，，，，

(1.海軍工程大學(xué) a.振動(dòng)噪聲研究所；b.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050；3.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

基于PLC的大型海工絞車?yán)|繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

俞曉豐1,2，帥長庚1，王彥哲1，李毅2，許萬3

(1.海軍工程大學(xué) a.振動(dòng)噪聲研究所；b.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050；3.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

依據(jù)行業(yè)要求及實(shí)際工況，基于鋼絲繩張力計(jì)算模型，通過PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制過程軟件設(shè)計(jì)，研制出一型大型海工絞車?yán)|繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試使用表明，系統(tǒng)滿足功能要求。

PLC；纜繩狀態(tài)；絞車控制

絞車服務(wù)于半潛式海洋平臺(tái)上，用于平臺(tái)起拋錨和移動(dòng)。平臺(tái)配有2臺(tái)絞車，分別位于右舷艏部和左舷艉部，露天水平安裝在平臺(tái)甲板上。纜繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在絞車?yán)|繩收放過程中對(duì)纜繩的長度和張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。絞車?yán)|繩張力測(cè)量主要有直接和間接測(cè)量方法。直接測(cè)量方法即在纜繩中串接張力傳感器，直接測(cè)量纜繩的張力，大型海工絞車實(shí)船試驗(yàn)時(shí)常采用這種方法。實(shí)際應(yīng)用過程中一般采用間接測(cè)量方法。間接測(cè)量方法即利用纜繩受力擠壓力學(xué)傳感器，間接測(cè)量纜繩的張力。典型應(yīng)用如船舶系泊系統(tǒng)，使用銷軸傳感器對(duì)纜繩張力進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)一步對(duì)纜繩張力進(jìn)行補(bǔ)償與控制[1]，這種方法測(cè)量精度較低。通過檢測(cè)絞車基座底部的壓力荷重傳感器的受力狀態(tài)，間接計(jì)算纜繩張力大小，提高測(cè)量精度。

已有學(xué)者根據(jù)籬笆式卷筒纏繞纜繩體積相等的原理，建立纜繩圈數(shù)和層數(shù)的數(shù)學(xué)模型[2]。但纜繩的數(shù)學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜，使用PLC進(jìn)行計(jì)算、控制、編程，需進(jìn)一步工程化處理數(shù)學(xué)模型。實(shí)際計(jì)算精度也會(huì)受籬笆式卷筒尺寸、纜繩直徑和長度大小的影響。

有近似計(jì)算方法在計(jì)算滾筒的第n層纜繩中心與滾筒中心之間的距離時(shí)，忽略纜繩疊加過程空間減小的影響[3]，該方法雖具有一定的工程意義，但是影響了系統(tǒng)的測(cè)量精度。同時(shí)，絞車滾筒底部左側(cè)和右側(cè)各使用一套張力傳感器，數(shù)學(xué)計(jì)算過程優(yōu)勢(shì)比較明顯，但是通用型傳感器難以采購。

為此，對(duì)上述測(cè)量模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使用滾筒上的絕對(duì)值編碼器，記錄滾筒每層纜繩圈數(shù)；通過幾何運(yùn)算，判斷纜繩受力點(diǎn)所處的層數(shù)；結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)分工實(shí)際情況，對(duì)控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，以消除2種系統(tǒng)在調(diào)試過程中，燒壞對(duì)方模塊的隱患?？紤]到纜繩較長，根據(jù)不同監(jiān)控精度要求，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分辨率的切換設(shè)計(jì)；總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，供類似大型絞車設(shè)計(jì)作參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意

如圖1所示，絞車由基架、滾筒、減速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液(氣)壓系統(tǒng)、排纜器、導(dǎo)纜器等組成。鋼絲繩通過籬笆式滾筒纏繞，垂直導(dǎo)纜器、排纜器位于海洋平臺(tái)的甲板下方。系統(tǒng)傳動(dòng)過程為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)多檔減速器，減速器按已設(shè)定的檔位，通過離合器及齒輪副驅(qū)動(dòng)滾筒。減速器按2檔3速實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

絞車滾筒滿容量纏繞鋼絲繩時(shí)，最外層(第13層)拉力為1 800 kN。4個(gè)張力檢測(cè)用荷重傳感器安裝在絞車滾筒組件的軸承支座下方，分布位置如圖1中元件12，滾筒組件自重30 t，鋼絲繩垂直地面受力，額定載荷180 t，支持最大負(fù)載400 t。

絞車?yán)K索直徑76.2 mm、長2 000 m；滾筒直徑1 250 mm、長2 000 mm；纜繩線質(zhì)量為26.3 kg/m。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

絞車屬于垂直向下出繩式絞車。纜繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，機(jī)械部分主要包括滾筒和支架，滾筒2端安裝在支架上，滾筒2端底部分別壓裝有荷重傳感器。電控系統(tǒng)部分包括監(jiān)控單元，滾筒轉(zhuǎn)軸上用于實(shí)時(shí)檢測(cè)滾筒行程的絕對(duì)值編碼器。該編碼器和壓力荷重傳感器分別與監(jiān)控箱單元電氣連接。監(jiān)控箱單元主要包括PLC和中間繼電器等。絞車結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 絞車結(jié)構(gòu)示意

1.2 設(shè)備監(jiān)控功能要求及實(shí)現(xiàn)

絞車在減速箱2檔3速工況下，第1層及第13層鋼絲繩拉力與速度關(guān)系見表1。

表1 絲繩拉力與速度關(guān)系

系統(tǒng)主要監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)方法如下：

1.2.1 纜繩長度和收放速度監(jiān)測(cè)功能

絕對(duì)值編碼器數(shù)據(jù)傳送到PLC中，通過檢測(cè)卷筒轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和方向，計(jì)算纜繩收放的長度，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)收放纜繩的長度進(jìn)一步計(jì)算纜繩收放的速度。

1.2.2 纜繩張力監(jiān)測(cè)功能

系統(tǒng)通過檢測(cè)荷重傳感器，測(cè)量滾筒支座的壓力，結(jié)合纜繩放出的長度，間接計(jì)算纜繩張力。

1.2.3 報(bào)警輸出控制功能

系統(tǒng)根據(jù)在鋼絲繩長度剩余100 m處，張力達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)。張力達(dá)到額定負(fù)荷110%時(shí)，輸出停機(jī)控制信號(hào)。

纜繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)帶有數(shù)字觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示纜繩張力和放出纜繩長度。同時(shí)輸出纜繩張力和長度2路模擬量電流信號(hào)給絞車主控PLC系統(tǒng)，在駕駛室控制臺(tái)的觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。

2 絞車?yán)|繩張力計(jì)算

結(jié)合上述結(jié)構(gòu)示意圖2，參數(shù)定義如下：L為絞車?yán)|繩總長度；n為纜繩層數(shù)；Ln為絞車滾筒第n層纏繞纜繩總長度；Lc為絞車放出纜繩的長度；Rg為纜繩測(cè)力點(diǎn)與滾筒中心之間的距離；Rf為荷重傳感器中心與滾筒中心之間的距離；B為滾筒寬度；D為滾筒直徑；d為纜繩直徑；F為纜繩張力；F1為滾筒左側(cè)壓力；F2為滾筒右側(cè)壓力。

1)纜繩長度關(guān)系。

L=Lg+Lc

(1)

2)纜繩滾筒上受力點(diǎn)層數(shù)判斷。

當(dāng)0≤Lg

當(dāng)L1≤Lg

當(dāng)L1+L2≤Lg

以此類推，

當(dāng)L1+L2+…+Ln-1≤Lg

3)根據(jù)圖2幾何關(guān)系可知：

(2)

由于D=1 250 mm，d=76.2 mm，故

663.1+132(n-1)

(3)

4)根據(jù)絞車力矩平衡，纜繩張力為

(4)

由此，總結(jié)設(shè)計(jì)張力計(jì)算流程見圖3。

圖3 張力計(jì)算流程

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用S7-224XP CN型PLC，PLC模塊集成模擬量輸入/輸出通道，具備Modbus總線接口，滿足系統(tǒng)總線控制特性?？紤]到系統(tǒng)模擬量輸入/輸出通道數(shù)量較多，CPU模塊自帶14DI/10DO+2AI/1AO的I/O資源，擴(kuò)展EM235模擬量模塊，增加4輸入/1輸出模擬量通道[4]，滿足系統(tǒng)模擬I/O接口要求。

絞車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，采用TP277型觸摸屏，進(jìn)行本地人機(jī)交互。通過PPI總線與PLC系統(tǒng)連接，充分利用CPU自帶PPI接口現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和HMI接入的雙重功能。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)度和分工的特殊性，防止系統(tǒng)之間模塊接口的干擾和誤燒毀，纜繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與絞車主控系統(tǒng)之間采取信號(hào)隔離措施。模擬量通道使用魏德米勒MCZ LP系列模擬量隔離模塊進(jìn)行隔離，MCZ LP模塊屬無源信號(hào)隔離器，通過輸入回路供電，輸入和輸出回路電氣隔離。數(shù)字量信號(hào)使用繼電器進(jìn)行電磁隔離。系統(tǒng)連接見圖4。其他技術(shù)要求如下。

1)監(jiān)控裝置所需電源為DC24 V/2 A，由絞車主控PLC系統(tǒng)提供。

圖4 電氣系統(tǒng)連接示意

2)觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示纜繩張力和放出纜繩長度，并具備參數(shù)整定功能，操作者可使用量程整定功能，整定功能需要輸入密碼。有報(bào)警時(shí)，觸摸屏顯示報(bào)警，同時(shí)輸出無源報(bào)警信號(hào)供絞車PLC主控系統(tǒng)使用。

3)絕對(duì)值編碼器安裝在卷筒軸端，測(cè)量滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。自帶Modbus總線接口，并附帶護(hù)罩、緊固件、固定角鐵、聯(lián)軸器等附件。

4)荷重傳感器規(guī)格為100 t壓式傳感器，數(shù)量4件，0～10 V接口。

5)荷載當(dāng)達(dá)到額定荷載時(shí)應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在本地和駕控室進(jìn)行聲光報(bào)警。超過額定荷載10%時(shí)自動(dòng)停機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

6)纜繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與絞車主控系統(tǒng)之間通信，不同類型信號(hào)采用不同結(jié)構(gòu)形式。

(1)模擬量信號(hào)傳遞形式。纜繩張力和長度2路模擬量信號(hào)輸出給絞車主控PLC系統(tǒng)，信號(hào)類型為4～20 mA電流信號(hào)。

(2)數(shù)字量信號(hào)傳遞形式。纜繩張力、長度超限報(bào)警輸出給絞車主控PLC系統(tǒng)，信號(hào)類型為無源觸點(diǎn)，觸點(diǎn)斷開為報(bào)警狀態(tài)(失效安全型)，觸點(diǎn)容量為250 V/2 A。

7)纜繩狀態(tài)監(jiān)控箱選用不銹鋼材質(zhì)，防護(hù)等級(jí)不低于IP66，安裝在絞車本體上。系統(tǒng)電纜舾裝應(yīng)位于絞車結(jié)構(gòu)本體內(nèi)側(cè)。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 程序控制流程設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)軟件控制主流程見圖5。編程過程注意以下幾方面。

1)纜繩長度小于100 m時(shí)，發(fā)出報(bào)警，不同絞車，可根據(jù)絞車滾筒尺寸及纜繩尺寸實(shí)際情況，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。具體報(bào)警值參考行業(yè)要求[5]。

2)編程過程涉及大量模擬量數(shù)據(jù)計(jì)算，綜合程序后續(xù)的可升級(jí)維護(hù)性，模擬變量全部以雙字單位進(jìn)行地址分配。

3)硬件模擬量隔離模塊，屬無源輸入側(cè)供電。因此，模擬量信號(hào)分辨率無論調(diào)整為何種范圍，輸出下限端數(shù)據(jù)非線性影響較大，檢測(cè)精度下降。

3.2.2 程序通信參數(shù)設(shè)置

PLC與編碼器進(jìn)行Modbus通信編程，需在STEP7-Micro/WIN開發(fā)環(huán)境中安裝相應(yīng)的通信庫文件，PLC側(cè)Modbus通信參數(shù)如圖6所示，圖中a)圖完成初始化Modbus主站通信參數(shù)功能，b)圖中，當(dāng)I0.3正跳變時(shí)，執(zhí)行MBUS_MSG指令，讀取從站2的地址10001～10008的數(shù)值。

圖5 軟件控制流程

圖6 modbus通信參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)論

大型海工絞車?yán)|繩張力、長度及速度狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)張力顯示與拉力計(jì)顯示數(shù)據(jù)偏差量，輕載時(shí)較大，額定負(fù)載時(shí)在5%以內(nèi)。纜繩長度小于30 m時(shí)，鐵錨精確收回到平臺(tái)靴部放置區(qū)，系統(tǒng)停止驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)滿足工程應(yīng)用控制要求。絞車?yán)|繩狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用過程中還應(yīng)注意以下幾方面。

1)可以嘗試使用無線通信技術(shù)，進(jìn)一步降低絞車電氣舾裝設(shè)計(jì)及施工難度。

2)海水鹽霧腐蝕性較大，監(jiān)控箱等裸露部分金屬，建議選用316不銹鋼材質(zhì)。

3)監(jiān)控系統(tǒng)隨海洋平臺(tái)在不同區(qū)域作業(yè)，受環(huán)境溫度等影響，存在模擬量漂移現(xiàn)象，應(yīng)重視初始值的清零重設(shè)功能。

4)作為重工設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性進(jìn)行周期性的檢驗(yàn)。

5)監(jiān)控系統(tǒng)與絞車主控系統(tǒng)之間如使用總線通信，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)監(jiān)控的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。

6)通過編碼器計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，M法適用于編碼器高轉(zhuǎn)速工況。滾筒低速時(shí)，類似M法，定時(shí)檢測(cè)繩長，求纜繩速度，結(jié)果滿足工程控制要求。

[1] JI Sang-Won, CHOI Myung-Soo, KIM Young-Bok. A study on position mooring system design for the vessel moored by mooring lines[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,20(6):2824-2831.

[2] 沈建新，張國昭.籬笆式卷筒的模型及控制方式[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2014(7):93-95.

[3] 張勇勇.一種垂直向下出繩式絞車的纜繩張力測(cè)量方法及其裝置:中國，102706499A[P].2012-10-03.

[4] 李江全，劉榮，李華，等.西門子S7-200PLC數(shù)據(jù)通信及測(cè)控應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).遠(yuǎn)洋船用拖拽絞車：GB/T 11869—2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

Design of Monitoring and Controlling System for Cable State of Large Marine Engineering Winch Based on PLC

YUXiao-feng1,2,SHUAIChang-geng1,WANGYan-zhe1,LIYi2,XUWan3

(1a. Institute of Noise and Vibration; 1b. National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China;3.Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

For detection of length and tension of wire rope of large marine winch, according to the industry requirements and actual operating conditions, a cable condition monitoring and controlling system for large marine winch was developed based on the calculation model of steel rope tension by PLC control system hardware design and motion control process software design. Practical application shows that the system meets the function requirements.

PLC; cable state; winch control

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0142-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.032

2017-02-08

2017-03-12

國家自然科學(xué)基金(51405144)；湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB598)；院級(jí)科研項(xiàng)目(2016z06)

俞曉豐(1984—)，男，碩士，工程師，講師

研究方向：機(jī)電控制與自動(dòng)化技術(shù)、振動(dòng)檢測(cè)與控制