線性絞車電控系統開發與應用

王 聞

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

近年來，伴隨著我國經濟的不斷發展，水路運輸這一最經濟的運輸方式得到越來越廣泛的應用，貨物以及運輸船只的總量不斷增加，造成了航道擁擠的現象。船舶碰撞以及沉沒事故也逐年增長，如何能夠安全、快速、高效地打撈沉船，已成為交通部打撈局亟待解決的問題，而對于大型沉船的打撈則是重中之重。經過一系列案例分析和各種打撈方法的比較，發現液壓同步牽引（提升）技術在業內有著巨大的優勢，由此引出了液壓同步牽引技術的核心裝備—線性絞車。

線性絞車具有牽引力大、設備體積小、運行平穩、可以單臺應用也可以多臺同步控制、操作系統簡單等特點，在我國大型船舶打撈項目中得到了非常廣泛的應用。正是基于此，交通部廣州打撈局決定建造2艘浮力打撈工程船，并在2艘駁船甲板上分別布置28臺線性絞車；鋼絲繩穿過難船后經導向輪裝置中的定滑輪轉向，受線性絞車夾持，則有多臺線性絞車牽引共同抬浮難船。56臺絞車同時牽引抬浮沉船，抬浮力可達252 000 kN。在打撈項目中，如何能夠使兩船保持通訊暢通、精準控制每1臺線性絞車、平穩地打撈沉船是此項目電控系統的關鍵和難點。線性絞車打撈工藝圖如圖1所示。

圖1 線性絞車打撈工藝圖

1 電控系統組成

此項目電控系統分為2組，分別放置在A、B這2條船上，每艘船上有1個遠程控制室，用于對 28臺線性絞車進行遠程聯動控制和狀態監控；7個電控柜，用于動力站和線性絞車的單臺本地控制；28個本地信號箱，用于采集絞車本體的上的傳感器信號。電控系統組成如圖2所示。

圖2 電控系統組成示意圖

2 電控系統通訊架構

2條船（A船、B船）之間的通訊方式為無線通訊，為了提高無線通訊的安全性和可靠性，采用雙射頻冗余系統（2.4 GHz, 5 GHz），2路通訊之間可實現無時差的無縫切換。遠程控制室和本地控制柜采用5 GHz無線通訊，留有硬件接口，在緊急情況下可網線連接。本地控制柜與絞車信號箱之間采用PROFIBUS-DP通訊，為了提高絞車的可替換性，采用星型連接方式，可保證單臺通訊故障時不會使其他站點通訊丟失。

在軟件通訊組態方面，2條船遠程控制室的通訊模塊各設1個無線主站AP，采用橋接的方式連接，以保證傳輸速率。將每個本地控制柜的無線模塊設為通訊客戶端，與本船的主站AP相連，各個本地控制柜之間相互獨立，且采用 IPCF功能，保證客戶端與主站AP間的有序問詢、不丟包。2船間通訊如圖3所示。

在控制方面，每個本地控制柜單獨放置1個CPU，自成系統，即使在動力站與遠程控制室通訊丟失的情況下，仍然可以在本地控制動力站和絞車，確保了單套控制系統的獨立性；每個動力站的程序完全相同，大大提高了編程效率。此外，動力站CPU和遠程控制室內的CPU之間采用激活 I-device功能的 Profinet通訊，取代了原來的S7內部通訊技術，大大提高了傳輸速率，確保了數據傳輸的實時性。

圖3 兩船間通訊示意圖

3 單臺線性絞車的控制

線性絞車包括前后2個夾具，其中前夾具可跟隨主推油缸移動；后夾具的位置是相對固定的，不可跟隨移動。在實際工作中，前夾具夾緊鋼絲繩、后夾具松開，前夾具跟隨主推油缸運動；當主推油缸伸出到達極限位置時，后夾具夾緊、前夾具松開；達到“換手”目的后，主推油缸縮回到達極限位置，完成1個行程。不斷重復這個動作，便可以將待打撈的船舶抬升到一定的高度。線性絞車布置如圖4所示。

控制中的難點在于“換手”這個動作的流暢性。由于線性絞車的夾具是V型結構，當作用在鋼絲繩上的力較大時，夾緊夾具上的力便難以卸掉，這就會造成夾具打開不順暢。夾具不能及時的松開，便會對絞車的機械結構造成損傷。必要時采取停車動作，這時就需要主推油缸給夾緊夾具提供1個附加力來協助夾具打開。在程序設計中具的體解決辦法為：當線性絞車處于收繩狀態（主推油缸伸出是有效動作）、主推油缸還未完全到達伸出極限位置時，提前給后夾具夾緊指令，待收到夾緊信號反饋后，給前夾具松開指令，同時給主推油缸縮回指令；待前夾具松開后，主推油缸再進行正常的動作。同理，如果想讓后夾具的力能夠順利轉移到前夾具，需要在主推油缸還沒有縮回到極限位置時，提前給前夾具夾緊指令；收到夾緊信號反饋后，給后夾具松開指令，同時給主推油缸伸出指令，以此達到順利“換手”的目的。需要注意的是，如果絞車處在放繩狀態（主推油缸縮回是有效動作），則主推油缸提供的附加力方向與實際運行方向相反，需要給主推油缸留有更大的行程余量來確保“換手”動作的順利完成。由此，既保證了絞車安全性，又提高了工作效率。單臺線性絞車控制邏輯如圖5所示。

圖4 線性絞車布置圖

圖5 單臺線性絞車控制邏輯

4 線性絞車聯動控制

在實際打撈沉船項目中，需要對所有線性絞車實現聯動控制。在中央控制室內設有1個遠程操作臺，操作臺上配有人機界面操作屏和CCTV監視屏。通過人機界面操作屏可同時操作本船所選的所有絞車，CCTV監視屏也可看到本船及相鄰船舶絞車的實時狀態。人機界面主要包括緊停按鈕、故障復位、狀態選擇、自動操作、手動操作、位移同步等操作。在打撈作業時，操作人員選擇所要控制的絞車編號和操作模式，并按下指令按鈕，由此，所選擇的絞車便會同步進行相應的動作。聯動控制操作界面如圖6所示。

聯動控制中的難點在于除了控制集群絞車的統一動作外，還須保證線性絞車行程的同步，進而使沉船各牽引點的位置同步。一旦同步性不好，便會造成2船絞車的受力不均，損壞機械結構，因此必要時只能采取停車動作。為了避免此類情況的發生，需要采用位移同步。位移同步的編程思路是通過安裝在主推油缸的拉繩編碼器計算出鋼絲繩的運行長度；在進行位移同步工作時，首先按下初始復位按鈕，主推油缸均縮回都極限位置；程序中的編碼器、所有絞車的置位都到達零位后，按下啟動按鈕，主推油缸開始進行伸出動作。在線性絞車帶載運行過程中，通過編碼器的讀數計算出油缸的伸出長度，從而換算出牽引點的上升高度。將所有絞車油缸伸出的長度之差控制在一定范圍內，如某臺絞車伸出長度較快，則減小速度；反之，則增大速度，由此形成閉環控制。待油缸運行到預設值之后，絞車停止；待所有絞車到達預設值之后，1個位移同步動作完成。

圖6 聯動控制操作界面

6 電控系統中的可靠性保護

在進行電控設計時，須考慮到系統的可靠性。在硬件方面，采用屏蔽、隔離以及濾波等措施來減少其他信號的干擾。在遠程控制室內設有UPS對整個系統進行掉電保護，選用的PLC和工控機中存儲內容保護和自我診斷功能。在軟件方面，當液壓系統有低油位、高溫等故障報警時，液壓站停機；當絞車進行聯動運行時，任何1臺絞車的拉力超標或運行距離超過設定值，則整個控制系統停止動作，并伴有聲光報警提示。此外，在現場布線時，動力線和控制線分開布置，模擬量信號采用屏蔽雙絞線，從而確保整個系統具有良好的電磁兼容性。

7 結論

線性絞車電控系統所采用的無線通訊技術高效可靠、免布線，減少了現場施工人員的工作量。絞車的單動和聯動控制以及友好的人機界面操作，讓工程作業人員可以非常方便地控制全船所有作業中的線性絞車。通過調整每個絞車的拉力和繩長，精確地控制待打撈沉船的位置。電控系統的可靠性降低了打撈作業的風險，提高了作業效率。近年來，利用線性絞車打撈沉船技術在國內得到了越來越廣泛的應用，此套電控系統已順利完成數個打撈作業，得到了用戶的一致好評。

本文通過分析此套自主研發的電控系統，掌握了線性絞車在沉船打撈作業時的使用工況、自動控制中的難點以及人機界面的應用，積累了一些技術經驗，為我國沉船打撈技術提供了強有力的保障，也為同類工程項目提供了借鑒與參考。