姜海雨
(上海勞雷儀器系統(tǒng)有限公司,上海 200120)
由于季節(jié)變化及24h 內(nèi)日照的變化,海洋數(shù)據(jù)參數(shù)隨著時(shí)間和海域的不同也相應(yīng)變化的。但是在一定的海區(qū),海洋數(shù)據(jù)參數(shù)的變化具有一定的規(guī)律。為了摸清溫、鹽、深的變化規(guī)律,水文工作者需要經(jīng)常出海進(jìn)行水文測(cè)量。以往的測(cè)量方法是測(cè)量船在海上定點(diǎn)拋錨,停船狀態(tài)下投放測(cè)量?jī)x進(jìn)行剖面測(cè)量。為了提高測(cè)量效率,本文提出了一種走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絞車(chē)裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制設(shè)計(jì)等,該系統(tǒng)在測(cè)量船行進(jìn)過(guò)程中重復(fù)拋投、回收探測(cè)拖體,進(jìn)行連續(xù)的垂直剖面測(cè)量,不需要停航拋投,而且全部作業(yè)都是自動(dòng)進(jìn)行,并進(jìn)行了相關(guān)的航行試驗(yàn)。
走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)允許通訊電纜連接的拖體進(jìn)行自由下墜,下墜過(guò)程中采集水體垂直剖面原始數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)調(diào)制后生成的遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)經(jīng)通訊電纜發(fā)送回測(cè)量船,遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)解調(diào)為原始數(shù)據(jù)后,上位機(jī)可獲得拋投點(diǎn)的綜合水體垂直剖面圖。采用上位機(jī)控制收放系統(tǒng)執(zhí)行拖體布放,通過(guò)判斷拖體下墜深度終止布放,并回收拖體到海面的拖曳位置,拖曳位置設(shè)定為海面下3 ~5m。系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行布放條件,在測(cè)量船航行狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)拖體的連續(xù)布放。走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)隨著船速的增加測(cè)量深度減小,本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)12 節(jié)航速時(shí)測(cè)量水深可達(dá)300m;停航時(shí)測(cè)量水深可達(dá)4000m。
走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量拖體、高強(qiáng)度通訊電纜、收放系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)等組成。投放的測(cè)量拖體內(nèi)含傳感器及遠(yuǎn)程數(shù)傳系統(tǒng),可根據(jù)需求配用多種參數(shù)傳感器,標(biāo)準(zhǔn)配置為測(cè)量CTD 數(shù)據(jù);投放通訊纜連接測(cè)量拖體與收放系統(tǒng),能滿足承受設(shè)定載荷和通訊需求;收放系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)測(cè)量拖體的
自由下墜投放、一般控速投放、控速回收,具有緩沖制動(dòng)功能,配置回轉(zhuǎn)伸縮臂用于將測(cè)量拖體自甲板運(yùn)送至舷外投放及自舷外回收后送回甲板。上位機(jī)系統(tǒng)收集各項(xiàng)收放系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)并對(duì)收放系統(tǒng)下達(dá)各項(xiàng)動(dòng)作執(zhí)行指令,采集從測(cè)量拖體傳來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)并綜合母船狀態(tài)數(shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)和其它相關(guān)數(shù)據(jù)留作科學(xué)分析之用。
收放系統(tǒng)是由外導(dǎo)向輪、投放臂、內(nèi)導(dǎo)向輪、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、排纜機(jī)構(gòu)、卷?xiàng)钕到y(tǒng)、盤(pán)式制動(dòng)器、液壓?jiǎn)卧?、電控柜等組成,可實(shí)現(xiàn)測(cè)量拖體的自由投放及控速下放和回收。
外導(dǎo)向輪用于最外端的出纜導(dǎo)向,安裝機(jī)械式感應(yīng)開(kāi)關(guān),用于布放過(guò)程中的拖體位置控制判斷。投放臂由液壓油缸驅(qū)動(dòng),可將投放臂從舷內(nèi)伸到舷外,投放臂可承受額定載荷垂向和橫向的彎矩。內(nèi)導(dǎo)向輪用于排纜機(jī)構(gòu)到投放臂的出纜導(dǎo)向,安裝機(jī)械式感應(yīng)開(kāi)關(guān),用于收纜防沖頂及放纜余纜保護(hù)判斷;安裝測(cè)力銷(xiāo),用于纜繩張力測(cè)量功能;安裝編碼器,可實(shí)現(xiàn)計(jì)米、計(jì)速功能。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)使投放臂旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度350°,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可承受額定載荷的彎矩和扭矩。排纜機(jī)構(gòu)由導(dǎo)桿、絲桿、排纜框組成,根據(jù)卷筒的轉(zhuǎn)速移動(dòng)排纜框,使卷筒上排纜整齊。絲桿由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),絲桿上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器,用于排纜位置計(jì)算。卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由液壓自由輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng),可執(zhí)行拖體的自由下墜及控速下放和回收。卷筒安裝編碼器,用于測(cè)量卷筒的轉(zhuǎn)速。卷筒法蘭側(cè)安裝盤(pán)式制動(dòng)裝置,可實(shí)現(xiàn)自由下放時(shí)的緩沖制動(dòng),盤(pán)式剎車(chē)由制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)頭組成,制動(dòng)頭為碟簧松閘,液壓上閘,可實(shí)現(xiàn)自由下放時(shí)的緩沖制動(dòng)。液壓?jiǎn)卧獮槭辗畔到y(tǒng)提供動(dòng)力,配置不銹鋼油箱及液壓附件。電控柜可實(shí)現(xiàn)收放系統(tǒng)的本地控制功能,并執(zhí)行上位機(jī)的控制指令。
絞車(chē)裝置的基本液壓原理如圖1 所示。閉式電比例液壓泵2 是用于向收放系統(tǒng)的卷筒提供動(dòng)力的單元。閉式電比例液壓泵2 驅(qū)動(dòng)帶自由輪功能的馬達(dá)1 旋轉(zhuǎn),閉式液壓泵2 和自由輪馬達(dá)1 構(gòu)成了閉式回路液壓系統(tǒng),卷筒的正反轉(zhuǎn)可通過(guò)液壓泵的電比例換向閥實(shí)現(xiàn)。通過(guò)自由輪先導(dǎo)閥5 可控制自由輪閥3 的閥芯工作位置。當(dāng)自由輪先導(dǎo)閥5 失電時(shí),自由輪馬達(dá)1 處于正?;剞D(zhuǎn)工況,液壓泵2 驅(qū)動(dòng)自由輪馬達(dá)的回轉(zhuǎn);當(dāng)自由輪閥5 得電時(shí),自由輪馬達(dá)1 處于自由輪工況。自由輪馬達(dá)1 的柱塞依靠?jī)?nèi)部的彈簧結(jié)構(gòu)縮回,使自由輪馬達(dá)1 的柱塞工作行程為零,馬達(dá)輸出軸在拖體的作用下處于自由回轉(zhuǎn)狀態(tài)。
圖1 收放系統(tǒng)液壓原理圖
自動(dòng)控制系統(tǒng)完成整個(gè)走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)的通訊與控制,主要包括收放系統(tǒng)電控柜、工控機(jī)、上位機(jī)。收放系統(tǒng)電控柜與工控機(jī)通過(guò)一根多芯電纜經(jīng)分線盒進(jìn)行通訊,包括收放系統(tǒng)的控制、拖體傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)通訊、緊??刂?、接地??刂品桨溉鐖D2 所示。
圖2 控制方案圖
上位機(jī)既控制軟件系統(tǒng),該軟件利用C#實(shí)現(xiàn)走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)交互界面,人機(jī)交互界面如圖3 所示。軟件利用硬件平臺(tái)提供的接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)拖體傳感器的多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示,并可記錄原始數(shù)據(jù);實(shí)現(xiàn)對(duì)收放系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)收放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)狀態(tài),控制收放系統(tǒng)進(jìn)入自由輪工作模式后,通過(guò)判斷測(cè)量拖體的入水深度、放纜長(zhǎng)度、測(cè)量拖體距海底的深度進(jìn)行盤(pán)式緩沖制動(dòng),制動(dòng)后開(kāi)始收纜,將通訊電纜收到測(cè)量拖體的拖曳位置。通過(guò)系統(tǒng)配置界面設(shè)定投放間隔時(shí)間、投放次數(shù)、投放深度,可實(shí)現(xiàn)對(duì)拖體進(jìn)行連續(xù)多次投放。
圖3 人機(jī)交互界面
在水深大于300m 的海區(qū)、停航狀態(tài)下,掛上配置CTD傳感器的托體,操作控制柜上的本地控制面板,將拖體投放至水面以下5m 的投放起始位置。
將控制權(quán)切換至上位機(jī),在上位機(jī)控制下,進(jìn)入定深投放模式,設(shè)定投放深度160m,時(shí)間間隔1min,循環(huán)自由投放3 次,船速4 節(jié),記錄實(shí)際投放深度、放纜長(zhǎng)度,投放時(shí)間;設(shè)定投放深度75m,時(shí)間間隔1min,循環(huán)自由投放3 次,船速8 節(jié),記錄實(shí)際投放深度、放纜長(zhǎng)度,投放時(shí)間;設(shè)定投放深度30m,時(shí)間間隔1min,循環(huán)自由投放3 次,船速12節(jié),記錄實(shí)際投放深度、放纜長(zhǎng)度,投放循環(huán)時(shí)間。
(1)走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)可采集多種水體垂直剖面信息,滿足科學(xué)家對(duì)水體調(diào)查的日益增長(zhǎng)的需求。
(2)測(cè)量船不同的航速,拖體的工作深度也是不一樣的。低航速時(shí),拖體的投放深度可以到達(dá)較大的深度;而高航速時(shí),受水阻力增大、通訊電纜強(qiáng)度、收放系統(tǒng)功率等因素限制,拖體投放深度也相應(yīng)減小。因此需要預(yù)置不同航速下的相應(yīng)投放深度值,上位機(jī)根據(jù)測(cè)量船GPS 裝置的船速來(lái)調(diào)整拖體的最大投放深度。
(3)進(jìn)行航行試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明該走航式剖面測(cè)量系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)使用要求,驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性,可為后續(xù)設(shè)備的研制提供較高的參考價(jià)值。