变动负荷算法在浮坞自动调载上的应用

陈世波 庞洪波

摘要：大部分船舶工作时货物相对船体是固定不动的，所以船舶的重心也是稳定的。在特殊情况下，船舶工作时其承载的货物相对船体是有位移变化的，像我厂采用“船台船舶整船拉移下水”用的浮船坞。当船从船台向船坞内平移过程中，船体重量就从浮船坞的一端逐渐向另一端移动，直至船完全平移到浮船坞上为止。本文对如何解决在负荷移动过程中快速、准确地自动调整压载水问题进行了探讨。

关键词：浮坞压载；数学模型；自动化系统

1 前言

我厂用于整船下水的浮坞有24个压载舱，每个舱中安装有用于测量压载水位的传感器。并在船艏、船舯、船艉均装有吃水传感器，用于测量船体吃水情况，从而可知浮坞在水中的浮态。以往我们都是利用人工的方法进行调载，由于调载精度低、速度慢，时常发生船舶在平移过程中停下来等待滑道调平的情况。同时由于潮汐的变化和受重后浮船坞的水平偏转，浮船坞上滑道经常偏离船台滑道，使船体局部受力过大，甚至发生局部变形。

2 数学模型

2.1 船台下水示意图（图1）

图1 船台下水示意图

2.2 数学公式

当船舶从浮坞的一端向另一端移动时，坞身受船体重力作用一端会下沉，而另一端会上浮。这不仅会引起浮坞两端吃水深度的变化，同时也使安装在浮坞上的双轴角度传感器的角度变化。根据浮坞四边吃水深度的变化和纵向及横向角度以及浮坞的船体尺寸，我们很容易计算出浮坞纵横方向发生偏转两条轴线位置，如图2所示。

图2

要保持船台滑道与浮坞内滑道相对不变，除了要保证调整压载舱内压载水，使其重量的减少量等于负荷重量的增加量之外，还需要考虑潮位高度变化的影响。我们分两个步骤进行：

2.2.1 不考虑潮汐高度变化的情况

为了保证坞内轨道高度相对于船台轨道不变，需要调整相应压载舱内压载水体积，以抵消负荷变化的影响。这样我们只要减少压载水的重量使其等于浮坞吃水增加的液体重量即可。

我厂浮坞本身有24个压载舱，且分布在船体的不同位置，见图3。

图3

因此，就需要解决如何对多个压载舱室的液位进行一次性定量调整，同时又保证坞体的横向及纵向角度不发生过大变化。

选择纵向轴线为相应压载舱室压入和排出压载水的分界线，如圖2所示。其压排水比例可根据压载舱相对轴线的位置长度比例选取。图2所示情况的相应舱室的调整比例为NO.1：NO.2：NO.3：NO.4=4：3：2：1的比例进行压排水。由此可得实用的纵向各压载舱压排水量的公式（略）。

横向各压载舱压排水量调节范围很小，而且由于压载管路长度等原因使得各压载舱的调整时间也不尽相同，所以只需在纵向调节过程中，以浮坞中心线为基线，适时根据横向角度的变化情况调整各压载阀的开度就可完成横向的调整。我们采用的是以关闭横向方向上各压载舱压载阀10%的开度，直到横向角度调整到设定值时，再恢复其100%开度的办法来调节的。

2.2.2 考虑潮位高度变化的影响

本方案中采用在江水中安装一只液位传感器，在开始时读取潮位高度并存储，并定时对该数值进行采样。根据其值对初值的相对变化，将变化量h潮位叠加到吃水深度中，用以修正潮位变化对浮坞轨道的影响。

3 系统组成

系统由HMI人机界面、PLC、压载泵、液压蝶阀、吃水传感器、压载舱内液位传感器、双轴角度传感器和潮位传感器组成。压载泵、蝶阀为浮坞原有，如图4所示。

图4

3.1 各组成部分的功能

（1）HMI负责各种指参数的输入与数据的输出，兼有数据存储和报表打印工作；

（2）PLC负责处理各种指令和现场数据；

（3）压载泵负责传送压载水；

（4）液压阀门负责控制压载水的流向；

（5）吃水传感器测量坞体的吃水深度；

（6）液位传感器测量压载舱内液面高度；

（7）两轴角度传感器测量坞体纵横向倾角；

（8）潮位传感器测量潮位的变化情况。

3.2. HMI主要功能画面

（1）主界面（图5）

图5

（2）压载舱液位显示界面（图6）

图6

（3）液位传感器标定界面（图7）

图7

因传感器的安装高度比压载舱实际零位要高一些，为了可以修正因安装偏差引起的测量误差，可在本界面内直接输入液面的实际高度，PLC可以自动计算出安装高度与实际零位的差，也可在使用过程中修正因传感器特性变坏引起的偏差。

（4）吃水传感器标定界面（图8）

吃水传感器标定界面的内容和操作方法同图7

图8

3.3 设备选型

（1人机界面（HMI）选用LGIS公司的PMU-830TT触摸屏。

（2）PLC选用LGIS公司的MK_S300S系列，模拟量模块选用G4F-AD2A，配K4S-132S电源模块。CPU模块型号：K4P-15AS.数字量输入、输出模块型号：G4I-D24A、G4Q-SS2A。

3.4 转换精度

对模数转换模块G4F-AD2A的转换精度进行验算，该模数转换模块对应的转换数字值为0～4000，4mA转换为0，20mA转换为4000，呈线性关系，最小转换值为4μA。

传感器的测量范围30m，输出精度为30/（20-4）/1000=0.002m/μA。而模数转换模块的最小转换值为4μA，所以转换精度为0.008m=8mm。其转换误差与波浪影响相当，可满足实际使用对精度的要求。

3.5 编写程序

3.5.1 相关程序（略）

3.5.2 主程序流程图（图9）

圖9

3.6 数值处理注意事项

在HMI中处理数值时，其小数位数是在从PLC中读取数据时决定的，建议在PLC中进行数据运算时按无符号整数进行，这样在HMI中显示时可以由HMI决定要显示的小数位数。

在PLC编程时，在采集数据前应先对模拟量通道进行初始化，并根据模拟量模块设置数据的大小。

船舶吃水深度与船舶重量的数值及压载舱舱容与液面高度的数值均采用查表法获得，数据表中关键点的设立不宜过细，以满足使用精度为要求，降低数据的寻址时间。

参数设定及数据显示画面中的横向、纵向角度可通过计算相应位置吃水深度获得，也可通过装设双轴编码器获得，本系统采用后者

3.7 压载舱液位的微调

为保证调载的精度，消除水面波浪及水流惯性的影响，对液压舱的液位增加微调功能，实现方法如下：

（1）处于船体四角的压载舱在压水时预留设定压载值5%的重量，用于微调使用。在压载完成时间上稍微滞后其余舱室的压载时间，排除压载水时不用考虑。

（2）通过调整阀门打开的时间控制其开度，微调时通过点动使阀门处于打开-关闭-打开的过程来实现。

4 应用前景及效益分析

4.1 应用前景

本系统已在我厂的浮坞上应用，截止目前已完成25艘船舶的整船下水作业。经过多次改进，现可使浮坞在整船下水过程中不间断地根据潮汐、负荷移动等情况进行轨道调整，保证了滑道平稳，使船舶可以不间断的进行拉移。解决了人工调整速度慢、精度低的问题。并且可通过参数设置，实现坞体在水中的准确浮态调整。经过适当的修改，有可能在类似工况下的相似船舶上应用，比如起重船舶等。

4.2 经济效益及社会效益分析

减轻了人员的劳动强度，同时避免了人工操作出现的失误。缩短了调载时间，提高了工作效率。解决了因船舶拉移时调载速度慢而造成的工作中断等一系列问题，尤其是浮坞与船台滑道相互偏离的不安全状况得到完善。使船舶下水的工作周期缩短，安全保障加强，工作质量提升。也拓展了浮坞的应用范围，对受水域面积限制无法实行船台重力下水，又没有干坞，仅有合适浮坞的船厂确有参考价值。

5 小结

此方案弥补了手动调载模式的不足，使自动化技术在船舶调载方面有了新的应用。这一系统的优化和进一步开发将使它可以在起重船等有相似工作情况的船舶上应用。

参考资料

[1]施春红编.船舶电气设备及自动控制，哈尔滨工程大学出版社，2002-

05-01

[2]许安静，谭跃.船舶平衡控制系统的自动控制设计方案.

[3]刘红编，船舶原理，上海交通大学出版社，2009-11-1.