丁 平,石曉妹,何曉燕,朱德峰,王喜娟,田亞楠
(1. 無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司,江蘇無錫 214191;2. 徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司,江蘇徐州 221000)
拖曳絞車是一種特種設(shè)備,用于收放纜繩、拖帶沒有自航能力的船舶、海上設(shè)施以及失去自航能力的船舶,是拖船上的重要設(shè)備[1-2]。
目前,出于成本和精度要求的考慮,大多數(shù)液壓拖曳絞車都使用接近開關(guān)檢測(cè)絞車的轉(zhuǎn)速。若用戶對(duì)繩長(zhǎng)和繩速提出了較高的精度要求,則可以通過安裝編碼器實(shí)現(xiàn)。使用常規(guī)接近開關(guān)檢測(cè)拖曳絞車?yán)K長(zhǎng)和繩速,有時(shí)會(huì)因?yàn)橛?jì)算方法本身不夠準(zhǔn)確而導(dǎo)致控制精度不高。因此,本文在詳細(xì)介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí),深入研究了接近開關(guān)檢測(cè)絞車?yán)K長(zhǎng)和繩速的方法。同時(shí)在控制系統(tǒng)程序中增加了手柄斜坡分段控制,提高了操作的微動(dòng)性和平穩(wěn)性;增加了恒張力自動(dòng)保護(hù)模式,提高了恒張力拖航時(shí)的安全性和可靠性。
本文以某650 kN液壓拖曳絞車為研究對(duì)象,該絞車為雙卷筒絞車,兩卷筒瀑布式布置,上卷筒為拖帶卷筒,下卷筒為錨處理卷筒,絞車上、下卷筒不能同時(shí)工作,需要通過離合器自動(dòng)切換上、下卷筒的工作狀態(tài)。系統(tǒng)包含3臺(tái)110 kW主電機(jī)泵組和2臺(tái)5.5 kW輔助電機(jī)泵組。系統(tǒng)主要控制站點(diǎn)包括駕控室操作面板、駕駛室觸摸屏、機(jī)旁操作臺(tái)和本地啟動(dòng)箱。四個(gè)控制點(diǎn)都能起停電機(jī),但啟動(dòng)箱優(yōu)先級(jí)最高,只有啟動(dòng)箱內(nèi)遠(yuǎn)程起停旋鈕切換到“遠(yuǎn)程”時(shí),駕控室和機(jī)旁操作臺(tái)才能夠起停電機(jī)。啟動(dòng)箱站點(diǎn)的主要功能是采集啟動(dòng)箱內(nèi)各檢測(cè)信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)泵站信號(hào)、控制電機(jī)起停、控制電機(jī)除濕和油箱加熱等,其不具備操作拖曳絞車的功能。
駕控室操作面板和機(jī)旁操作臺(tái)兩個(gè)站點(diǎn)可以對(duì)液壓拖曳絞車進(jìn)行操作,通過切換旋鈕選擇操作位置。由于機(jī)旁操作優(yōu)先,所以操作位置切換旋鈕位于機(jī)旁操作臺(tái)上。而系統(tǒng)泵站除了為拖曳絞車提供動(dòng)力以外,還要給其他設(shè)備提供動(dòng)力,所以駕控臺(tái)操作面板有工作模式切換旋鈕。除此之外,兩個(gè)操作站點(diǎn)功能基本相同。駕控室觸摸屏可顯示絞車動(dòng)作動(dòng)畫、顯示參數(shù)、記錄報(bào)警和設(shè)置相關(guān)參數(shù)等,各控制站點(diǎn)之間通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信。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
該650 kN液壓拖曳絞車電氣系統(tǒng)控制主站設(shè)在駕控室,控制器選用西門子CPU 1511-1PN,其包含2個(gè)RJ45網(wǎng)口,1個(gè)用于和啟動(dòng)箱分站通信,1個(gè)用于和觸摸屏通信。擴(kuò)展模塊包括:1個(gè)AI/AQ 4×U/I/RTD/TC/2×U/I ST模擬量輸入輸出模塊,用于收放纜手柄和恒張力電位器的信號(hào)采集以及恒張力比例閥和收放纜比例閥的輸出控制;1個(gè)DI 32×24VDC HF數(shù)字量輸入模塊,1個(gè)DQ 32×24VDC/0.5A HF數(shù)字量輸出模塊,1個(gè)DI 16/DQ 16×24VDC/0.5A BA數(shù)字量輸入輸出模塊,用于駕控室面板上操作按鈕和旋鈕等輸入檢測(cè)以及相關(guān)狀態(tài)指示燈輸出。
啟動(dòng)箱選用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:3個(gè)DI 16×24VDC ST數(shù)字量輸入模塊,2個(gè)DQ 16×24VDC/0.5A ST數(shù)字量輸出模塊,輸入模塊用于檢測(cè)啟動(dòng)箱上起停信號(hào)、啟動(dòng)箱內(nèi)各輸入信號(hào)和泵站各報(bào)警輸入信號(hào),輸出模塊控制啟動(dòng)箱上各指示燈以及相關(guān)中間繼電器。
機(jī)旁控制臺(tái)選用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:1個(gè)AI 4×U/I 2-wire ST模擬量輸入模塊,用于機(jī)旁控制臺(tái)收放纜手柄、恒張力電位器和絞車本體上壓力傳感器信號(hào)的采集;4個(gè)DI 16×24VDC ST數(shù)字量輸入模塊,3個(gè)DQ 16×24VDC/0.5A ST數(shù)字量輸出模塊,用于機(jī)旁操作臺(tái)面板上操作按鈕和旋鈕等的輸入檢測(cè)、相關(guān)狀態(tài)指示燈輸出以及絞車本體相應(yīng)電磁閥組輸出控制。駕駛室觸摸屏選用西門子品牌的TP1200 Comfort型12英寸觸摸屏。各個(gè)控制站點(diǎn)之間通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)視圖
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)。軟件開發(fā)工具為西門子TIA Portal V13,該開發(fā)工具基于西門子豐富的產(chǎn)品系列和優(yōu)化的自動(dòng)化系統(tǒng),遵循工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),著眼于滿足先進(jìn)自動(dòng)化理念的需求[3]。
系統(tǒng)控制程序采用模塊化編程的設(shè)計(jì)思想[4],把程序按控制功能分成若干程序塊,這樣可以減少編程的工作量、增加程序的可讀性和可維護(hù)性??刂瞥绦蛑饕ㄖ鞒绦騇ain(OB1)、Time error interrupt(OB80)、Diagnostic error interrupt(OB82)、Programming error(OB121)、IO access error(OB122)、觸摸屏數(shù)據(jù)處理(FC1)、拖纜機(jī)報(bào)警及指示燈(FC2)、拖纜機(jī)電機(jī)起停控制(FC3)、繩長(zhǎng)和繩速計(jì)算(FC4)、工況模式選擇(FC5)、拖纜機(jī)動(dòng)作控制(FC6)、拉力計(jì)算處理(FC7)、電磁閥輸出(FC8)、試燈報(bào)警消音控制塊(FC9)、拖纜機(jī)電機(jī)起停控制塊(FB1)、接近開關(guān)測(cè)速程序(FB2)、遠(yuǎn)程請(qǐng)求控制(FB3)、拉力計(jì)算(FB4)、Joystick_ctrl(FB5)等。
觸摸屏程序也是用同款軟件開發(fā)的,主要包括主界面、狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面、設(shè)置界面、報(bào)警記錄界面和運(yùn)行記錄界面。主界面顯示拖曳絞車動(dòng)作的動(dòng)畫效果和主要控制參數(shù),比如控制位置、控制模式、系統(tǒng)壓力、當(dāng)前纜繩層數(shù)和圈數(shù)、放出繩長(zhǎng)、剩余繩長(zhǎng)、纜繩速度、纜繩拉力等。狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面顯示電機(jī)狀態(tài)、控制器各數(shù)字量端口狀態(tài)、模擬量端口AD值和實(shí)際值。設(shè)置界面主要用于設(shè)置卷筒參數(shù)并設(shè)置保護(hù),可以在任何位置設(shè)置纜繩,程序可自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前纜繩放纜長(zhǎng)度和剩余纜長(zhǎng),如圖3所示。報(bào)警記錄界面主要記錄報(bào)警數(shù)據(jù),方便故障查詢和故障處理。運(yùn)行記錄界面主要記錄系統(tǒng)動(dòng)作,方便查詢動(dòng)作記錄。
圖3 系統(tǒng)設(shè)置界面
拖曳絞車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵功能是控制卷筒的收放動(dòng)作、計(jì)算鋼絲繩繩長(zhǎng)和繩速、控制恒張力,以及計(jì)算鋼絲繩拉力。下面就其中幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)作詳細(xì)說明。
程序中設(shè)計(jì)了Joystick_ctrl手柄控制功能塊,可以方便設(shè)置輸出控制的最大值和最小值(Up_MAX_INT、Up_Min_INT、Down_MAX_INT、Down_Min_INT)、手柄中位值(Mbound)和死區(qū)值(Blind)。程序根據(jù)收放纜動(dòng)作條件判斷手柄收放動(dòng)作是否允許(Enable_Up、Enable_Down)。程序加入斜坡步進(jìn)值控制,且斜坡步進(jìn)值可以分段控制。手柄去程動(dòng)作前半程的斜坡步進(jìn)值較小,動(dòng)作更平穩(wěn);手柄去程動(dòng)作后半程的步進(jìn)值較大,快速達(dá)到手柄輸出值。同理,手柄回程前半程的步進(jìn)值較大,手柄輸出值快速減小;手柄回程后半程的步進(jìn)值可適當(dāng)減小,避免頻繁操作引起的沖擊。手柄控制功能塊如圖4所示。
圖4 手柄控制功能塊
該650 kN液壓拖曳絞車控制系統(tǒng)采用接近開關(guān)測(cè)量卷筒鋼絲繩的繩長(zhǎng)和繩速,每個(gè)卷筒使用兩個(gè)接近開關(guān)。卷筒一側(cè)裝有檢測(cè)盤,通過兩個(gè)接近開關(guān)信號(hào)檢測(cè)順序判斷卷筒旋轉(zhuǎn)方向,完整檢測(cè)一個(gè)脈沖信號(hào)的流程如圖5所示。圖5中:兩個(gè)圓代表接近開關(guān);空心圓代表沒有檢測(cè)信號(hào);實(shí)心圓代表有檢測(cè)信號(hào);正向箭頭代表檢測(cè)流程脈沖數(shù)加1;逆向箭頭代表檢測(cè)流程脈沖數(shù)減1。這種檢測(cè)方法可以有效避免接近開關(guān)在檢測(cè)臨界值(檢測(cè)信號(hào)時(shí)有時(shí)無)時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的脈沖信號(hào),從而提高了檢測(cè)精度。
圖5 完整脈沖檢測(cè)流程
假設(shè)卷筒檢測(cè)盤上的擋塊數(shù)量為NS,卷筒直徑為D,卷筒每層纏繞鋼絲繩圈數(shù)為m,鋼絲繩直徑為d,檢測(cè)脈沖數(shù)為T,鋼絲繩總長(zhǎng)為L(zhǎng)。
則當(dāng)前層數(shù)取整為
當(dāng)前圈數(shù)為
卷筒上滿層鋼絲繩長(zhǎng)度為
卷筒上剩余鋼絲繩長(zhǎng)度為
放出繩長(zhǎng)為
鋼絲繩速度計(jì)算較為簡(jiǎn)單,通過單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)的變化計(jì)算得出單位時(shí)間內(nèi)繩長(zhǎng)的變化。
恒張力控制主要用于長(zhǎng)距離拖航任務(wù),拖曳絞車以一定的張力拖航,可以克服因被拖物的抖動(dòng)或瞬間張力沖擊而對(duì)拖船造成的影響[5]。打開恒張力旋鈕開關(guān),根據(jù)被拖物重量調(diào)整恒張力電位器??梢栽谟|摸屏上設(shè)置恒張力過放繩長(zhǎng)和恒張力過收繩長(zhǎng)報(bào)警值。當(dāng)卷筒鋼絲繩放纜長(zhǎng)度小于恒張力過收?qǐng)?bào)警值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警,為了防止拖船和被拖物距離過近,系統(tǒng)自動(dòng)減小恒張力比例值,此時(shí)系統(tǒng)處于慢慢放纜狀態(tài)。當(dāng)鋼絲繩放纜長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)置的恒張力過放報(bào)警值和恒張力過收?qǐng)?bào)警值的平均值時(shí),恒張力比例值恢復(fù)到原來值。當(dāng)卷筒鋼絲繩放纜長(zhǎng)度大于恒張力過放報(bào)警值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警,自動(dòng)增加恒張力比例值。如果檢測(cè)到鋼絲繩拉力急劇增大,考慮到被拖物可能觸礁或出現(xiàn)其他故障,恒張力比例值恢復(fù)到原來值,系統(tǒng)報(bào)警音頻率提高,此時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)指揮人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷作出進(jìn)一步操作。
該650 kN液壓拖曳絞車控制系統(tǒng)能很好地滿足拖曳絞車的動(dòng)作要求,在不增加硬件成本的情況下,有效地解決了卷筒鋼絲繩繩長(zhǎng)和繩速不準(zhǔn)確的問題。通過增加手柄分段斜坡控制,使控制動(dòng)作更加平順,并減小了對(duì)液壓系統(tǒng)的沖擊。觸摸屏主界面能實(shí)時(shí)監(jiān)控絞車狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),主界面可以智能提示故障位置和故障原因,從而達(dá)到了智能化監(jiān)控的目的。該拖曳絞車已交付使用,效果良好。
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