液压拖曳绞车控制系统设计与研究

丁 平，石晓妹，何晓燕，朱德峰，王喜娟，田亚楠

（1. 无锡德林防务装备股份有限公司，江苏无锡 214191；2. 徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏徐州 221000）

0 引言

拖曳绞车是一种特种设备，用于收放缆绳、拖带没有自航能力的船舶、海上设施以及失去自航能力的船舶，是拖船上的重要设备[1-2]。

目前，出于成本和精度要求的考虑，大多数液压拖曳绞车都使用接近开关检测绞车的转速。若用户对绳长和绳速提出了较高的精度要求，则可以通过安装编码器实现。使用常规接近开关检测拖曳绞车绳长和绳速，有时会因为计算方法本身不够准确而导致控制精度不高。因此，本文在详细介绍系统设计的同时，深入研究了接近开关检测绞车绳长和绳速的方法。同时在控制系统程序中增加了手柄斜坡分段控制，提高了操作的微动性和平稳性；增加了恒张力自动保护模式，提高了恒张力拖航时的安全性和可靠性。

1 系统总体设计

本文以某650 kN液压拖曳绞车为研究对象，该绞车为双卷筒绞车，两卷筒瀑布式布置，上卷筒为拖带卷筒，下卷筒为锚处理卷筒，绞车上、下卷筒不能同时工作，需要通过离合器自动切换上、下卷筒的工作状态。系统包含3台110 kW主电机泵组和2台5.5 kW辅助电机泵组。系统主要控制站点包括驾控室操作面板、驾驶室触摸屏、机旁操作台和本地启动箱。四个控制点都能起停电机，但启动箱优先级最高，只有启动箱内远程起停旋钮切换到“远程”时，驾控室和机旁操作台才能够起停电机。启动箱站点的主要功能是采集启动箱内各检测信号和现场泵站信号、控制电机起停、控制电机除湿和油箱加热等，其不具备操作拖曳绞车的功能。

驾控室操作面板和机旁操作台两个站点可以对液压拖曳绞车进行操作，通过切换旋钮选择操作位置。由于机旁操作优先，所以操作位置切换旋钮位于机旁操作台上。而系统泵站除了为拖曳绞车提供动力以外，还要给其他设备提供动力，所以驾控台操作面板有工作模式切换旋钮。除此之外，两个操作站点功能基本相同。驾控室触摸屏可显示绞车动作动画、显示参数、记录报警和设置相关参数等，各控制站点之间通过PROFINET网络通信。电气系统结构框图如图1所示。

图1 电气系统结构框图

1. 1 硬件设计

该650 kN液压拖曳绞车电气系统控制主站设在驾控室，控制器选用西门子CPU 1511-1PN，其包含2个RJ45网口，1个用于和启动箱分站通信，1个用于和触摸屏通信。扩展模块包括：1个AI/AQ 4×U/I/RTD/TC/2×U/I ST模拟量输入输出模块，用于收放缆手柄和恒张力电位器的信号采集以及恒张力比例阀和收放缆比例阀的输出控制；1个DI 32×24VDC HF数字量输入模块，1个DQ 32×24VDC/0.5A HF数字量输出模块，1个DI 16/DQ 16×24VDC/0.5A BA数字量输入输出模块，用于驾控室面板上操作按钮和旋钮等输入检测以及相关状态指示灯输出。

启动箱选用ET200sp远程I/O分站；接口模块选用IM 155-6 PN ST；扩展模块包括：3个DI 16×24VDC ST数字量输入模块，2个DQ 16×24VDC/0.5A ST数字量输出模块，输入模块用于检测启动箱上起停信号、启动箱内各输入信号和泵站各报警输入信号，输出模块控制启动箱上各指示灯以及相关中间继电器。

机旁控制台选用ET200sp远程I/O分站，接口模块选用IM 155-6 PN ST，扩展模块包括：1个AI 4×U/I 2-wire ST模拟量输入模块，用于机旁控制台收放缆手柄、恒张力电位器和绞车本体上压力传感器信号的采集；4个DI 16×24VDC ST数字量输入模块，3个DQ 16×24VDC/0.5A ST数字量输出模块，用于机旁操作台面板上操作按钮和旋钮等的输入检测、相关状态指示灯输出以及绞车本体相应电磁阀组输出控制。驾驶室触摸屏选用西门子品牌的TP1200 Comfort型12英寸触摸屏。各个控制站点之间通过PROFINET网络通信。系统网络组态如图2所示。

图2 系统网络组态视图

1. 2 软件设计

软件设计主要包括控制程序设计和触摸屏程序设计。软件开发工具为西门子TIA Portal V13，该开发工具基于西门子丰富的产品系列和优化的自动化系统，遵循工业自动化领域的国际标准，着眼于满足先进自动化理念的需求[3]。

系统控制程序采用模块化编程的设计思想[4]，把程序按控制功能分成若干程序块，这样可以减少编程的工作量、增加程序的可读性和可维护性。控制程序主要包括主程序Main（OB1）、Time error interrupt（OB80）、Diagnostic error interrupt（OB82）、Programming error（OB121）、IO access error（OB122）、触摸屏数据处理（FC1）、拖缆机报警及指示灯（FC2）、拖缆机电机起停控制（FC3）、绳长和绳速计算（FC4）、工况模式选择（FC5）、拖缆机动作控制（FC6）、拉力计算处理（FC7）、电磁阀输出（FC8）、试灯报警消音控制块（FC9）、拖缆机电机起停控制块（FB1）、接近开关测速程序（FB2）、远程请求控制（FB3）、拉力计算（FB4）、Joystick_ctrl（FB5）等。

触摸屏程序也是用同款软件开发的，主要包括主界面、状态监测界面、设置界面、报警记录界面和运行记录界面。主界面显示拖曳绞车动作的动画效果和主要控制参数，比如控制位置、控制模式、系统压力、当前缆绳层数和圈数、放出绳长、剩余绳长、缆绳速度、缆绳拉力等。状态监测界面显示电机状态、控制器各数字量端口状态、模拟量端口AD值和实际值。设置界面主要用于设置卷筒参数并设置保护，可以在任何位置设置缆绳，程序可自动计算当前缆绳放缆长度和剩余缆长，如图3所示。报警记录界面主要记录报警数据，方便故障查询和故障处理。运行记录界面主要记录系统动作，方便查询动作记录。

图3 系统设置界面

2 系统关键技术研究

拖曳绞车控制系统的关键功能是控制卷筒的收放动作、计算钢丝绳绳长和绳速、控制恒张力，以及计算钢丝绳拉力。下面就其中几点关键技术作详细说明。

2.1 手柄斜坡控制

程序中设计了Joystick_ctrl手柄控制功能块，可以方便设置输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）和死区值（Blind）。程序根据收放缆动作条件判断手柄收放动作是否允许（Enable_Up、Enable_Down）。程序加入斜坡步进值控制，且斜坡步进值可以分段控制。手柄去程动作前半程的斜坡步进值较小，动作更平稳；手柄去程动作后半程的步进值较大，快速达到手柄输出值。同理，手柄回程前半程的步进值较大，手柄输出值快速减小；手柄回程后半程的步进值可适当减小，避免频繁操作引起的冲击。手柄控制功能块如图4所示。

图4 手柄控制功能块

2.2 绳长绳速计算

该650 kN液压拖曳绞车控制系统采用接近开关测量卷筒钢丝绳的绳长和绳速，每个卷筒使用两个接近开关。卷筒一侧装有检测盘，通过两个接近开关信号检测顺序判断卷筒旋转方向，完整检测一个脉冲信号的流程如图5所示。图5中：两个圆代表接近开关；空心圆代表没有检测信号；实心圆代表有检测信号；正向箭头代表检测流程脉冲数加1；逆向箭头代表检测流程脉冲数减1。这种检测方法可以有效避免接近开关在检测临界值（检测信号时有时无）时产生错误的脉冲信号，从而提高了检测精度。

图5 完整脉冲检测流程

假设卷筒检测盘上的挡块数量为NS，卷筒直径为D，卷筒每层缠绕钢丝绳圈数为m，钢丝绳直径为d，检测脉冲数为T，钢丝绳总长为L。

则当前层数取整为

当前圈数为

卷筒上满层钢丝绳长度为

卷筒上剩余钢丝绳长度为

放出绳长为

钢丝绳速度计算较为简单，通过单位时间内脉冲数的变化计算得出单位时间内绳长的变化。

2.3 恒张力自动保护

恒张力控制主要用于长距离拖航任务，拖曳绞车以一定的张力拖航，可以克服因被拖物的抖动或瞬间张力冲击而对拖船造成的影响[5]。打开恒张力旋钮开关，根据被拖物重量调整恒张力电位器。可以在触摸屏上设置恒张力过放绳长和恒张力过收绳长报警值。当卷筒钢丝绳放缆长度小于恒张力过收报警值时，系统自动报警，为了防止拖船和被拖物距离过近，系统自动减小恒张力比例值，此时系统处于慢慢放缆状态。当钢丝绳放缆长度达到设置的恒张力过放报警值和恒张力过收报警值的平均值时，恒张力比例值恢复到原来值。当卷筒钢丝绳放缆长度大于恒张力过放报警值时，系统自动报警，自动增加恒张力比例值。如果检测到钢丝绳拉力急剧增大，考虑到被拖物可能触礁或出现其他故障，恒张力比例值恢复到原来值，系统报警音频率提高，此时需要现场指挥人员根据现场情况判断作出进一步操作。

3 结论

该650 kN液压拖曳绞车控制系统能很好地满足拖曳绞车的动作要求，在不增加硬件成本的情况下，有效地解决了卷筒钢丝绳绳长和绳速不准确的问题。通过增加手柄分段斜坡控制，使控制动作更加平顺，并减小了对液压系统的冲击。触摸屏主界面能实时监控绞车状态，当系统发生故障时，主界面可以智能提示故障位置和故障原因，从而达到了智能化监控的目的。该拖曳绞车已交付使用，效果良好。

[1] 张超. 海洋拖曳绞车液压调速及张力波动抑制研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2011.

[2] 天津瑞驰船舶机械有限公司. 大型液压拖缆机PLC控制系统: CN202201135U[P]. 2012-04-25.

[3] 崔坚. SIMATIC S7-1500与TIA博途软件使用指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2016.

[4] 张博, 王志信. 模块化编程思想在PLC系统中应用[J]. 化工自动化及仪表, 2013(3): 416-418.

[5] 周海波. 基于恒张力特性的远洋拖曳绞车液压系统设计与调速分析[D]. 江苏镇江: 江苏科技大学,2015.