一種工作艇收放裝置控制系統設計及關鍵技術研究

丁 平 石曉妹 李洪聰 劉 歡 朱德峰 陳黎明 李 兵

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

引 言

工作艇收放裝置是應用于船舶上的特種起重機械，主要功能是在母船上降放和回收工作艇［1］。

常見的工作艇收放裝置結構形式主要有單臂回轉型、折臂型和A字型，但對于控制系統基本大同小異。目前，工作艇收放裝置防擺罩的控制有主動式和被動式：主動式減擺控制屬于閉環控制，被動式減擺控制屬于開環控制。現有絕大多數工作艇收放裝置防擺罩基本都是被動減擺控制，通過阻尼油缸來抑制防擺罩的擺動，這就要求阻尼油缸的阻尼系數要和系統很好匹配，阻尼過大或過小，都起不到有效的減擺效果［2］。現有工作艇收放裝置都是通過螺旋限位器現場調整確定波浪補償高度，費時費力。因此，本文在詳細介紹控制系統設計的同時，提出防擺罩主動減擺技術，并采用編碼器代替螺旋限位器，簡便地確定波浪補償高度。同時，控制系統程序中增加手柄斜坡控制，提高了操作的微動性和平穩性。

1 系統總體設計

本文以60 kN工作艇收放裝置為研究對象。60 kN工作艇收放裝置為A型架結構，卷揚安裝在臂架上，結構緊湊。系統有一臺75 kW電機泵組。液壓泵站和啟動箱安裝在艙室內，控制箱、遙控操作盒和操作盒存放箱都安裝在工作艇收放裝置附近以便于操作。

電氣系統的結構框圖如圖1所示。啟動箱通過泵站接線盒采集現場泵站信號以及控制電機啟停，電機除濕和油箱加熱等，并給控制箱提供電源。工作艇收放裝置的操作位置主要在遙控操作盒，也可以通過控制箱的遠程操作切換旋鈕來選擇操作位置。控制箱是控制系統的核心，內部有PLC控制模塊，通過閥組接線盒控制工作艇收放裝置的電磁閥，通過臂架接線盒采集各傳感器信號，包括防擺罩上的雙軸角度傳感器信號和卷揚上的編碼器信號。

1.1 硬件設計

圖1 電氣系統結構框圖

60 kN工作艇收放裝置只有一個控制站點，即控制箱。控制器選用西門子CPU 1214C DC/DC/Rly型號，本體集成14點數字量輸入/10點數字量輸出，2路模擬量輸入，板載6路高速計數器。擴展模塊主要有：DI 16/DQ 16×24VDC數字量輸入輸出模塊兩塊，DI 16×24VDC數字量輸入模塊一塊，用于接收和控制系統各數字信號，AI 4×13BIT模擬量輸入模塊一塊，AQ 4×14BIT模擬量輸出模塊一塊。用于采集手柄信號、防擺罩角度信號，控制變幅比例閥和收放比例閥以及減擺油缸的控制。系統硬件組態如圖2所示。

圖2 系統硬件組態視圖

1.2 軟件設計

60 kN工作艇收放裝置的軟件設計只有控制程序設計。軟件開發工具為西門子TIA Portal V13。TIA博途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所有需求［3］。

系統控制程序采用模塊化設計［4］，程序邏輯條理清晰，把程序按控制功能分成若干程序塊，控制程序主要包括主程序Main（OB1）、Startup（OB100）、Cyclic interrupt（OB30）、電機控制（FC1）、報警及指示燈（FC2）、收放艇控制（FC3）、變幅控制（FC4）、電磁閥輸出控制（FC5）、TESTACK（FC6）、Joystick_ctrl_voltage（FB1）、Motor_Ctrl（FB2）等其他功能和功能塊以及數據塊DB。Startup功能塊主要設置了初始參數，防止系統參數數據丟失；Cyclic interrupt塊主要是調用PID功能塊，控制防擺罩的兩支油缸動作，保持防擺罩動態平衡。

2 系統關鍵技術研究

工作艇收放裝置控制系統的關鍵就是如何控制防擺罩的平衡和確定工作艇波浪補償高度，以及如何控制手柄，防止猛烈操作的瞬間沖擊。下面對這幾點關鍵技術進行闡述。

2.1 防擺罩平衡控制

常規的工作艇收放裝置防擺罩基本上都是通過阻尼油缸來被動控制防擺罩平衡。60 kN工作艇收放裝置在防擺罩上安裝了雙軸角度傳感器，用于檢測防擺罩X軸和Y軸的角度；再通過PID控制算法，分別控制X軸方向和Y軸方向的油缸動作，從而保證防擺罩的動態平衡。PID控制算法公式如下：

式中：y為PID算法的輸出值；Kp為比例增益；s為拉普拉斯運算符；b為比例作用權重；w為設定比較值；x為輸入過程值； Ti為積分作用時間；Td為微分作用時間；a為微分延遲系數；c為微分作用權重。

圖3 X軸向PID控制模塊

在控制程序中，Cyclic interrupt（OB30） 中 斷 塊 的循環調用PID功能塊，循環時間設置為100 ms，X軸向控制的油缸比例值和Y軸向控制的油缸比例值分別由不同的PID功能塊輸出控制。X軸方向的PID控制模塊如圖3所示，其中Setpoint為PID算法中的w，設置為0°，Input為PID算法中的x，為X軸方向角度值，Output_PER為PID算法中的y，控制X軸方向的油缸比例閥。

2.2 波浪補償高度計算

常規的工作艇收放裝置波浪補償高度都是通過螺旋限位器現場調整確定，需要拆開螺旋限位器，調整凸輪位置，費時費力。60 kN工作艇收放裝置通過在卷揚上安裝編碼器，實時計算工作艇高度，通過在控制箱內安裝波浪補償高度確認按鈕以及高度顯示儀表，簡便確定現場波浪補償高度。圖4為卷揚剖面示意圖［5］，圖5為工作艇收放裝置簡易模型圖。

圖4 卷揚剖面示意圖

圖5 工作艇收放裝置簡易模型圖

由圖4、圖5可知，設工作艇收放裝置上卷揚半徑為R，鋼絲繩半徑為r，卷揚每層纏繞鋼絲繩圈數為m，編碼器分別率為1 024 ppr，編碼器的當前總計數值為T，鋼絲繩總長為L，卷揚至滑輪1的長度為L1，滑輪1至滑輪2的長度為L2，滑輪2至工作艇的高度為LH，卷揚上纏繞鋼絲繩長度為LT，則當前總圈數M為T / 1 024。

當前層數N為T / 1 024取整，即：

當前層剩余圈數LS為：

則卷揚上纏繞鋼絲繩長度LT為：

式中：N≥1，當N = 0時，式（4）可簡化為：

則滑輪2至工作艇的高度LH為：

實際現場使用中，在舷外到位信號觸發情況下，工作艇降放至接近海面位置，按下波浪補償高度確認按鈕，記錄當前工作艇高度LH為現場波浪補償高度，顯示儀表顯示當前波浪補償觸發高度。遇到不同船型，只需要按下波浪補償高度確認按鈕重新確定即可，方便快捷。程序中設定［LH-1.5M，LH+1.8M］都是絞車波浪補償范圍，當然這1.8 M和1.5 M也可以更改設定。

2.3 手柄斜坡控制

控制手柄增加斜坡控制，主要就是為防止猛烈操作時手柄輸出信號突然改變，導致手柄控制動作的突變，加入斜坡控制，使初始動作更平穩，而且斜坡值還可以分段控制，在手柄的前半程，步進值較小；在手柄的后半程，步進值較大，以防止手柄操作出現明顯的遲鈍現象。手柄斜坡控制和手柄動作控制集成在一個功能塊中，如圖6所示。

圖6 手柄控制功能塊

3 結 語

60 kN工作艇收放裝置控制系統能較好滿足設備的動作要求：通過增加防擺罩主動減擺技術，能有效控制防擺罩的動態平衡，與以往阻尼油缸的被動控制相比，控制效果明顯改善；進一步改進了波浪補償高度調整方法，用編碼器代替螺旋限位器，只要按下波浪補償高度確認按鈕，就能確定波浪補償高度條件，還能顯示當前波浪補償高度，簡單方便；通過增加手柄斜坡控制，使控制動作更加平穩，同時有效減小對液壓系統的沖擊，達到很好的控制效果。