一种工作艇收放装置控制系统设计及关键技术研究

丁 平 石晓妹 李洪聪 刘 欢 朱德峰 陈黎明 李 兵

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

引 言

工作艇收放装置是应用于船舶上的特种起重机械，主要功能是在母船上降放和回收工作艇［1］。

常见的工作艇收放装置结构形式主要有单臂回转型、折臂型和A字型，但对于控制系统基本大同小异。目前，工作艇收放装置防摆罩的控制有主动式和被动式：主动式减摆控制属于闭环控制，被动式减摆控制属于开环控制。现有绝大多数工作艇收放装置防摆罩基本都是被动减摆控制，通过阻尼油缸来抑制防摆罩的摆动，这就要求阻尼油缸的阻尼系数要和系统很好匹配，阻尼过大或过小，都起不到有效的减摆效果［2］。现有工作艇收放装置都是通过螺旋限位器现场调整确定波浪补偿高度，费时费力。因此，本文在详细介绍控制系统设计的同时，提出防摆罩主动减摆技术，并采用编码器代替螺旋限位器，简便地确定波浪补偿高度。同时，控制系统程序中增加手柄斜坡控制，提高了操作的微动性和平稳性。

1 系统总体设计

本文以60 kN工作艇收放装置为研究对象。60 kN工作艇收放装置为A型架结构，卷扬安装在臂架上，结构紧凑。系统有一台75 kW电机泵组。液压泵站和启动箱安装在舱室内，控制箱、遥控操作盒和操作盒存放箱都安装在工作艇收放装置附近以便于操作。

电气系统的结构框图如图1所示。启动箱通过泵站接线盒采集现场泵站信号以及控制电机启停，电机除湿和油箱加热等，并给控制箱提供电源。工作艇收放装置的操作位置主要在遥控操作盒，也可以通过控制箱的远程操作切换旋钮来选择操作位置。控制箱是控制系统的核心，内部有PLC控制模块，通过阀组接线盒控制工作艇收放装置的电磁阀，通过臂架接线盒采集各传感器信号，包括防摆罩上的双轴角度传感器信号和卷扬上的编码器信号。

1.1 硬件设计

图1 电气系统结构框图

60 kN工作艇收放装置只有一个控制站点，即控制箱。控制器选用西门子CPU 1214C DC/DC/Rly型号，本体集成14点数字量输入/10点数字量输出，2路模拟量输入，板载6路高速计数器。扩展模块主要有：DI 16/DQ 16×24VDC数字量输入输出模块两块，DI 16×24VDC数字量输入模块一块，用于接收和控制系统各数字信号，AI 4×13BIT模拟量输入模块一块，AQ 4×14BIT模拟量输出模块一块。用于采集手柄信号、防摆罩角度信号，控制变幅比例阀和收放比例阀以及减摆油缸的控制。系统硬件组态如图2所示。

图2 系统硬件组态视图

1.2 软件设计

60 kN工作艇收放装置的软件设计只有控制程序设计。软件开发工具为西门子TIA Portal V13。TIA博途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所有需求［3］。

系统控制程序采用模块化设计［4］，程序逻辑条理清晰，把程序按控制功能分成若干程序块，控制程序主要包括主程序Main（OB1）、Startup（OB100）、Cyclic interrupt（OB30）、电机控制（FC1）、报警及指示灯（FC2）、收放艇控制（FC3）、变幅控制（FC4）、电磁阀输出控制（FC5）、TESTACK（FC6）、Joystick_ctrl_voltage（FB1）、Motor_Ctrl（FB2）等其他功能和功能块以及数据块DB。Startup功能块主要设置了初始参数，防止系统参数数据丢失；Cyclic interrupt块主要是调用PID功能块，控制防摆罩的两支油缸动作，保持防摆罩动态平衡。

2 系统关键技术研究

工作艇收放装置控制系统的关键就是如何控制防摆罩的平衡和确定工作艇波浪补偿高度，以及如何控制手柄，防止猛烈操作的瞬间冲击。下面对这几点关键技术进行阐述。

2.1 防摆罩平衡控制

常规的工作艇收放装置防摆罩基本上都是通过阻尼油缸来被动控制防摆罩平衡。60 kN工作艇收放装置在防摆罩上安装了双轴角度传感器，用于检测防摆罩X轴和Y轴的角度；再通过PID控制算法，分别控制X轴方向和Y轴方向的油缸动作，从而保证防摆罩的动态平衡。PID控制算法公式如下：

式中：y为PID算法的输出值；Kp为比例增益；s为拉普拉斯运算符；b为比例作用权重；w为设定比较值；x为输入过程值； Ti为积分作用时间；Td为微分作用时间；a为微分延迟系数；c为微分作用权重。

图3 X轴向PID控制模块

在控制程序中，Cyclic interrupt（OB30） 中 断 块 的循环调用PID功能块，循环时间设置为100 ms，X轴向控制的油缸比例值和Y轴向控制的油缸比例值分别由不同的PID功能块输出控制。X轴方向的PID控制模块如图3所示，其中Setpoint为PID算法中的w，设置为0°，Input为PID算法中的x，为X轴方向角度值，Output_PER为PID算法中的y，控制X轴方向的油缸比例阀。

2.2 波浪补偿高度计算

常规的工作艇收放装置波浪补偿高度都是通过螺旋限位器现场调整确定，需要拆开螺旋限位器，调整凸轮位置，费时费力。60 kN工作艇收放装置通过在卷扬上安装编码器，实时计算工作艇高度，通过在控制箱内安装波浪补偿高度确认按钮以及高度显示仪表，简便确定现场波浪补偿高度。图4为卷扬剖面示意图［5］，图5为工作艇收放装置简易模型图。

图4 卷扬剖面示意图

图5 工作艇收放装置简易模型图

由图4、图5可知，设工作艇收放装置上卷扬半径为R，钢丝绳半径为r，卷扬每层缠绕钢丝绳圈数为m，编码器分别率为1 024 ppr，编码器的当前总计数值为T，钢丝绳总长为L，卷扬至滑轮1的长度为L1，滑轮1至滑轮2的长度为L2，滑轮2至工作艇的高度为LH，卷扬上缠绕钢丝绳长度为LT，则当前总圈数M为T / 1 024。

当前层数N为T / 1 024取整，即：

当前层剩余圈数LS为：

则卷扬上缠绕钢丝绳长度LT为：

式中：N≥1，当N = 0时，式（4）可简化为：

则滑轮2至工作艇的高度LH为：

实际现场使用中，在舷外到位信号触发情况下，工作艇降放至接近海面位置，按下波浪补偿高度确认按钮，记录当前工作艇高度LH为现场波浪补偿高度，显示仪表显示当前波浪补偿触发高度。遇到不同船型，只需要按下波浪补偿高度确认按钮重新确定即可，方便快捷。程序中设定［LH-1.5M，LH+1.8M］都是绞车波浪补偿范围，当然这1.8 M和1.5 M也可以更改设定。

2.3 手柄斜坡控制

控制手柄增加斜坡控制，主要就是为防止猛烈操作时手柄输出信号突然改变，导致手柄控制动作的突变，加入斜坡控制，使初始动作更平稳，而且斜坡值还可以分段控制，在手柄的前半程，步进值较小；在手柄的后半程，步进值较大，以防止手柄操作出现明显的迟钝现象。手柄斜坡控制和手柄动作控制集成在一个功能块中，如图6所示。

图6 手柄控制功能块

3 结 语

60 kN工作艇收放装置控制系统能较好满足设备的动作要求：通过增加防摆罩主动减摆技术，能有效控制防摆罩的动态平衡，与以往阻尼油缸的被动控制相比，控制效果明显改善；进一步改进了波浪补偿高度调整方法，用编码器代替螺旋限位器，只要按下波浪补偿高度确认按钮，就能确定波浪补偿高度条件，还能显示当前波浪补偿高度，简单方便；通过增加手柄斜坡控制，使控制动作更加平稳，同时有效减小对液压系统的冲击，达到很好的控制效果。