變動負荷算法在浮塢自動調載上的應用

陳世波 龐洪波

摘要：大部分船舶工作時貨物相對船體是固定不動的，所以船舶的重心也是穩(wěn)定的。在特殊情況下，船舶工作時其承載的貨物相對船體是有位移變化的，像我廠采用“船臺船舶整船拉移下水”用的浮船塢。當船從船臺向船塢內(nèi)平移過程中，船體重量就從浮船塢的一端逐漸向另一端移動，直至船完全平移到浮船塢上為止。本文對如何解決在負荷移動過程中快速、準確地自動調整壓載水問題進行了探討。

關鍵詞：浮塢壓載；數(shù)學模型；自動化系統(tǒng)

1 前言

我廠用于整船下水的浮塢有24個壓載艙，每個艙中安裝有用于測量壓載水位的傳感器。并在船艏、船舯、船艉均裝有吃水傳感器，用于測量船體吃水情況，從而可知浮塢在水中的浮態(tài)。以往我們都是利用人工的方法進行調載，由于調載精度低、速度慢，時常發(fā)生船舶在平移過程中停下來等待滑道調平的情況。同時由于潮汐的變化和受重后浮船塢的水平偏轉，浮船塢上滑道經(jīng)常偏離船臺滑道，使船體局部受力過大，甚至發(fā)生局部變形。

2 數(shù)學模型

2.1 船臺下水示意圖（圖1）

圖1 船臺下水示意圖

2.2 數(shù)學公式

當船舶從浮塢的一端向另一端移動時，塢身受船體重力作用一端會下沉，而另一端會上浮。這不僅會引起浮塢兩端吃水深度的變化，同時也使安裝在浮塢上的雙軸角度傳感器的角度變化。根據(jù)浮塢四邊吃水深度的變化和縱向及橫向角度以及浮塢的船體尺寸，我們很容易計算出浮塢縱橫方向發(fā)生偏轉兩條軸線位置，如圖2所示。

圖2

要保持船臺滑道與浮塢內(nèi)滑道相對不變，除了要保證調整壓載艙內(nèi)壓載水，使其重量的減少量等于負荷重量的增加量之外，還需要考慮潮位高度變化的影響。我們分兩個步驟進行：

2.2.1 不考慮潮汐高度變化的情況

為了保證塢內(nèi)軌道高度相對于船臺軌道不變，需要調整相應壓載艙內(nèi)壓載水體積，以抵消負荷變化的影響。這樣我們只要減少壓載水的重量使其等于浮塢吃水增加的液體重量即可。

我廠浮塢本身有24個壓載艙，且分布在船體的不同位置，見圖3。

圖3

因此，就需要解決如何對多個壓載艙室的液位進行一次性定量調整，同時又保證塢體的橫向及縱向角度不發(fā)生過大變化。

選擇縱向軸線為相應壓載艙室壓入和排出壓載水的分界線，如圖2所示。其壓排水比例可根據(jù)壓載艙相對軸線的位置長度比例選取。圖2所示情況的相應艙室的調整比例為NO.1：NO.2：NO.3：NO.4=4：3：2：1的比例進行壓排水。由此可得實用的縱向各壓載艙壓排水量的公式（略）。

橫向各壓載艙壓排水量調節(jié)范圍很小，而且由于壓載管路長度等原因使得各壓載艙的調整時間也不盡相同，所以只需在縱向調節(jié)過程中，以浮塢中心線為基線，適時根據(jù)橫向角度的變化情況調整各壓載閥的開度就可完成橫向的調整。我們采用的是以關閉橫向方向上各壓載艙壓載閥10%的開度，直到橫向角度調整到設定值時，再恢復其100%開度的辦法來調節(jié)的。

2.2.2 考慮潮位高度變化的影響

本方案中采用在江水中安裝一只液位傳感器，在開始時讀取潮位高度并存儲，并定時對該數(shù)值進行采樣。根據(jù)其值對初值的相對變化，將變化量h潮位疊加到吃水深度中，用以修正潮位變化對浮塢軌道的影響。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由HMI人機界面、PLC、壓載泵、液壓蝶閥、吃水傳感器、壓載艙內(nèi)液位傳感器、雙軸角度傳感器和潮位傳感器組成。壓載泵、蝶閥為浮塢原有，如圖4所示。

圖4

3.1 各組成部分的功能

（1）HMI負責各種指參數(shù)的輸入與數(shù)據(jù)的輸出，兼有數(shù)據(jù)存儲和報表打印工作；

（2）PLC負責處理各種指令和現(xiàn)場數(shù)據(jù)；

（3）壓載泵負責傳送壓載水；

（4）液壓閥門負責控制壓載水的流向；

（5）吃水傳感器測量塢體的吃水深度；

（6）液位傳感器測量壓載艙內(nèi)液面高度；

（7）兩軸角度傳感器測量塢體縱橫向傾角；

（8）潮位傳感器測量潮位的變化情況。

3.2. HMI主要功能畫面

（1）主界面（圖5）

圖5

（2）壓載艙液位顯示界面（圖6）

圖6

（3）液位傳感器標定界面（圖7）

圖7

因傳感器的安裝高度比壓載艙實際零位要高一些，為了可以修正因安裝偏差引起的測量誤差，可在本界面內(nèi)直接輸入液面的實際高度，PLC可以自動計算出安裝高度與實際零位的差，也可在使用過程中修正因傳感器特性變壞引起的偏差。

（4）吃水傳感器標定界面（圖8）

吃水傳感器標定界面的內(nèi)容和操作方法同圖7

圖8

3.3 設備選型

（1人機界面（HMI）選用LGIS公司的PMU-830TT觸摸屏。

（2）PLC選用LGIS公司的MK_S300S系列，模擬量模塊選用G4F-AD2A，配K4S-132S電源模塊。CPU模塊型號：K4P-15AS.數(shù)字量輸入、輸出模塊型號：G4I-D24A、G4Q-SS2A。

3.4 轉換精度

對模數(shù)轉換模塊G4F-AD2A的轉換精度進行驗算，該模數(shù)轉換模塊對應的轉換數(shù)字值為0～4000，4mA轉換為0，20mA轉換為4000，呈線性關系，最小轉換值為4μA。

傳感器的測量范圍30m，輸出精度為30/（20-4）/1000=0.002m/μA。而模數(shù)轉換模塊的最小轉換值為4μA，所以轉換精度為0.008m=8mm。其轉換誤差與波浪影響相當，可滿足實際使用對精度的要求。

3.5 編寫程序

3.5.1 相關程序（略）

3.5.2 主程序流程圖（圖9）

圖9

3.6 數(shù)值處理注意事項

在HMI中處理數(shù)值時，其小數(shù)位數(shù)是在從PLC中讀取數(shù)據(jù)時決定的，建議在PLC中進行數(shù)據(jù)運算時按無符號整數(shù)進行，這樣在HMI中顯示時可以由HMI決定要顯示的小數(shù)位數(shù)。

在PLC編程時，在采集數(shù)據(jù)前應先對模擬量通道進行初始化，并根據(jù)模擬量模塊設置數(shù)據(jù)的大小。

船舶吃水深度與船舶重量的數(shù)值及壓載艙艙容與液面高度的數(shù)值均采用查表法獲得，數(shù)據(jù)表中關鍵點的設立不宜過細，以滿足使用精度為要求，降低數(shù)據(jù)的尋址時間。

參數(shù)設定及數(shù)據(jù)顯示畫面中的橫向、縱向角度可通過計算相應位置吃水深度獲得，也可通過裝設雙軸編碼器獲得，本系統(tǒng)采用后者

3.7 壓載艙液位的微調

為保證調載的精度，消除水面波浪及水流慣性的影響，對液壓艙的液位增加微調功能，實現(xiàn)方法如下：

（1）處于船體四角的壓載艙在壓水時預留設定壓載值5%的重量，用于微調使用。在壓載完成時間上稍微滯后其余艙室的壓載時間，排除壓載水時不用考慮。

（2）通過調整閥門打開的時間控制其開度，微調時通過點動使閥門處于打開-關閉-打開的過程來實現(xiàn)。

4 應用前景及效益分析

4.1 應用前景

本系統(tǒng)已在我廠的浮塢上應用，截止目前已完成25艘船舶的整船下水作業(yè)。經(jīng)過多次改進，現(xiàn)可使浮塢在整船下水過程中不間斷地根據(jù)潮汐、負荷移動等情況進行軌道調整，保證了滑道平穩(wěn)，使船舶可以不間斷的進行拉移。解決了人工調整速度慢、精度低的問題。并且可通過參數(shù)設置，實現(xiàn)塢體在水中的準確浮態(tài)調整。經(jīng)過適當?shù)男薷?，有可能在類似工況下的相似船舶上應用，比如起重船舶等。

4.2 經(jīng)濟效益及社會效益分析

減輕了人員的勞動強度，同時避免了人工操作出現(xiàn)的失誤?？s短了調載時間，提高了工作效率。解決了因船舶拉移時調載速度慢而造成的工作中斷等一系列問題，尤其是浮塢與船臺滑道相互偏離的不安全狀況得到完善。使船舶下水的工作周期縮短，安全保障加強，工作質量提升。也拓展了浮塢的應用范圍，對受水域面積限制無法實行船臺重力下水，又沒有干塢，僅有合適浮塢的船廠確有參考價值。

5 小結

此方案彌補了手動調載模式的不足，使自動化技術在船舶調載方面有了新的應用。這一系統(tǒng)的優(yōu)化和進一步開發(fā)將使它可以在起重船等有相似工作情況的船舶上應用。

參考資料

[1]施春紅編.船舶電氣設備及自動控制，哈爾濱工程大學出版社，2002-

05-01

[2]許安靜，譚躍.船舶平衡控制系統(tǒng)的自動控制設計方案.

[3]劉紅編，船舶原理，上海交通大學出版社，2009-11-1.