一種鎧裝纜絞車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

丁 平，石曉妹，李洪聰，蔣恒深，陳黎明

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一種鎧裝纜絞車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

丁 平1，石曉妹2，李洪聰1，蔣恒深1，陳黎明1

（1.無(wú)錫德林防務(wù)裝備股份有限公司，江蘇無(wú)錫 214191；2.徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇徐州 221000）

針對(duì)現(xiàn)有鎧裝纜絞車(chē)?yán)|繩拉力容易受外界因素干擾，導(dǎo)致控制精度不高，尤其在拉力臨界值時(shí)，由于拉力的跳變導(dǎo)致張力保護(hù)模式和正常模式來(lái)回切換等問(wèn)題。研究提出了鎧裝纜絞車(chē)控制系統(tǒng)工作流程的優(yōu)化，對(duì)拉力信號(hào)進(jìn)行四階濾波處理。詳細(xì)介紹了絞車(chē)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)處理。同時(shí)對(duì)絞車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行智能化故障監(jiān)控，達(dá)到智能故障診斷的目的。

鎧裝纜絞車(chē) 四階濾波 張力保護(hù) 智能化

0 引言

隨著潛艇數(shù)量的不斷增加，潛艇在巡航過(guò)程中出現(xiàn)事故情況也會(huì)隨之增加，這時(shí)就需要潛艇救生裝置。機(jī)動(dòng)型救生鐘是我國(guó)潛艇救援的重要專(zhuān)用設(shè)備，我國(guó)現(xiàn)役潛艇上都設(shè)有救生鐘專(zhuān)用對(duì)接平臺(tái)[1]。而鎧裝纜絞車(chē)就是專(zhuān)門(mén)為機(jī)動(dòng)型救生鐘而設(shè)計(jì)的新型特種絞車(chē)。鎧裝纜絞車(chē)安裝于機(jī)動(dòng)鐘工作母船的甲板上，鎧裝纜存貯于甲板鎧裝纜絞車(chē)的卷筒上，當(dāng)機(jī)動(dòng)鐘布放時(shí)，在空氣中機(jī)動(dòng)鐘本體的重量由另一鋼纜承載，一旦救生鐘進(jìn)入水中，通過(guò)嚙合器把起吊鋼纜轉(zhuǎn)換為鎧裝纜來(lái)承載在水中的救生鐘重量。

鎧裝纜絞車(chē)除了用于救生鐘入水后的收放工作，同時(shí)也是鎧裝纜輸送動(dòng)力和傳送信號(hào)的中轉(zhuǎn)站[2-4]，機(jī)動(dòng)鐘的水下工作狀態(tài)，動(dòng)作和水下采集數(shù)據(jù)均可通過(guò)鎧裝電纜和絞車(chē)將信號(hào)傳送到中央控制室進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以70 kN鎧裝纜絞車(chē)為研究對(duì)象，系統(tǒng)有兩臺(tái)22 kW電機(jī)泵組，互為備用。電機(jī)啟動(dòng)箱安裝在液壓泵站上，由于機(jī)動(dòng)要求，泵站也是安裝于甲板上，所以要求啟動(dòng)箱防護(hù)等級(jí)較高，能夠達(dá)到IP56。啟動(dòng)箱主要采集現(xiàn)場(chǎng)泵站信號(hào)，以及控制電機(jī)啟停，電機(jī)除濕和油箱加熱等，不具有操作絞車(chē)動(dòng)作功能。

鎧裝纜絞車(chē)操作功能在機(jī)旁操作臺(tái)以及機(jī)旁遙控盒。機(jī)旁操作臺(tái)固定在絞車(chē)本體上，操作臺(tái)上有觸摸屏，相應(yīng)工況模式選擇開(kāi)關(guān)，報(bào)警指示燈以及操作手柄。機(jī)旁遙控盒有操作手柄，啟停按鈕以及顯示儀表等。電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

鎧裝纜絞車(chē)電氣系統(tǒng)控制主站設(shè)在機(jī)旁操作臺(tái)，控制器選用西門(mén)子CPU 1215C，他有兩個(gè)RJ45網(wǎng)口，一個(gè)用于和啟動(dòng)箱分站通訊，一個(gè)用于和觸摸屏通訊，用CPU本體自帶的高速計(jì)數(shù)器接口連接編碼器，用于測(cè)定卷筒轉(zhuǎn)速和纜長(zhǎng)計(jì)算。擴(kuò)展模塊包括：DI 8x24 VDC/DQ 8xRelay輸入輸出模塊一塊；AI 4x13BIT/AQ 2x14BIT模擬量輸入輸出模塊一塊，用于采集機(jī)旁操作臺(tái)和遙控盒操作手柄信號(hào)、絞車(chē)測(cè)力銷(xiāo)軸傳感器信號(hào)，以及輸出控制收放纜比例閥和遙控盒顯示儀表；CM 1241通訊模塊一塊，用于和中央集控室RS485通訊。如圖2所示。

圖2 機(jī)旁操作臺(tái)硬件組態(tài)圖

啟動(dòng)箱用ET200sp遠(yuǎn)程I/O分站，接口模塊選用IM 155-6 PN ST，擴(kuò)展模塊包括：DI 8x24VDC ST數(shù)字量輸入模塊一塊；DQ 8x24VDC/0.5A ST數(shù)字量輸出模塊一塊；AI 2xU/I 2-,4-wire HF模擬量輸入模塊一塊，用于采集現(xiàn)場(chǎng)泵組壓力信號(hào)。

機(jī)旁操作臺(tái)主站和啟動(dòng)箱分站以及觸摸屏之間通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)通訊，啟動(dòng)箱遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)傳輸給CPU，CPU經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算處理再輸出給各執(zhí)行器件。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括控制程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序設(shè)計(jì)。軟件開(kāi)發(fā)工具為西門(mén)子TIA Portal V13。TIA博途組態(tài)設(shè)計(jì)框架將全部自動(dòng)化組態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)完美地組合在一個(gè)單一的開(kāi)發(fā)環(huán)境之中[5]，編程高效，移植方便?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)采用模塊化編程的設(shè)計(jì)思想，把程序分成若干程序塊，這樣可以減少編程的工作量，增加程序的可讀性和維護(hù)性?？刂瞥绦蛑饕ㄖ鞒绦騇ain（OB1），Startup（OB100），Cyclic interrupt（OB30），報(bào)警與指示燈功能（FC1），電機(jī)控制功能（FC2），絞車(chē)動(dòng)作控制（FC3），閥組邏輯控制（FC4）以及其他功能塊FB和數(shù)據(jù)塊DB。

報(bào)警與指示燈功能FC1中，采用模塊化報(bào)警程序，相當(dāng)于庫(kù)函數(shù)，每種報(bào)警只需要改變功能塊輸入的報(bào)警變量以及輸出的報(bào)警指示燈即可，簡(jiǎn)單方便。電機(jī)控制功能FC2也是使用的模塊化編程，開(kāi)發(fā)好標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)星-三角啟動(dòng)功能塊。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行指示燈閃爍，電機(jī)正常運(yùn)行后運(yùn)行指示燈常亮，電機(jī)沒(méi)有正常啟動(dòng)會(huì)報(bào)警提示，還可以設(shè)置電機(jī)的啟動(dòng)間隔時(shí)間，以保護(hù)電機(jī)。絞車(chē)動(dòng)作控制FC3是控制程序核心，包括常規(guī)動(dòng)作控制，手柄控制，以及針對(duì)鎧裝纜絞車(chē)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的拉力濾波程序和拉力臨界值區(qū)間控制程序。

觸摸屏程序主要包括主界面，狀態(tài)界面、設(shè)置界面和報(bào)警記錄界面。主界面顯示絞車(chē)動(dòng)作的動(dòng)畫(huà)狀態(tài)和主要控制參數(shù)，比如系統(tǒng)壓力，纜繩張力，纜繩放出長(zhǎng)度，收放纜速度等。狀態(tài)界面包括控制器各數(shù)字量端口狀態(tài)和模擬量端口AD值和實(shí)際值。設(shè)置界面主要是拉力報(bào)警值設(shè)置和纜繩位置設(shè)置，可以在任何位置設(shè)置纜繩，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前纜繩放纜長(zhǎng)度和剩余纜長(zhǎng)。報(bào)警記錄界面主要記錄報(bào)警數(shù)據(jù)，方便故障查詢(xún)和故障處理。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

鎧裝纜絞車(chē)控制主要就是如何控制好卷筒收放動(dòng)作以及相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)，使控制動(dòng)作更加精確和平順。

2.1 拉力信號(hào)四階濾波

通過(guò)測(cè)力銷(xiāo)軸采集的拉力信號(hào)由于容易受安裝位置和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素等影響，設(shè)計(jì)了四階濾波函數(shù)。四階濾波也是一種線性濾波，即在單位采樣時(shí)間內(nèi)，把鄰域四個(gè)采樣信號(hào)取平均，用平均值來(lái)代替某一采樣信號(hào)，可有效抑制信號(hào)干擾，增強(qiáng)拉力控制的準(zhǔn)確性。

2.2 拉力臨界值區(qū)間控制

在收攬過(guò)程中，當(dāng)纜繩張力大于70 kN時(shí)，提示聲光報(bào)警，并自動(dòng)切換到放纜；當(dāng)纜繩張力小于等于70kN時(shí)，報(bào)警解除，恢復(fù)到原收攬狀態(tài)。在放纜過(guò)程中，當(dāng)纜繩張力大于20 kN時(shí)，提示聲光報(bào)警，并全速放纜；當(dāng)纜繩張力小于等于20 kN時(shí)，恢復(fù)到原來(lái)放纜速度?？刂频呐R界值是一個(gè)控制點(diǎn)，實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)拉力值剛好出現(xiàn)在這控制點(diǎn)上下范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致收放動(dòng)作或放纜速度頻繁切換，影響液壓閥件使用壽命。該控制系統(tǒng)控制精度要求為±2kN，程序中做臨界值區(qū)間控制，當(dāng)張力大于規(guī)定張力時(shí)。觸發(fā)報(bào)警和相應(yīng)動(dòng)作，張力小于誤差下限值時(shí)才解除報(bào)警，恢復(fù)原動(dòng)作。區(qū)間控制功能模塊如圖4所示。

圖4 區(qū)間控制功能模塊圖

3 結(jié)束語(yǔ)

鎧裝纜絞車(chē)控制系統(tǒng)能很好地滿(mǎn)足鎧裝纜絞車(chē)控制動(dòng)作要求，同時(shí)，觸摸屏界面生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果和動(dòng)態(tài)參數(shù)能實(shí)時(shí)監(jiān)控絞車(chē)狀態(tài)，當(dāng)有故障或報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，并能顯示故障或報(bào)警源。通過(guò)對(duì)拉力信號(hào)四階濾波處理，控制精度更加精準(zhǔn)。拉力臨界值區(qū)間控制，可有效避免拉力在臨界點(diǎn)跳變導(dǎo)致的動(dòng)作切換問(wèn)題。該系統(tǒng)在實(shí)際海試過(guò)程中，效果良好。

[1] 趙俊海，劉濤，崔維成. 新型機(jī)動(dòng)型救生鐘鎧裝纜絞車(chē)的研制[J]. 中國(guó)造船, 2012, (4):118-127.

[2] 鄧智勇，曾釹釙，張浩立.一種新型張力保護(hù)自動(dòng)收放臍帶纜絞車(chē)裝置[J].海洋工程，2010, (8):107-111.

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[4] 王海波, 王慶豐. 水下拖曳升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其內(nèi)模魯棒控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010,(4):128-132.

[5] 崔堅(jiān). SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.

Design and Research of Control System for Armoured Cable Winch

Ding Ping1, Shi Xiaomei2, Li Hongcong1, Jiang Hengshen1, Chen Liming1

( 1. WuxiDelin Marine And Ocean Technology（Group）CO.,LTD , Wuxi 214191, Jiangsu,China; 2.XuzhouXugongExcavator Machinery Co.,LTD,J Xuzhou 221000, Jiangsu, China)

U665

A

1003-4862（2018）07-0051-03

2018-03-23

丁平（1984-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶特種設(shè)備自動(dòng)化與控制。