體向左傾斜，為了平衡此力矩，移動配置需向船體中心線右側移動，從而平衡掉向左的扭轉力矩，直到船體大致處于平衡狀態，見圖1b)。當吊機在船體右側吊重物時，移動配置則向左側移動，直到船體大致處于平衡狀態，見圖1c)。

圖1　移動配載工作狀態示意圖

2　控制系統實現方案

2.1系統框圖

控制系統實現采用PLC作為主處理器，采集吊車載重量、吊臂長度、吊臂仰角、船體傾斜、編碼器等數據，在處理器中進行算法判斷，輸出結果驅動變頻器對電機進行調速，使得移動配載左右移動。同時將采集的各傳感器的數據以及移動配置的位置信息顯示在底艙本地顯示屏和駕駛室上位機，為本地和遠程操控人員提供直觀的數據信息，其系統框圖見圖2。

圖2　移動配載控制系統框圖

為了克服移動配載在運動時的慣性，在需要停止時能夠快速靜止，配置了制動器和制動電阻，將多余的能量及時消耗，提高控制電機的精確度和穩定性。

2.2控制部分實現

PLC采用西門子S7-200系列，CPU采用CPU224，自帶14 DI和10 DO，擴展一個CP243-1以太網通信模塊，接入交換機，擴展2個EM231-8路模擬量輸入模塊。電機功率為4 kW，變頻器采用施耐德ATV61系列，變頻器啟動時帶負載啟動，啟動電流比較大，為留一定的裕量，因此變頻器選擇5.5 kW。

2.3顯示屏實現

選用西門子264.16 mm(10.4 in)觸摸屏MP277，該屏帶有以太網通信接口，通過接入交換機與PLC通信，在MP277中通過Wincc Flexible組態軟件開發界面，工作人員可以很直觀地監視和控制移動配載，顯示界面可形象指示移動配載的位置和吊機的長度、角度、吊重等參數，并提示報警信息。

2.4保護措施設計

移動配載控制系統關乎船體安全，一旦出現閃失將造成嚴重的損失和后果，因此需要設計周全的保護措施，具體如下：

(1) 在靠近艙壁的位置加裝防撞限位開關，防止移動配載移動時由于慣性撞壞艙壁，通過PLC編程，當限位開關動作時電機立即停止。

(2) 當檢測到移動配載和吊機吊臂的位置在船體中心線同一側時，立即報警，并通過聯鎖，自動停止吊裝作業，然后移動配載位置，使移動配載和吊機不在同側。

(3) 當船體傾斜度大于5°時，報警信號同吊機聯鎖，當發生報警時，吊機立即停止吊裝作業，直到報警解除。

(4) 每次啟動時進行系統自檢，通過自檢程序檢查控制系統的各個部件都能正常工作，防止在工作時由于控制系統的失效導致出現事故。

3　控制策略

本系統的控制模型是一個非常復雜的非線性時變模型，變量多，變量之間的耦合關系復雜，很難建立一個較準確的模型實現對移動配載的精確控制，本項目作為實際工程應用項目，沒必要花精力建立精確模型，因此在控制算法上，模糊控制算法是一種能夠快速解決問題的方法。模糊控制無須知道被控對象的數學模型，它易于實現對具有不確定性的對象和具有強非線性的對象進行控制，對被控對象特性參數的變化具有較強的魯棒性，對控制系統的干擾具有較強的抑制能力[1]。

3.1模糊控制器

圖3　模糊控制系統框圖

3.2變量的模糊化和隸屬度函數

系統的輸入變量為船體傾斜角度偏差e、傾斜度偏差變化率δ，輸出變量為配載重物沿船體縱向中心線的位移值，當船體傾斜角度偏差e向左傾斜時為負數，向右傾斜時為正數，不傾斜時為0，同理配載重物在船體縱向中心線左側時為負位移，右側為正位移，中心時為0。

系統中船體傾斜角度偏差e、傾斜度偏差變化率δ和控制量u的基本論域分別為：[-5,5]，[-0.5，0.5]和[-3.5，3.5]，E和EC分別為e和δ模糊化后的變量，U為輸出模糊變量。為了比較精確控制移動配載移動的位置，將輸入模糊變量E和EC的模糊論域和輸出變量U的模糊論域確定為[-3,3]，量化為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，即分為7個控制檔位。 所對應的模糊詞集為{左大，左中，左小，零，右小，右中，右大}，對應的符號表示為{LB，LM，LS，N，RS ，RM ，RB }。

其對應變量的量化因子為Ke=3/5=0.6，Kδ=3/0.5=6，Ku=3/3.5=0.86。

由于三角形隸屬度函數在輸入值變化時比正態分布或高斯型具有更高的靈活性[2]，因此本系統中船體傾斜度偏差與偏差變化率均選取三角形隸屬度函數。圖 4為各輸入變量的隸屬度函數，選擇的模糊集寬度為7。因為寬度過小會造成部分區間空缺，可能找不到相應的控制規則，收斂性不好; 寬度過大會造成控制規則的重疊部分過多，相互間影響加大并且響應速度也變慢[3]。

圖4　e，δ，u的隸屬度函數3.3　模糊控制規則

模糊控制規則是控制器的核心，根據經驗總結并且實船調試時不斷調整得到49條控制語句，合并構成移動配載控制系統模糊控制規則表，見表1。

表1　模糊控制規則表

模糊控制查詢表通過使用MATLAB的模糊工具箱計算得到，具體操作方法為采用TOOL測試向量法[4]得到模糊控制查詢表，見表2。

表2　模糊查詢控制表

3.3反模糊化

模糊控制器輸出的是經過查詢模糊規則表后得出的一個模糊語言值，不能被被控對象直接使用，必須要轉換成一個精確的控制量，這就是反模糊化的過程。本系統采用重心法計算模糊控制輸出的精確控制量。其具體表達式為

式中：n為模糊變量個數；ei為模糊變量；μ(ei)為對應模糊變量的隸屬度。

本系統反模糊化的具體過程: 首先傾斜度誤差或其誤差變化率經量化后得到相應的量化等級，根據量化等級查詢執行機構在控制規則表中對應的控制規則并使其激活。

4　PLC控制程序的實現

移動配載控制PLC程序主要包括輸入量的采樣程序、模糊化和量化等級程序、模糊控制查詢程序、執行機構控制程序等。這些程序各自建立子程序，在主程序中調用。

輸入量的采樣程序主要完成外部吊車載重量、吊臂長度、吊臂仰角、船體傾斜、編碼器等傳感器的數據，所有的傳感器均采用4～20 mA信號，將模擬量信號采樣成PLC內部對應的數字量信號，存儲在V區。

模糊化和量化等級程序負責計算船體傾斜度偏差和偏差變化率，并作超限處理，使數據在設定的范圍內，數據處理后將船體傾斜度偏差和偏差變化率根據前文規則量化并模糊化。

模糊控制查詢程序實際是將反模糊化后的數據放置在一個7×7的二維數組中，通過指定存放的首地址和偏移地址對輸出值進行訪問。

執行機構控制程序負責將查出的輸出值送與變頻器，告訴變頻器向那個方向移動電機多少距離從而帶動移動配載向抵消船體傾斜度方向移動一定的位置。

5　系統運行效果

移動配載控制系統已在南京航道局航標船寧道標401，402船中使用，經過實際使用反饋，該系統方案新穎，總體設計合理，安全措施考慮周到，控制算法切實可行，可在類似船舶中進行推廣。

[1]丁琳,劉清.模糊自適應控制及其在船舶操縱中的應用[D]武漢: 武漢理工大學，2002.

[2]屈 毅,寧鐸,賴展翅，等.基于模糊 PID 控制的溫室控制系統[J].計算機應用，2009，29(7):1996-1999．

[3]于海業,于立娟,陳麗梅.基于模糊控制算法的溫室變溫管理系統[J].農機化研究，2008(5) :25-27．

[4]葉伊莎,任佳.基于Matlab的模糊查詢表生成方法探討[J].實驗室研究與探索，2014，33(5)：101-106.

收稿日期：2015-06-08

Application of Control System for Mobile Loading in Beacon Boats

ShiJinshan1，XuYingnian2

(1.Wuhan Nanhua Industrial Equipments Engineering Co.,Ltd., Wuhan 430223, China;

2.School of Automation,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract：If there are no preventive measures, beacon boats with crane would be apt to lean under lifting work. So, this study offers a method of setting mobile loading to avoid boats' leaning. This method is that the mobile loading is moved back and forth according to the boats' lean for balancing the boats. PLC was used as the main controller. The inverter drives motor to make the mobile loading to move by gears and racks. Fuzzy control algorithm was adopted in this control system. With local tests, we developed some fuzzy control rules for the mobile loading control. The actual measurement showed that the control system could achieve satisfactory results.

Key words:mobile loading; fuzzy control; PLC

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.055