绞车混合自动排缆控制设计

唐宗勇（中船重工第七一○研究所，湖北宜昌443003）

绞车混合自动排缆控制设计

唐宗勇
（中船重工第七一○研究所，湖北宜昌443003）

介绍在绞车上如何进行圆形缆和流线形缆的混合排缆。先介绍绞车的驱动方式、控制方案和使用的各传感器的用途，着重于论述传感器数据的判断方法和约束条件，从而实现缆层控制和电缆排缆，获得工况参数，并给出了基于处理器TMS320F2812的排缆控制和缆速缆长计算的具体方法。

绞车控制；混合排缆；软件设计

0　引言

海上拖曳绞车是用于海洋科学活动中的特种甲板设备，为在海上复杂条件下对各种拖曳体的收放和使用提供了有力工具。本文介绍的海上拖曳绞车用于完成水下拖曳体的布放和回收，并通过调节放出拖缆的长度来调节拖曳体定深。

1　绞车控制需求

绞车卷绕的拖缆在靠近拖曳体端，安装了200m用于改善拖缆流体动力特性的流线片，整条拖缆以截面来看就有圆形和尖锥形两种，绞车要将这两种外形和直径均不同的拖缆卷绕在同一卷筒上。绞车卷筒和排缆器使用不同液压电机驱动，排缆器滑动的位移要根据缆形自动调整，同时要保证排缆器每次滑动的位移与缆径相适应，避免出现相邻两圈缆挤压、叠缆造成损伤或者间距过大导致绞车容缆不足。

绞车卷筒外形如图1所示。卷筒分为同轴但不同外径的两个部分，大直径卷筒用于卷绕拖缆流线型部分，需单层卷绕，小直径卷筒用于卷绕拖缆的圆形部分，可多层卷绕。

图1　卷筒绕缆示意图

系统拖曳作业为远端遥控方式，绞车本地控制需要形成包含缆长、缆速、拖缆张力等的工况信息以便于远端遥控使用。

2　控制方案设计

绞车控制的重点在于驱动绞车卷筒与驱动排缆器的两个液压电机运动匹配问题。绞车卷筒液压电机连接一个双向比例阀，实现不同速度的正反转动，与卷筒同轴安装一个增量式光电编码器，用于测量绞车转角和转速。排缆器液压电机连接2个开关阀，实现正反转定速运动，使用一个拉线式位移传感器测量排缆器的位移，这样绞车卷筒转角和排缆器位移构成一个闭环控制，使得排缆器位置与绞车绕缆相配合，原理如图2所示。在排缆器滑轨上设置3个电感式接近开关，分别用于标识绞车卷筒的左右边界和绞车卷筒大小直径跃变点，另并联使用2个电容式接近开关用于判断缆形，此时将调整排缆器排缆间距，以适应绞车正在卷绕的缆形。拖缆张力通过与绞车卷筒同轴安装的扭矩传感器测得扭矩后折算获得。

图2　控制组成原理框图

3　硬件设计

硬件设计控制器使用TMS320F2812，其具有丰富的外设资源用于连接外部设备。硬件连接示意如图3所示[1]。通过McBSP接口连接D/A转换器AD5476，使用AD5476的2个通道分别输出控制信号到2个双向比例阀，输出信号的范围、幅值和极性均可以编程配置使用。通过SPI接口连接A/D转换器LTC1859，使用2个通道用于采集扭矩信号和排缆器位移信号。通过EV事件管理器的捕获/比较接口与增量式编码器连接，增量式编码器输出了正交编码器信号同时被接到EVA事件管理器和EVB事件管理器。编码器信号在处理前将被EV时间管理器4倍频，以调高处理精度。EVA用于缆速测量，EVB用于绞车卷筒与排缆器之间的运动协调和缆长测量。GPIO接口连接外部接近开关信号输入和输出控制信号。

图3　硬件连接框图

4　软件设计

本部分将选取缆层控制、排缆器运动控制进行介绍，描述控制方法和基于TMS320F2812控制器的软件实现。

4.1缆层控制及缆长计算

流线形缆在大直径卷筒上卷绕，因此排缆器为单次往复运动。圆形拖缆在小直径卷筒上多层卷绕，相应排缆器就为多次往复运动。以上的运动测量和控制取决于对标识卷筒位置的3个接近开关，要依靠对3个接近开关状态和触发次数联合判读来确认当前排缆要执行的具体动作。

如图4所示，将3个接近开关按安装位置记为PROX1、PROX2和PROX3。下面以绞车放缆动作为例介绍计数和判读过程。PROX1、PROX2和PROX3计数均初始化为0，当接近开关被触发1次则计数器+1运算，计数时机不是在触发接近开关时刻做+1运算，而要在触发状态下等待绞车转1圈后，控制排缆器反向运动时刻再+1，这样拖缆排放能够紧致地靠近卷筒边缘。

放缆位置起始于PROX3位置。当PROX1=0、PROX2=0、PROX3=1时，可知为1层且在大直径卷筒左向放缆运动（a段）；当PROX1=0、PROX2=1、PROX3=1时，可知为1层且在小直径卷筒左向放缆运动（b段）。当排缆器到达PROX1时，等待卷筒转动1圈，排缆器右向放缆运动（c段）时刻，做PROX1+1运算，PROX1计数须受PROX2计数值的约束，即PROX1≤PROX2且PROX2–PROX1=0，否则忽略PROX1+1运算。当排缆器继续运动到PROX2位置时，等待卷筒转动1圈后，此时结合当前为放缆操作，且PROX1= 1、PROX2=1可知排缆器应转换方向做左向放缆运动（d段），做PROX2+1运算，PROX2计数须受PROX1计数值的约束，即PROX2≥PROX1，且PROX2–PROX1=1，否则忽略PROX2+1运算。由于PROX1和PROX2在空间上是分开的，排缆器不能同时触发，因此PROX1和PROX2计数可用来互为约束，这样就可以排除掉由于系统具体操作需要，而使排缆器反复在某一处触发接近开关带来的计数干扰。收缆过程，则为放缆过程的逆过程，逻辑关系则变为-1运算，PROX1和PROX2的计数值仍具有作相应变化的相互约束关系。当PROX1=0、PROX2=0、PROX3=1时，收缆时经过PROX2排缆器不再反向运动，而是直接向PROX3运动，直至完成收缆操作。

图4　缆层判断约束示意图

依靠PROX1、PROX2的当前计数值就可以得知当前在小直径卷筒上共排了几层圆形缆，同时也知道每层排了多少圈（含非整数圈），计算时只要第次减掉1个圆形拖缆直径，就不难计算得到放出的总缆长。

4.2排缆控制和缆速测量

排缆控制和缆速测量是基于对编码器输出的正交编码信号(QEP)的处理和使用。

4.2.1排缆控制

排缆控制主要通过绞车卷筒旋转角度和排缆器移动距离的匹配来实现，使得卷筒大小直径不同不至于影响排缆。把绞车卷筒旋转角度作为主动方，排缆器每次移动相应距离去适应卷筒转过的角度。绞车卷筒每转过90°后，排缆器移动当前缆形直径的1/4。排缆器的总位移通过拉线传感器测得并作为反馈，把每次排缆器应移动的位移累加作为排缆器理想位置，把理想位置与测得的位置之间做差值运算，当差值大于阈值时，将此差值作为修正值附加到排缆器下次运动时完成，避免排缆器运动时可能积累的位置偏差。

排缆器移动启动信号由EVB事件管理器的通用定时器GPT3的比较中断T3CINT产生，在配置时钟源时将TCLKS1=1、TCLKS2=1选为QEP信号，在中断处理程序中置位排缆器启动信号，并据转向计算出下次比较目的值改写寄存器T3CMPR。GPT3设置如下：

EvbRegs.T3CON.all =0x5878;//GPT3配置

EvbRegs.T3PR = 0xXXXX; //

计数周期

EvbRegs.T3CNT = 0xXXXX; //置位初始值

EvbRegs.T3CMPR = 0xXXXX; //比较值

4.2.2缆速测量

缆速由转过EncPulse份卷筒周长和所用时间之比获得。输入的正交编码脉冲在每个上升沿到来时刻把定时器当前值(T1CNT)保存在二级FIFO中。连续两次读取的FIFO值做差运算获得用时多少个时间单位kt，而时间单位是时钟分频而来，为确定量[2]。

事件管理器EVA关键设置如下：

EvaRegs.T1CON.all = 0x574c；//时基设置

EvaRegs.CAPCONA.all = 0x2290；//捕获设置

5　结论

本文所述绞车混合排缆控制方案和软件编码经调试后应用于工程项目。绞车控制经湖试、海试试验，绞车排缆控制，拖缆长度计算和缆速测量运行良好，符合设计目的和工程要求。

［1］张勇，姚艺华，卢琴芬.基于TMS320F2812的永磁直线电机伺服控制研究［J］.机电工程，2014（1）: 76-80.

［2］苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320x281x DSP原理及C程序开发［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

(编辑：阮毅)

Design of Hybrid Cable-Arrangement Controlon theW inch

TANGZong-yong
（No.710R&D Institute，CSIC，Yichang 443003，China）

This paper discusses design of the hybrid automatic cable-arrangement of the circular cable and the streamline cable on the winch.Above all，introduces drivingmode and control scheme of thewinch，stressed explain about the agency ofeach sensor using and introduces how to process sensor data and realization of critical cable layer control in the process of the cable-arrangement.Detail description of judgmentmethod and constraint condition is present.Based on the TMS320F2812 processor introduces a concrete software method to realize cable-arrangementcontroland calculationmethod of the cable speed and the cable length.

winch control；hybrid cable-arrangement；software design

TP273

A

1009－9492(2015)04－0010－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.003

2014－10－29

唐宗勇，男，1979年生，黑龙江人，硕士，工程师。研究领域：海洋工程。已发表论文4篇。