海底挖溝機(jī)吊放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

屠 偉，徐 偉，丁 鑫

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

海洋蘊(yùn)藏了豐富的能源資源，海底的石油和天然氣開(kāi)采后，需要使用管道進(jìn)行運(yùn)輸。海底挖溝機(jī)是海底挖溝鋪管的機(jī)械設(shè)備，吊放裝置是挖溝鋪纜的重要配套系統(tǒng)，通過(guò)門(mén)架將海底挖溝機(jī)從船上移到船舷外，通過(guò)絞車(chē)將海底挖溝機(jī)放到海底，并在海底挖溝作業(yè)時(shí)提供恒定的牽引力[1-3]。

1 海底挖溝機(jī)吊放控制系統(tǒng)

海底挖溝機(jī)吊放裝置組成見(jiàn)圖1，主要包括機(jī)械、液壓和電控系統(tǒng)。機(jī)械主要包括門(mén)架和絞車(chē)。門(mén)架是通過(guò)液壓動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)，絞車(chē)是通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)主要包括配電柜、控制柜、中央操作臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)和變頻柜組成。配電柜給控制系統(tǒng)提供電源，控制柜采集外部傳感器信號(hào)，通過(guò)邏輯運(yùn)算后，輸出控制指令，中央控制臺(tái)在駕駛室可以操作門(mén)架和絞車(chē)，現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)在絞車(chē)艙，用于絞車(chē)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維修。變頻柜中裝有變頻器，用于變頻驅(qū)動(dòng)絞車(chē)。

圖1 海底挖溝機(jī)吊放裝置示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2，控制柜為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）主站，控制器采用西門(mén)子CPU1511-1 PN，中央操作臺(tái)為從站1，屏幕為西門(mén)子的TP1200精智面板，現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)為從站2，屏幕為西門(mén)子的TP700精智面板，從站選用IM155-5 PN ST接口模塊，變頻器采用ABB FPNO-21現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)適配器，主站、從站、變頻器和HMI之間采用PROFINET總線(xiàn)進(jìn)行通信。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

主站拓展模塊包括：1個(gè)DI 32×24VDC HF數(shù)字量輸入模塊，用于配電柜、液壓動(dòng)力單元、外部傳感器等的狀態(tài)檢測(cè)；2個(gè)DQ32×24VDC/0.5A HF數(shù)字量輸出模塊，用于輸出中間繼電器、液壓電磁閥等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；1個(gè)AI 8×U/I HS模擬量輸入模塊，用于檢測(cè)液壓油箱溫度、液位、主泵壓力、絞車(chē)張力等模擬量信號(hào)；1個(gè)AQ8×U/I HS模擬量輸出模塊，用于輸出液壓比例閥的控制信號(hào)；1個(gè)TM Count2×24V工藝模塊，用于測(cè)量絞車(chē)卷筒的轉(zhuǎn)速。

從站拓展模塊包括：1個(gè)DI 32×24VDC HF數(shù)字量輸入模塊，用于控制面板上操作按鈕和選擇開(kāi)關(guān)的輸入檢測(cè)；1個(gè)DQ32×24VDC/0.5A HF數(shù)字量輸出模塊，用于控制面板上的指示燈、蜂鳴器的狀態(tài)輸出；1個(gè)AI 8×U/I HS模擬量輸入模塊，用于檢測(cè)控制面板上操作手柄的模擬量指令信號(hào)。

變頻器采用ABB集團(tuán)的ACS880-07系列變頻器，PLC主站與ABB變頻器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)適配器現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以太網(wǎng)輸入輸出（Fieldbus Profinet IO，F(xiàn)PNO）進(jìn)行通信，參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象 （Parameter Processdata Object，PPO）類(lèi)型選擇PPO6，分配的通信地址等信息見(jiàn)圖3。

圖3 通信適配器FPNO 概況

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用西門(mén)子TIA Portal V15.1軟件，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于軟件開(kāi)發(fā)，圖4為控制系統(tǒng)主要功能的軟件框圖。主程序OB1主要包含以下功能程序塊：報(bào)警功能FC10、狀態(tài)功能FC20、門(mén)架功能FC50和絞車(chē)功能FC60。門(mén)架功能FC50包含電機(jī)控制FC51和液壓邏輯FC52；絞車(chē)功能FC60包含絞車(chē)控制FC61、變頻器通信FC62和變頻器控制FC63。

圖4 軟件主要功能框圖

電機(jī)控制FC51含有2臺(tái)主泵電機(jī)啟動(dòng)和停止的控制邏輯，液壓邏輯FC52含有系統(tǒng)所有液壓閥的控制邏輯時(shí)序，主要實(shí)現(xiàn)門(mén)架的擺出和擺入等動(dòng)作。絞車(chē)控制FC61含有恒張力功能，當(dāng)海底挖溝機(jī)在海底準(zhǔn)備開(kāi)始作業(yè)時(shí)，絞車(chē)需要切換到恒張力牽引狀態(tài)，纜繩的張力保持在恒定的范圍以?xún)?nèi)，實(shí)際的張力值可以通過(guò)銷(xiāo)軸傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)纜繩張力處于正常變化范圍內(nèi)，絞車(chē)不做收放纜動(dòng)作，保持纜繩長(zhǎng)度不變。當(dāng)張力大于設(shè)定值后，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)快速放纜一定繩長(zhǎng)，將張力降低至設(shè)定值以?xún)?nèi)。

變頻器通信FC62用于PLC與變頻器進(jìn)行通信，變頻器控制FC63用于變頻器控制字的每一位進(jìn)行定義。變頻器的主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，電機(jī)控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的高精度控制。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的輸入數(shù)據(jù)為16位的狀態(tài)字和實(shí)際值，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的輸出數(shù)據(jù)為16位的控制字和給定值。

表1 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

2.3 畫(huà)面設(shè)計(jì)

畫(huà)面主頁(yè)面見(jiàn)圖5，主要包括主頁(yè)面、報(bào)警頁(yè)面和設(shè)置頁(yè)面，能實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的狀態(tài)。主頁(yè)面主要含有A架、絞車(chē)和系統(tǒng)的參數(shù)信息。A架信息包括液壓油箱的溫度和液位、液壓系統(tǒng)壓力、電機(jī)啟停狀態(tài)、A架變幅角度、油缸位移偏差和操作手柄狀態(tài)等。絞車(chē)信息包括絞車(chē)?yán)K速、張力、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流、剎車(chē)狀態(tài)和控制模式選擇等。系統(tǒng)信息包括重載允許、試燈、啟泵位置和操作位置等。報(bào)警頁(yè)面記錄了系統(tǒng)的報(bào)警數(shù)據(jù)，用于提示報(bào)警、方便查詢(xún)和處理報(bào)警故障。設(shè)置頁(yè)面主要用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如絞車(chē)最大圈數(shù)設(shè)置和比例閥參數(shù)設(shè)置等。

圖5 畫(huà)面主界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)1套海底挖溝機(jī)吊放控制系統(tǒng)，詳細(xì)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件、軟件和畫(huà)面，并在實(shí)船上進(jìn)行挖溝鋪管作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能有效地滿(mǎn)足功能需求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可為類(lèi)似的吊放裝置控制系統(tǒng)的研制提供參考。