一種錨機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周玉哲, 胡 屾, 張 恒, 李艷春

武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司, 武漢 430084)

0 引 言

錨機(jī)是船舶航行和靠泊所需的重要設(shè)備,在固定船位、減小船速,以及協(xié)助船舶掉頭、靠離碼頭和緊急避險(xiǎn)等方面具有重要作用[1]。當(dāng)前常用的錨機(jī)電控系統(tǒng)的功能仍停留在簡(jiǎn)單的啟泵和停泵上,其剎車系統(tǒng)和離合器等設(shè)備的操作均需人員在機(jī)旁手動(dòng)完成,未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在開展拋錨作業(yè)時(shí),錨機(jī)操作人員需與駕駛室工作人員保持通話,以實(shí)時(shí)獲取船舶吃水和水深等信息,由此估算錨鏈放出長(zhǎng)度;在拋錨過程中,錨機(jī)操作人員需根據(jù)拋錨速度手動(dòng)調(diào)整剎車首輪,對(duì)錨鏈輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)制動(dòng),風(fēng)險(xiǎn)較高。因此,提升錨機(jī)的自動(dòng)化水平,并讓操作人員遠(yuǎn)離錨機(jī),對(duì)于提升拋錨效率和降低拋錨風(fēng)險(xiǎn)而言具有重要意義。

2018年12月27日,工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部和國防科工局聯(lián)合印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019—2021年)》,要求不斷拓展船舶及智能系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用范圍,以技術(shù)發(fā)展為牽引,以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,統(tǒng)籌推進(jìn)內(nèi)河、沿海和遠(yuǎn)洋各類智能船舶的試點(diǎn)示范,將海洋工程裝備和高技術(shù)船舶作為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一加快推進(jìn)。這表明,在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下,智能制造已成為船舶制造和航運(yùn)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn),船用配套設(shè)備亟需通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)[2-3]。

為改變傳統(tǒng)的錨機(jī)控制方式,滿足船舶對(duì)錨機(jī)智能控制功能的需求,通過將自動(dòng)化控制與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)一種錨機(jī)智能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)錨機(jī)的智能操控和監(jiān)測(cè)。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

錨機(jī)智能控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)見圖1,大致分為數(shù)據(jù)管理層(包含機(jī)旁控制臺(tái)觸摸屏和駕駛室控制臺(tái)觸摸屏)、控制層(包含機(jī)艙控制單元、機(jī)旁控制臺(tái)和駕駛室控制臺(tái))和數(shù)據(jù)采集層(包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)、各種檢測(cè)開關(guān)和傳感器)等3層。這3層系統(tǒng)相互獨(dú)立,下層設(shè)備向上層設(shè)備提供數(shù)據(jù)服務(wù),同時(shí)接收并執(zhí)行上層設(shè)備發(fā)出的控制指令。

圖1 錨機(jī)智能控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)管理層主要包含機(jī)旁控制臺(tái)觸摸屏和駕駛室控制臺(tái)觸摸屏,機(jī)旁控制臺(tái)和駕駛室控制臺(tái)是錨機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互功能組件,均配置有按鈕、操控手柄和觸摸屏,負(fù)責(zé)對(duì)錨機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,以及對(duì)相關(guān)操作指令進(jìn)行采集;

2) 控制層的主體為機(jī)艙控制單元柜,負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)采集層采集到的底層狀態(tài)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)管理層發(fā)出的操作指令,并將最終的控制指令傳輸給數(shù)據(jù)采集層的各執(zhí)行機(jī)構(gòu);

3) 數(shù)據(jù)采集層由位于底層的各類傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

2 控制系統(tǒng)組成

從功能上看,錨機(jī)智能控制系統(tǒng)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件、控制功能組件、人機(jī)交互組件、監(jiān)控組件和數(shù)據(jù)采集組件等5個(gè)組件組成,見圖2。

圖2 錨機(jī)智能控制系統(tǒng)組成

1) 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件是控制系統(tǒng)的動(dòng)力輸出單元,由主泵啟動(dòng)器和伺服泵啟動(dòng)器組成,分別為錨機(jī)的主泵電機(jī)和伺服泵電機(jī)提供動(dòng)力;

2) 控制功能組件為機(jī)艙控制單元柜,是控制系統(tǒng)的核心,其與駕駛室控制臺(tái)和集控室控制臺(tái)通過光纖進(jìn)行以太網(wǎng)通信,并通過RS(Recommended Standard)總線或硬線采集各傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù);

3) 人機(jī)交互組件包含駕駛室控制臺(tái)和機(jī)旁控制臺(tái),是控制系統(tǒng)操作指令采集和狀態(tài)顯示的載體;

4) 監(jiān)控組件包含1套CCTV(Closed Circuit Television)監(jiān)控系統(tǒng),主要用于監(jiān)控錨機(jī)、止鏈器和錨鏈的狀態(tài);

5) 數(shù)據(jù)采集組件包含各類傳感器和檢測(cè)裝置,用于監(jiān)控各設(shè)備的狀態(tài)和反饋各操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件

主泵啟動(dòng)器為組合式啟動(dòng)器,配置有2套電機(jī)啟?？刂苹芈?啟動(dòng)方式均為星三角啟動(dòng),為主泵站的2臺(tái)132 kW電機(jī)提供啟停功能;伺服啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng),驅(qū)動(dòng)7.5 kW的伺服泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。各啟動(dòng)器中均配置有過載、斷相的報(bào)警開關(guān)和電流變送器,用于對(duì)電機(jī)泵站電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 人機(jī)交互組件

機(jī)旁控制臺(tái)和駕駛室控制臺(tái)是錨機(jī)控制系統(tǒng)的操控中心和狀態(tài)監(jiān)控中心,采用模塊化設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)在機(jī)旁和駕駛室對(duì)錨機(jī)進(jìn)行操控信息采集和狀態(tài)監(jiān)控,其中機(jī)旁控制臺(tái)安裝在艏部甲板面上,距離錨機(jī)較近,操控權(quán)限較大,可對(duì)控制位置進(jìn)行切換,并對(duì)控制系統(tǒng)的主要控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。圖3為機(jī)旁控制臺(tái)實(shí)物圖。

圖3 機(jī)旁控制臺(tái)實(shí)物圖

機(jī)旁控制臺(tái)采用立桿方式安裝,帶防護(hù)罩,防護(hù)等級(jí)為IP56,其基本配置如下:

1) 操作單元。控制臺(tái)面板上布置有多個(gè)帶燈按鈕,分別用于實(shí)現(xiàn)對(duì)主泵和伺服泵電機(jī)的啟停控制,對(duì)離合器、止鏈器和制動(dòng)器等機(jī)構(gòu)的獨(dú)立操作,一鍵備錨、拋錨和收錨,以及對(duì)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的指示等?？刂婆_(tái)上配置有1個(gè)操作手柄,雙向操作均可輸出4～20 mA電流信號(hào),手柄上帶有2個(gè)微動(dòng)開關(guān),用于判斷手柄的操作方向。面板上安裝有1個(gè)權(quán)限切換旋鈕,可對(duì)控制系統(tǒng)在機(jī)旁、駕駛室和岸基的操作權(quán)限進(jìn)行切換。

2) 控制單元。機(jī)旁控制臺(tái)內(nèi)部配置有1套西門子1200系列可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC),用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理,中央處理器(Central Processing Unit, CPU)型號(hào)為6ES7 214-1HG40-0XB0,帶有以太網(wǎng)通信端口,通過機(jī)艙控制單元柜內(nèi)的交換機(jī)與機(jī)艙控制單元的PLC建立以太網(wǎng)通信;數(shù)字量輸入/輸出模塊的型號(hào)為6ES7 223-1BL32-0XB0;模擬量輸入模塊的型號(hào)為6ES7 231-4HD32-0XB0。此外,機(jī)艙控制單元柜內(nèi)配置有1個(gè)AC 220 V /DC 24 V的開關(guān)電源,為控制系統(tǒng)提供DC 24 V電源。機(jī)旁控制臺(tái)PLC的硬件組態(tài)見圖4。

圖4 機(jī)旁控制臺(tái)PLC的硬件組態(tài)

3) 顯示單元?？刂婆_(tái)面板上安裝有1塊北爾X2 Pro7觸摸屏,觸摸屏上配置有太網(wǎng)通信端口和RS485通信端口,通過機(jī)艙控制單元柜內(nèi)的交換機(jī)與機(jī)艙控制單元的PLC建立以太網(wǎng)通信。

駕駛室控制臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)錨機(jī)的遙控操作,采用單立斜面式操作臺(tái),防護(hù)等級(jí)為IP44,見圖5。駕駛室控制臺(tái)沒有權(quán)限切換功能,當(dāng)將機(jī)旁控制臺(tái)的權(quán)限旋鈕切換至駕駛室時(shí),駕駛室控制臺(tái)獲取操控權(quán)限。除了權(quán)限切換功能,駕駛室控制臺(tái)的控制功能與機(jī)旁控制臺(tái)一致。

圖5 駕駛室控制臺(tái)實(shí)物圖

駕駛室控制臺(tái)與機(jī)艙控制單元柜的通信距離約為300 m,駕駛室控制臺(tái)內(nèi)配有FL SWITCH SFNT 4TX/FX型交換機(jī),帶有8個(gè)TP RJ45端口和2個(gè)SC(Subscriber Connector)光纖通信端口,其中駕駛室觸摸屏和船基智能集成平臺(tái)均通過RJ45端口與駕駛室控制臺(tái)的PLC建立以太網(wǎng)通信,駕駛室控制臺(tái)的PLC與機(jī)艙控制單元的PLC通過SC光纖通信端口建立以太網(wǎng)通信。

3.3 控制功能組件

控制功能組件的主體為機(jī)艙控制單元柜,是錨機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制核心,是實(shí)現(xiàn)錨機(jī)邏輯控制、安保和狀態(tài)檢測(cè)等功能的主體。機(jī)艙控制單元采集底層傳感器和檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)信號(hào),例如:采集泵站出口壓力、油液清潔度、油液溫度、電機(jī)電流和錨鏈輪轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信號(hào),用于對(duì)錨機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè);采集離合器、制動(dòng)器和止鏈器閘刀等動(dòng)作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào),用于反饋控制功能。機(jī)艙控制單元配置如下:

1) 控制單元?？刂坪诵氖且惶孜鏖T子1200系列PLC,包含1個(gè)CPU模塊6ES7 214-1HG40-0XB0、1個(gè)16路數(shù)字量輸入/輸出模塊6ES7 223-1PL32-0XB0、1個(gè)8路數(shù)字量輸入/輸出模塊6ES7 223-1PL32-0XB0、1個(gè)8路模擬量輸入模塊6ES7 231-4HF32-0XB0、1個(gè)8路熱電阻輸入模塊6ES7 231-5PF32-0XB0和1個(gè)4路模擬量輸出模塊6ES7 232-4HD32-0XB0。機(jī)艙控制單元PLC的硬件組態(tài)見圖6。

圖6 機(jī)艙控制單元PLC的硬件組態(tài)

機(jī)艙控制單元柜內(nèi)安裝的交換機(jī)的型號(hào)與駕駛室控制臺(tái)相同;機(jī)旁控制臺(tái)PLC和觸摸屏均通過RJ45端口與機(jī)艙控制單元PLC通信;SC端口用于實(shí)現(xiàn)機(jī)艙控制單元PLC和駕駛室PLC的遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D7。

圖7 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2) 動(dòng)力單元。機(jī)艙控制單元柜距離機(jī)艙較遠(yuǎn),為避免直流遠(yuǎn)距離傳輸出現(xiàn)壓降,控制柜進(jìn)線電源采用AC 220 V電源,通過在柜內(nèi)安裝1個(gè)QUINT4-PS/1AC/DC24 V電源模塊為系統(tǒng)供電。由于柜內(nèi)安裝有多個(gè)模擬量輸入輸出模塊,為避免信號(hào)因受到外部電磁的干擾而出現(xiàn)漂移,在柜內(nèi)的電源進(jìn)線處額外增加1臺(tái)濾波器,降低外部電磁的干擾,增強(qiáng)柜內(nèi)信號(hào)的穩(wěn)定性。

3) 驅(qū)動(dòng)單元。系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括遙控液壓電機(jī)(收錨和放錨)、制動(dòng)器油缸、離合器油缸、止鏈器閘刀油缸和止鏈器閘刀插銷油缸等。電控柜內(nèi)配置有不同的驅(qū)動(dòng)器,分別驅(qū)動(dòng)這些動(dòng)作機(jī)構(gòu)運(yùn)行,其中:遙控液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由模擬量輸出模塊的0～10 V電壓信號(hào)通過柜內(nèi)的放大器驅(qū)動(dòng);制動(dòng)器油缸行程的動(dòng)態(tài)調(diào)整由比例閥控制,控制信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào);其他動(dòng)作機(jī)構(gòu)均為開關(guān)閥,由PLC通過繼電器驅(qū)動(dòng)。

3.4 監(jiān)控功能組件

CCTV監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控錨機(jī)、止鏈器和錨鏈的狀態(tài),確保在駕駛室和岸基遙控操作時(shí)能實(shí)時(shí)對(duì)錨機(jī)進(jìn)行監(jiān)控[4]。顯示器和控制鍵盤均安裝在駕駛室控制臺(tái)的臺(tái)面上,主機(jī)安裝在駕駛室控制臺(tái)柜內(nèi)。CCTV監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖將視頻信息遠(yuǎn)程傳輸給駕駛室,實(shí)現(xiàn)在駕駛室對(duì)錨機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.5 數(shù)據(jù)采集功能組件

系統(tǒng)配置有各類傳感器和檢測(cè)開關(guān)等數(shù)據(jù)采集裝置,對(duì)錨機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)和報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并以離散和模擬量的形式傳輸給機(jī)艙控制單元PLC。

1) 主泵站及伺服泵站液位開關(guān)、溫度傳感器和出口壓力傳感器分別采集主泵及伺服泵油箱的液位狀態(tài)、油液溫度和電機(jī)出口壓力;

2) 主泵和伺服泵啟動(dòng)器內(nèi)的過載、相序、電流變送器分別采集主泵和伺服泵啟動(dòng)器的過載報(bào)警、相序報(bào)警信息和電機(jī)實(shí)時(shí)電流;

3) 主泵電機(jī)出口處安裝有1套油液水分及顆粒度檢測(cè)傳感器,用于檢測(cè)主泵油液的清潔度;

4) 制動(dòng)器接近開關(guān)、離合器接近開關(guān)、止鏈器閘刀接近開關(guān)和止鏈器插銷接近開關(guān)分別用于檢測(cè)制動(dòng)器、離合器、止鏈器和止鏈器插銷的工作狀態(tài);

5) 測(cè)速接近開關(guān)和轉(zhuǎn)速編碼器同時(shí)測(cè)算錨鏈輪轉(zhuǎn)速和錨鏈放出長(zhǎng)度,2套系統(tǒng)均為冗余測(cè)速系統(tǒng),避免在一鍵智能拋錨時(shí)因測(cè)速裝置發(fā)生故障而導(dǎo)致制動(dòng)失控;

6) 止鏈器閘刀的銷軸上安裝有1臺(tái)張力傳感器,用于檢測(cè)錨鏈的受力狀態(tài),當(dāng)錨鏈?zhǔn)芰^大時(shí),提供拉力超限報(bào)警。

4 軟件設(shè)計(jì)

智能錨機(jī)控制系統(tǒng)軟件由PLC控制軟件和觸摸屏人機(jī)交互軟件2部分組成,其中:PLC控制軟件包含機(jī)艙控制單元柜控制軟件、機(jī)旁控制臺(tái)控制軟件和駕駛室控制臺(tái)控制軟件,采用西門子Portal V13 SPI軟件開發(fā);觸摸屏人機(jī)交互軟件包含機(jī)旁控制臺(tái)觸摸屏軟件和駕駛室控制臺(tái)觸摸屏軟件,采用北爾IX/Developer 240 SP5軟件平臺(tái)開發(fā)。各控制站點(diǎn)PLC之間的通信為PROFINET S7通信,PLC與觸摸屏之間的通信為PROFINET TCP(Transmission Control Protocol)通信?？刂栖浖軜?gòu)見圖8。

圖8 控制軟件架構(gòu)

機(jī)艙控制單元通過傳感器和檢測(cè)開關(guān)等設(shè)備讀取錨機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息,識(shí)別并提取各監(jiān)控對(duì)象的特征信號(hào),將其作為評(píng)估錨機(jī)健康狀態(tài)的輸入?yún)?shù),建立各監(jiān)控對(duì)象的健康狀態(tài)模型,基于該模型生成故障報(bào)警、故障診斷和故障設(shè)備維護(hù)維修方法[5],通過以太網(wǎng)通信發(fā)送給人機(jī)交互界面,觸發(fā)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)、故障預(yù)警和檢修方案,提供給用戶,見圖9。同時(shí),機(jī)艙控制單元PLC接收駕駛室和機(jī)旁控制臺(tái)發(fā)送的操控指令,以及船基智能集成平臺(tái)提供的船舶航速、水深和船舶吃水等信息,結(jié)合各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào),經(jīng)內(nèi)部邏輯處理之后,向各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的油缸電磁閥、比例閥和電機(jī)啟動(dòng)器等輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)執(zhí)行一鍵啟錨、備錨和拋錨等動(dòng)作。

圖9 控制臺(tái)觸摸屏

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

2021年在山東海運(yùn)股份有限公司的21萬噸級(jí)散貨船“新時(shí)代”輪上對(duì)搭載智能控制系統(tǒng)的船用錨機(jī)進(jìn)行了實(shí)船應(yīng)用,在上海外高橋船廠碼頭對(duì)該智能錨機(jī)進(jìn)行了設(shè)備調(diào)試和報(bào)驗(yàn)工作,并完成了海試。在海試過程中分別在錨地和82.5 m水深海域進(jìn)行了起錨和拋錨功能試驗(yàn),并在機(jī)旁和駕駛室進(jìn)行了一鍵備錨、一鍵拋錨和一鍵起錨等功能測(cè)試。這些試驗(yàn)均通過了用戶和中國船級(jí)社的驗(yàn)收,該錨機(jī)智能控制系統(tǒng)的性能得到了驗(yàn)證。2022年3月4日,“新時(shí)代”輪在上海外高橋船廠交付,目前該船處于商業(yè)運(yùn)營(yíng)中,其錨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好。

6 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)錨機(jī)采用的機(jī)旁控制方式的基礎(chǔ)上,通過一系列智能化升級(jí)改造,使錨機(jī)控制系統(tǒng)具備了在機(jī)旁和駕駛室一鍵操控錨機(jī)的功能和對(duì)錨機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能,以自動(dòng)化、數(shù)字化和精準(zhǔn)化的信息系統(tǒng)集成操控模式替代了傳統(tǒng)的人工手動(dòng)操控模式,提升了錨泊作業(yè)的平穩(wěn)性和安全性,以及錨泊設(shè)備的可維護(hù)性,改善了用戶的使用體驗(yàn)。