線性絞車電控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

王 聞

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

近年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水路運(yùn)輸這一最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式得到越來越廣泛的應(yīng)用，貨物以及運(yùn)輸船只的總量不斷增加，造成了航道擁擠的現(xiàn)象。船舶碰撞以及沉沒事故也逐年增長，如何能夠安全、快速、高效地打撈沉船，已成為交通部打撈局亟待解決的問題，而對(duì)于大型沉船的打撈則是重中之重。經(jīng)過一系列案例分析和各種打撈方法的比較，發(fā)現(xiàn)液壓同步牽引（提升）技術(shù)在業(yè)內(nèi)有著巨大的優(yōu)勢，由此引出了液壓同步牽引技術(shù)的核心裝備—線性絞車。

線性絞車具有牽引力大、設(shè)備體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、可以單臺(tái)應(yīng)用也可以多臺(tái)同步控制、操作系統(tǒng)簡單等特點(diǎn)，在我國大型船舶打撈項(xiàng)目中得到了非常廣泛的應(yīng)用。正是基于此，交通部廣州打撈局決定建造2艘浮力打撈工程船，并在2艘駁船甲板上分別布置28臺(tái)線性絞車；鋼絲繩穿過難船后經(jīng)導(dǎo)向輪裝置中的定滑輪轉(zhuǎn)向，受線性絞車夾持，則有多臺(tái)線性絞車牽引共同抬浮難船。56臺(tái)絞車同時(shí)牽引抬浮沉船，抬浮力可達(dá)252 000 kN。在打撈項(xiàng)目中，如何能夠使兩船保持通訊暢通、精準(zhǔn)控制每1臺(tái)線性絞車、平穩(wěn)地打撈沉船是此項(xiàng)目電控系統(tǒng)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。線性絞車打撈工藝圖如圖1所示。

圖1 線性絞車打撈工藝圖

1 電控系統(tǒng)組成

此項(xiàng)目電控系統(tǒng)分為2組，分別放置在A、B這2條船上，每艘船上有1個(gè)遠(yuǎn)程控制室，用于對(duì) 28臺(tái)線性絞車進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)控；7個(gè)電控柜，用于動(dòng)力站和線性絞車的單臺(tái)本地控制；28個(gè)本地信號(hào)箱，用于采集絞車本體的上的傳感器信號(hào)。電控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)組成示意圖

2 電控系統(tǒng)通訊架構(gòu)

2條船（A船、B船）之間的通訊方式為無線通訊，為了提高無線通訊的安全性和可靠性，采用雙射頻冗余系統(tǒng)（2.4 GHz, 5 GHz），2路通訊之間可實(shí)現(xiàn)無時(shí)差的無縫切換。遠(yuǎn)程控制室和本地控制柜采用5 GHz無線通訊，留有硬件接口，在緊急情況下可網(wǎng)線連接。本地控制柜與絞車信號(hào)箱之間采用PROFIBUS-DP通訊，為了提高絞車的可替換性，采用星型連接方式，可保證單臺(tái)通訊故障時(shí)不會(huì)使其他站點(diǎn)通訊丟失。

在軟件通訊組態(tài)方面，2條船遠(yuǎn)程控制室的通訊模塊各設(shè)1個(gè)無線主站AP，采用橋接的方式連接，以保證傳輸速率。將每個(gè)本地控制柜的無線模塊設(shè)為通訊客戶端，與本船的主站AP相連，各個(gè)本地控制柜之間相互獨(dú)立，且采用 IPCF功能，保證客戶端與主站AP間的有序問詢、不丟包。2船間通訊如圖3所示。

在控制方面，每個(gè)本地控制柜單獨(dú)放置1個(gè)CPU，自成系統(tǒng)，即使在動(dòng)力站與遠(yuǎn)程控制室通訊丟失的情況下，仍然可以在本地控制動(dòng)力站和絞車，確保了單套控制系統(tǒng)的獨(dú)立性；每個(gè)動(dòng)力站的程序完全相同，大大提高了編程效率。此外，動(dòng)力站CPU和遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的CPU之間采用激活 I-device功能的 Profinet通訊，取代了原來的S7內(nèi)部通訊技術(shù)，大大提高了傳輸速率，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

圖3 兩船間通訊示意圖

3 單臺(tái)線性絞車的控制

線性絞車包括前后2個(gè)夾具，其中前夾具可跟隨主推油缸移動(dòng)；后夾具的位置是相對(duì)固定的，不可跟隨移動(dòng)。在實(shí)際工作中，前夾具夾緊鋼絲繩、后夾具松開，前夾具跟隨主推油缸運(yùn)動(dòng)；當(dāng)主推油缸伸出到達(dá)極限位置時(shí)，后夾具夾緊、前夾具松開；達(dá)到“換手”目的后，主推油缸縮回到達(dá)極限位置，完成1個(gè)行程。不斷重復(fù)這個(gè)動(dòng)作，便可以將待打撈的船舶抬升到一定的高度。線性絞車布置如圖4所示。

控制中的難點(diǎn)在于“換手”這個(gè)動(dòng)作的流暢性。由于線性絞車的夾具是V型結(jié)構(gòu)，當(dāng)作用在鋼絲繩上的力較大時(shí)，夾緊夾具上的力便難以卸掉，這就會(huì)造成夾具打開不順暢。夾具不能及時(shí)的松開，便會(huì)對(duì)絞車的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損傷。必要時(shí)采取停車動(dòng)作，這時(shí)就需要主推油缸給夾緊夾具提供1個(gè)附加力來協(xié)助夾具打開。在程序設(shè)計(jì)中具的體解決辦法為：當(dāng)線性絞車處于收繩狀態(tài)（主推油缸伸出是有效動(dòng)作）、主推油缸還未完全到達(dá)伸出極限位置時(shí)，提前給后夾具夾緊指令，待收到夾緊信號(hào)反饋后，給前夾具松開指令，同時(shí)給主推油缸縮回指令；待前夾具松開后，主推油缸再進(jìn)行正常的動(dòng)作。同理，如果想讓后夾具的力能夠順利轉(zhuǎn)移到前夾具，需要在主推油缸還沒有縮回到極限位置時(shí)，提前給前夾具夾緊指令；收到夾緊信號(hào)反饋后，給后夾具松開指令，同時(shí)給主推油缸伸出指令，以此達(dá)到順利“換手”的目的。需要注意的是，如果絞車處在放繩狀態(tài)（主推油缸縮回是有效動(dòng)作），則主推油缸提供的附加力方向與實(shí)際運(yùn)行方向相反，需要給主推油缸留有更大的行程余量來確保“換手”動(dòng)作的順利完成。由此，既保證了絞車安全性，又提高了工作效率。單臺(tái)線性絞車控制邏輯如圖5所示。

圖4 線性絞車布置圖

圖5 單臺(tái)線性絞車控制邏輯

4 線性絞車聯(lián)動(dòng)控制

在實(shí)際打撈沉船項(xiàng)目中，需要對(duì)所有線性絞車實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。在中央控制室內(nèi)設(shè)有1個(gè)遠(yuǎn)程操作臺(tái)，操作臺(tái)上配有人機(jī)界面操作屏和CCTV監(jiān)視屏。通過人機(jī)界面操作屏可同時(shí)操作本船所選的所有絞車，CCTV監(jiān)視屏也可看到本船及相鄰船舶絞車的實(shí)時(shí)狀態(tài)。人機(jī)界面主要包括緊停按鈕、故障復(fù)位、狀態(tài)選擇、自動(dòng)操作、手動(dòng)操作、位移同步等操作。在打撈作業(yè)時(shí)，操作人員選擇所要控制的絞車編號(hào)和操作模式，并按下指令按鈕，由此，所選擇的絞車便會(huì)同步進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。聯(lián)動(dòng)控制操作界面如圖6所示。

聯(lián)動(dòng)控制中的難點(diǎn)在于除了控制集群絞車的統(tǒng)一動(dòng)作外，還須保證線性絞車行程的同步，進(jìn)而使沉船各牽引點(diǎn)的位置同步。一旦同步性不好，便會(huì)造成2船絞車的受力不均，損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此必要時(shí)只能采取停車動(dòng)作。為了避免此類情況的發(fā)生，需要采用位移同步。位移同步的編程思路是通過安裝在主推油缸的拉繩編碼器計(jì)算出鋼絲繩的運(yùn)行長度；在進(jìn)行位移同步工作時(shí)，首先按下初始復(fù)位按鈕，主推油缸均縮回都極限位置；程序中的編碼器、所有絞車的置位都到達(dá)零位后，按下啟動(dòng)按鈕，主推油缸開始進(jìn)行伸出動(dòng)作。在線性絞車帶載運(yùn)行過程中，通過編碼器的讀數(shù)計(jì)算出油缸的伸出長度，從而換算出牽引點(diǎn)的上升高度。將所有絞車油缸伸出的長度之差控制在一定范圍內(nèi)，如某臺(tái)絞車伸出長度較快，則減小速度；反之，則增大速度，由此形成閉環(huán)控制。待油缸運(yùn)行到預(yù)設(shè)值之后，絞車停止；待所有絞車到達(dá)預(yù)設(shè)值之后，1個(gè)位移同步動(dòng)作完成。

圖6 聯(lián)動(dòng)控制操作界面

6 電控系統(tǒng)中的可靠性保護(hù)

在進(jìn)行電控設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮到系統(tǒng)的可靠性。在硬件方面，采用屏蔽、隔離以及濾波等措施來減少其他信號(hào)的干擾。在遠(yuǎn)程控制室內(nèi)設(shè)有UPS對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行掉電保護(hù)，選用的PLC和工控機(jī)中存儲(chǔ)內(nèi)容保護(hù)和自我診斷功能。在軟件方面，當(dāng)液壓系統(tǒng)有低油位、高溫等故障報(bào)警時(shí)，液壓站停機(jī)；當(dāng)絞車進(jìn)行聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，任何1臺(tái)絞車的拉力超標(biāo)或運(yùn)行距離超過設(shè)定值，則整個(gè)控制系統(tǒng)停止動(dòng)作，并伴有聲光報(bào)警提示。此外，在現(xiàn)場布線時(shí)，動(dòng)力線和控制線分開布置，模擬量信號(hào)采用屏蔽雙絞線，從而確保整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。

7 結(jié)論

線性絞車電控系統(tǒng)所采用的無線通訊技術(shù)高效可靠、免布線，減少了現(xiàn)場施工人員的工作量。絞車的單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)控制以及友好的人機(jī)界面操作，讓工程作業(yè)人員可以非常方便地控制全船所有作業(yè)中的線性絞車。通過調(diào)整每個(gè)絞車的拉力和繩長，精確地控制待打撈沉船的位置。電控系統(tǒng)的可靠性降低了打撈作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率。近年來，利用線性絞車打撈沉船技術(shù)在國內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，此套電控系統(tǒng)已順利完成數(shù)個(gè)打撈作業(yè)，得到了用戶的一致好評(píng)。

本文通過分析此套自主研發(fā)的電控系統(tǒng)，掌握了線性絞車在沉船打撈作業(yè)時(shí)的使用工況、自動(dòng)控制中的難點(diǎn)以及人機(jī)界面的應(yīng)用，積累了一些技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為我國沉船打撈技術(shù)提供了強(qiáng)有力的保障，也為同類工程項(xiàng)目提供了借鑒與參考。