液壓拖曳絞車控制系統設計與研究

丁 平，石曉妹，何曉燕，朱德峰，王喜娟，田亞楠

（1. 無錫德林防務裝備股份有限公司，江蘇無錫 214191；2. 徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

拖曳絞車是一種特種設備，用于收放纜繩、拖帶沒有自航能力的船舶、海上設施以及失去自航能力的船舶，是拖船上的重要設備[1-2]。

目前，出于成本和精度要求的考慮，大多數液壓拖曳絞車都使用接近開關檢測絞車的轉速。若用戶對繩長和繩速提出了較高的精度要求，則可以通過安裝編碼器實現。使用常規接近開關檢測拖曳絞車繩長和繩速，有時會因為計算方法本身不夠準確而導致控制精度不高。因此，本文在詳細介紹系統設計的同時，深入研究了接近開關檢測絞車繩長和繩速的方法。同時在控制系統程序中增加了手柄斜坡分段控制，提高了操作的微動性和平穩性；增加了恒張力自動保護模式，提高了恒張力拖航時的安全性和可靠性。

1 系統總體設計

本文以某650 kN液壓拖曳絞車為研究對象，該絞車為雙卷筒絞車，兩卷筒瀑布式布置，上卷筒為拖帶卷筒，下卷筒為錨處理卷筒，絞車上、下卷筒不能同時工作，需要通過離合器自動切換上、下卷筒的工作狀態。系統包含3臺110 kW主電機泵組和2臺5.5 kW輔助電機泵組。系統主要控制站點包括駕控室操作面板、駕駛室觸摸屏、機旁操作臺和本地啟動箱。四個控制點都能起停電機，但啟動箱優先級最高，只有啟動箱內遠程起停旋鈕切換到“遠程”時，駕控室和機旁操作臺才能夠起停電機。啟動箱站點的主要功能是采集啟動箱內各檢測信號和現場泵站信號、控制電機起停、控制電機除濕和油箱加熱等，其不具備操作拖曳絞車的功能。

駕控室操作面板和機旁操作臺兩個站點可以對液壓拖曳絞車進行操作，通過切換旋鈕選擇操作位置。由于機旁操作優先，所以操作位置切換旋鈕位于機旁操作臺上。而系統泵站除了為拖曳絞車提供動力以外，還要給其他設備提供動力，所以駕控臺操作面板有工作模式切換旋鈕。除此之外，兩個操作站點功能基本相同。駕控室觸摸屏可顯示絞車動作動畫、顯示參數、記錄報警和設置相關參數等，各控制站點之間通過PROFINET網絡通信。電氣系統結構框圖如圖1所示。

圖1 電氣系統結構框圖

1. 1 硬件設計

該650 kN液壓拖曳絞車電氣系統控制主站設在駕控室，控制器選用西門子CPU 1511-1PN，其包含2個RJ45網口，1個用于和啟動箱分站通信，1個用于和觸摸屏通信。擴展模塊包括：1個AI/AQ 4×U/I/RTD/TC/2×U/I ST模擬量輸入輸出模塊，用于收放纜手柄和恒張力電位器的信號采集以及恒張力比例閥和收放纜比例閥的輸出控制；1個DI 32×24VDC HF數字量輸入模塊，1個DQ 32×24VDC/0.5A HF數字量輸出模塊，1個DI 16/DQ 16×24VDC/0.5A BA數字量輸入輸出模塊，用于駕控室面板上操作按鈕和旋鈕等輸入檢測以及相關狀態指示燈輸出。

啟動箱選用ET200sp遠程I/O分站；接口模塊選用IM 155-6 PN ST；擴展模塊包括：3個DI 16×24VDC ST數字量輸入模塊，2個DQ 16×24VDC/0.5A ST數字量輸出模塊，輸入模塊用于檢測啟動箱上起停信號、啟動箱內各輸入信號和泵站各報警輸入信號，輸出模塊控制啟動箱上各指示燈以及相關中間繼電器。

機旁控制臺選用ET200sp遠程I/O分站，接口模塊選用IM 155-6 PN ST，擴展模塊包括：1個AI 4×U/I 2-wire ST模擬量輸入模塊，用于機旁控制臺收放纜手柄、恒張力電位器和絞車本體上壓力傳感器信號的采集；4個DI 16×24VDC ST數字量輸入模塊，3個DQ 16×24VDC/0.5A ST數字量輸出模塊，用于機旁操作臺面板上操作按鈕和旋鈕等的輸入檢測、相關狀態指示燈輸出以及絞車本體相應電磁閥組輸出控制。駕駛室觸摸屏選用西門子品牌的TP1200 Comfort型12英寸觸摸屏。各個控制站點之間通過PROFINET網絡通信。系統網絡組態如圖2所示。

圖2 系統網絡組態視圖

1. 2 軟件設計

軟件設計主要包括控制程序設計和觸摸屏程序設計。軟件開發工具為西門子TIA Portal V13，該開發工具基于西門子豐富的產品系列和優化的自動化系統，遵循工業自動化領域的國際標準，著眼于滿足先進自動化理念的需求[3]。

系統控制程序采用模塊化編程的設計思想[4]，把程序按控制功能分成若干程序塊，這樣可以減少編程的工作量、增加程序的可讀性和可維護性。控制程序主要包括主程序Main（OB1）、Time error interrupt（OB80）、Diagnostic error interrupt（OB82）、Programming error（OB121）、IO access error（OB122）、觸摸屏數據處理（FC1）、拖纜機報警及指示燈（FC2）、拖纜機電機起停控制（FC3）、繩長和繩速計算（FC4）、工況模式選擇（FC5）、拖纜機動作控制（FC6）、拉力計算處理（FC7）、電磁閥輸出（FC8）、試燈報警消音控制塊（FC9）、拖纜機電機起停控制塊（FB1）、接近開關測速程序（FB2）、遠程請求控制（FB3）、拉力計算（FB4）、Joystick_ctrl（FB5）等。

觸摸屏程序也是用同款軟件開發的，主要包括主界面、狀態監測界面、設置界面、報警記錄界面和運行記錄界面。主界面顯示拖曳絞車動作的動畫效果和主要控制參數，比如控制位置、控制模式、系統壓力、當前纜繩層數和圈數、放出繩長、剩余繩長、纜繩速度、纜繩拉力等。狀態監測界面顯示電機狀態、控制器各數字量端口狀態、模擬量端口AD值和實際值。設置界面主要用于設置卷筒參數并設置保護，可以在任何位置設置纜繩，程序可自動計算當前纜繩放纜長度和剩余纜長，如圖3所示。報警記錄界面主要記錄報警數據，方便故障查詢和故障處理。運行記錄界面主要記錄系統動作，方便查詢動作記錄。

圖3 系統設置界面

2 系統關鍵技術研究

拖曳絞車控制系統的關鍵功能是控制卷筒的收放動作、計算鋼絲繩繩長和繩速、控制恒張力，以及計算鋼絲繩拉力。下面就其中幾點關鍵技術作詳細說明。

2.1 手柄斜坡控制

程序中設計了Joystick_ctrl手柄控制功能塊，可以方便設置輸出控制的最大值和最小值（Up_MAX_INT、Up_Min_INT、Down_MAX_INT、Down_Min_INT）、手柄中位值（Mbound）和死區值（Blind）。程序根據收放纜動作條件判斷手柄收放動作是否允許（Enable_Up、Enable_Down）。程序加入斜坡步進值控制，且斜坡步進值可以分段控制。手柄去程動作前半程的斜坡步進值較小，動作更平穩；手柄去程動作后半程的步進值較大，快速達到手柄輸出值。同理，手柄回程前半程的步進值較大，手柄輸出值快速減小；手柄回程后半程的步進值可適當減小，避免頻繁操作引起的沖擊。手柄控制功能塊如圖4所示。

圖4 手柄控制功能塊

2.2 繩長繩速計算

該650 kN液壓拖曳絞車控制系統采用接近開關測量卷筒鋼絲繩的繩長和繩速，每個卷筒使用兩個接近開關。卷筒一側裝有檢測盤，通過兩個接近開關信號檢測順序判斷卷筒旋轉方向，完整檢測一個脈沖信號的流程如圖5所示。圖5中：兩個圓代表接近開關；空心圓代表沒有檢測信號；實心圓代表有檢測信號；正向箭頭代表檢測流程脈沖數加1；逆向箭頭代表檢測流程脈沖數減1。這種檢測方法可以有效避免接近開關在檢測臨界值（檢測信號時有時無）時產生錯誤的脈沖信號，從而提高了檢測精度。

圖5 完整脈沖檢測流程

假設卷筒檢測盤上的擋塊數量為NS，卷筒直徑為D，卷筒每層纏繞鋼絲繩圈數為m，鋼絲繩直徑為d，檢測脈沖數為T，鋼絲繩總長為L。

則當前層數取整為

當前圈數為

卷筒上滿層鋼絲繩長度為

卷筒上剩余鋼絲繩長度為

放出繩長為

鋼絲繩速度計算較為簡單，通過單位時間內脈沖數的變化計算得出單位時間內繩長的變化。

2.3 恒張力自動保護

恒張力控制主要用于長距離拖航任務，拖曳絞車以一定的張力拖航，可以克服因被拖物的抖動或瞬間張力沖擊而對拖船造成的影響[5]。打開恒張力旋鈕開關，根據被拖物重量調整恒張力電位器。可以在觸摸屏上設置恒張力過放繩長和恒張力過收繩長報警值。當卷筒鋼絲繩放纜長度小于恒張力過收報警值時，系統自動報警，為了防止拖船和被拖物距離過近，系統自動減小恒張力比例值，此時系統處于慢慢放纜狀態。當鋼絲繩放纜長度達到設置的恒張力過放報警值和恒張力過收報警值的平均值時，恒張力比例值恢復到原來值。當卷筒鋼絲繩放纜長度大于恒張力過放報警值時，系統自動報警，自動增加恒張力比例值。如果檢測到鋼絲繩拉力急劇增大，考慮到被拖物可能觸礁或出現其他故障，恒張力比例值恢復到原來值，系統報警音頻率提高，此時需要現場指揮人員根據現場情況判斷作出進一步操作。

3 結論

該650 kN液壓拖曳絞車控制系統能很好地滿足拖曳絞車的動作要求，在不增加硬件成本的情況下，有效地解決了卷筒鋼絲繩繩長和繩速不準確的問題。通過增加手柄分段斜坡控制，使控制動作更加平順，并減小了對液壓系統的沖擊。觸摸屏主界面能實時監控絞車狀態，當系統發生故障時，主界面可以智能提示故障位置和故障原因，從而達到了智能化監控的目的。該拖曳絞車已交付使用，效果良好。

[1] 張超. 海洋拖曳絞車液壓調速及張力波動抑制研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2011.

[2] 天津瑞馳船舶機械有限公司. 大型液壓拖纜機PLC控制系統: CN202201135U[P]. 2012-04-25.

[3] 崔堅. SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南[M]. 北京: 機械工業出版社, 2016.

[4] 張博, 王志信. 模塊化編程思想在PLC系統中應用[J]. 化工自動化及儀表, 2013(3): 416-418.

[5] 周海波. 基于恒張力特性的遠洋拖曳絞車液壓系統設計與調速分析[D]. 江蘇鎮江: 江蘇科技大學,2015.