絞車混合自動排纜控制設計

唐宗勇（中船重工第七一○研究所，湖北宜昌443003）

絞車混合自動排纜控制設計

唐宗勇
（中船重工第七一○研究所，湖北宜昌443003）

介紹在絞車上如何進行圓形纜和流線形纜的混合排纜。先介紹絞車的驅動方式、控制方案和使用的各傳感器的用途，著重于論述傳感器數據的判斷方法和約束條件，從而實現纜層控制和電纜排纜，獲得工況參數，并給出了基于處理器TMS320F2812的排纜控制和纜速纜長計算的具體方法。

絞車控制；混合排纜；軟件設計

0　引言

海上拖曳絞車是用于海洋科學活動中的特種甲板設備，為在海上復雜條件下對各種拖曳體的收放和使用提供了有力工具。本文介紹的海上拖曳絞車用于完成水下拖曳體的布放和回收，并通過調節放出拖纜的長度來調節拖曳體定深。

1　絞車控制需求

絞車卷繞的拖纜在靠近拖曳體端，安裝了200m用于改善拖纜流體動力特性的流線片，整條拖纜以截面來看就有圓形和尖錐形兩種，絞車要將這兩種外形和直徑均不同的拖纜卷繞在同一卷筒上。絞車卷筒和排纜器使用不同液壓電機驅動，排纜器滑動的位移要根據纜形自動調整，同時要保證排纜器每次滑動的位移與纜徑相適應，避免出現相鄰兩圈纜擠壓、疊纜造成損傷或者間距過大導致絞車容纜不足。

絞車卷筒外形如圖1所示。卷筒分為同軸但不同外徑的兩個部分，大直徑卷筒用于卷繞拖纜流線型部分，需單層卷繞，小直徑卷筒用于卷繞拖纜的圓形部分，可多層卷繞。

圖1　卷筒繞纜示意圖

系統拖曳作業為遠端遙控方式，絞車本地控制需要形成包含纜長、纜速、拖纜張力等的工況信息以便于遠端遙控使用。

2　控制方案設計

絞車控制的重點在于驅動絞車卷筒與驅動排纜器的兩個液壓電機運動匹配問題。絞車卷筒液壓電機連接一個雙向比例閥，實現不同速度的正反轉動，與卷筒同軸安裝一個增量式光電編碼器，用于測量絞車轉角和轉速。排纜器液壓電機連接2個開關閥，實現正反轉定速運動，使用一個拉線式位移傳感器測量排纜器的位移，這樣絞車卷筒轉角和排纜器位移構成一個閉環控制，使得排纜器位置與絞車繞纜相配合，原理如圖2所示。在排纜器滑軌上設置3個電感式接近開關，分別用于標識絞車卷筒的左右邊界和絞車卷筒大小直徑躍變點，另并聯使用2個電容式接近開關用于判斷纜形，此時將調整排纜器排纜間距，以適應絞車正在卷繞的纜形。拖纜張力通過與絞車卷筒同軸安裝的扭矩傳感器測得扭矩后折算獲得。

圖2　控制組成原理框圖

3　硬件設計

硬件設計控制器使用TMS320F2812，其具有豐富的外設資源用于連接外部設備。硬件連接示意如圖3所示[1]。通過McBSP接口連接D/A轉換器AD5476，使用AD5476的2個通道分別輸出控制信號到2個雙向比例閥，輸出信號的范圍、幅值和極性均可以編程配置使用。通過SPI接口連接A/D轉換器LTC1859，使用2個通道用于采集扭矩信號和排纜器位移信號。通過EV事件管理器的捕獲/比較接口與增量式編碼器連接，增量式編碼器輸出了正交編碼器信號同時被接到EVA事件管理器和EVB事件管理器。編碼器信號在處理前將被EV時間管理器4倍頻，以調高處理精度。EVA用于纜速測量，EVB用于絞車卷筒與排纜器之間的運動協調和纜長測量。GPIO接口連接外部接近開關信號輸入和輸出控制信號。

圖3　硬件連接框圖

4　軟件設計

本部分將選取纜層控制、排纜器運動控制進行介紹，描述控制方法和基于TMS320F2812控制器的軟件實現。

4.1纜層控制及纜長計算

流線形纜在大直徑卷筒上卷繞，因此排纜器為單次往復運動。圓形拖纜在小直徑卷筒上多層卷繞，相應排纜器就為多次往復運動。以上的運動測量和控制取決于對標識卷筒位置的3個接近開關，要依靠對3個接近開關狀態和觸發次數聯合判讀來確認當前排纜要執行的具體動作。

如圖4所示，將3個接近開關按安裝位置記為PROX1、PROX2和PROX3。下面以絞車放纜動作為例介紹計數和判讀過程。PROX1、PROX2和PROX3計數均初始化為0，當接近開關被觸發1次則計數器+1運算，計數時機不是在觸發接近開關時刻做+1運算，而要在觸發狀態下等待絞車轉1圈后，控制排纜器反向運動時刻再+1，這樣拖纜排放能夠緊致地靠近卷筒邊緣。

放纜位置起始于PROX3位置。當PROX1=0、PROX2=0、PROX3=1時，可知為1層且在大直徑卷筒左向放纜運動（a段）；當PROX1=0、PROX2=1、PROX3=1時，可知為1層且在小直徑卷筒左向放纜運動（b段）。當排纜器到達PROX1時，等待卷筒轉動1圈，排纜器右向放纜運動（c段）時刻，做PROX1+1運算，PROX1計數須受PROX2計數值的約束，即PROX1≤PROX2且PROX2–PROX1=0，否則忽略PROX1+1運算。當排纜器繼續運動到PROX2位置時，等待卷筒轉動1圈后，此時結合當前為放纜操作，且PROX1= 1、PROX2=1可知排纜器應轉換方向做左向放纜運動（d段），做PROX2+1運算，PROX2計數須受PROX1計數值的約束，即PROX2≥PROX1，且PROX2–PROX1=1，否則忽略PROX2+1運算。由于PROX1和PROX2在空間上是分開的，排纜器不能同時觸發，因此PROX1和PROX2計數可用來互為約束，這樣就可以排除掉由于系統具體操作需要，而使排纜器反復在某一處觸發接近開關帶來的計數干擾。收纜過程，則為放纜過程的逆過程，邏輯關系則變為-1運算，PROX1和PROX2的計數值仍具有作相應變化的相互約束關系。當PROX1=0、PROX2=0、PROX3=1時，收纜時經過PROX2排纜器不再反向運動，而是直接向PROX3運動，直至完成收纜操作。

圖4　纜層判斷約束示意圖

依靠PROX1、PROX2的當前計數值就可以得知當前在小直徑卷筒上共排了幾層圓形纜，同時也知道每層排了多少圈（含非整數圈），計算時只要第次減掉1個圓形拖纜直徑，就不難計算得到放出的總纜長。

4.2排纜控制和纜速測量

排纜控制和纜速測量是基于對編碼器輸出的正交編碼信號(QEP)的處理和使用。

4.2.1排纜控制

排纜控制主要通過絞車卷筒旋轉角度和排纜器移動距離的匹配來實現，使得卷筒大小直徑不同不至于影響排纜。把絞車卷筒旋轉角度作為主動方，排纜器每次移動相應距離去適應卷筒轉過的角度。絞車卷筒每轉過90°后，排纜器移動當前纜形直徑的1/4。排纜器的總位移通過拉線傳感器測得并作為反饋，把每次排纜器應移動的位移累加作為排纜器理想位置，把理想位置與測得的位置之間做差值運算，當差值大于閾值時，將此差值作為修正值附加到排纜器下次運動時完成，避免排纜器運動時可能積累的位置偏差。

排纜器移動啟動信號由EVB事件管理器的通用定時器GPT3的比較中斷T3CINT產生，在配置時鐘源時將TCLKS1=1、TCLKS2=1選為QEP信號，在中斷處理程序中置位排纜器啟動信號，并據轉向計算出下次比較目的值改寫寄存器T3CMPR。GPT3設置如下：

EvbRegs.T3CON.all =0x5878;//GPT3配置

EvbRegs.T3PR = 0xXXXX; //

計數周期

EvbRegs.T3CNT = 0xXXXX; //置位初始值

EvbRegs.T3CMPR = 0xXXXX; //比較值

4.2.2纜速測量

纜速由轉過EncPulse份卷筒周長和所用時間之比獲得。輸入的正交編碼脈沖在每個上升沿到來時刻把定時器當前值(T1CNT)保存在二級FIFO中。連續兩次讀取的FIFO值做差運算獲得用時多少個時間單位kt，而時間單位是時鐘分頻而來，為確定量[2]。

事件管理器EVA關鍵設置如下：

EvaRegs.T1CON.all = 0x574c；//時基設置

EvaRegs.CAPCONA.all = 0x2290；//捕獲設置

5　結論

本文所述絞車混合排纜控制方案和軟件編碼經調試后應用于工程項目。絞車控制經湖試、海試試驗，絞車排纜控制，拖纜長度計算和纜速測量運行良好，符合設計目的和工程要求。

［1］張勇，姚藝華，盧琴芬.基于TMS320F2812的永磁直線電機伺服控制研究［J］.機電工程，2014（1）: 76-80.

［2］蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320x281x DSP原理及C程序開發［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

(編輯：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，黑龍江人，碩士，工程師。研究領域：海洋工程。已發表論文4篇。