基于PLC的大型海工絞車纜繩狀態監控系統設計

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(1.海軍工程大學 a.振動噪聲研究所；b.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430033；2.武漢船舶職業技術學院，武漢 430050；3.湖北工業大學，武漢 430068)

基于PLC的大型海工絞車纜繩狀態監控系統設計

俞曉豐1,2，帥長庚1，王彥哲1，李毅2，許萬3

(1.海軍工程大學 a.振動噪聲研究所；b.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430033；2.武漢船舶職業技術學院，武漢 430050；3.湖北工業大學，武漢 430068)

依據行業要求及實際工況，基于鋼絲繩張力計算模型，通過PLC控制系統硬件設計和運動控制過程軟件設計，研制出一型大型海工絞車纜繩狀態監控系統。現場調試使用表明，系統滿足功能要求。

PLC；纜繩狀態；絞車控制

絞車服務于半潛式海洋平臺上，用于平臺起拋錨和移動。平臺配有2臺絞車，分別位于右舷艏部和左舷艉部，露天水平安裝在平臺甲板上。纜繩狀態監控系統在絞車纜繩收放過程中對纜繩的長度和張力進行實時監控。絞車纜繩張力測量主要有直接和間接測量方法。直接測量方法即在纜繩中串接張力傳感器，直接測量纜繩的張力，大型海工絞車實船試驗時常采用這種方法。實際應用過程中一般采用間接測量方法。間接測量方法即利用纜繩受力擠壓力學傳感器，間接測量纜繩的張力。典型應用如船舶系泊系統，使用銷軸傳感器對纜繩張力進行測量，并進一步對纜繩張力進行補償與控制[1]，這種方法測量精度較低。通過檢測絞車基座底部的壓力荷重傳感器的受力狀態，間接計算纜繩張力大小，提高測量精度。

已有學者根據籬笆式卷筒纏繞纜繩體積相等的原理，建立纜繩圈數和層數的數學模型[2]。但纜繩的數學模型相對復雜，使用PLC進行計算、控制、編程，需進一步工程化處理數學模型。實際計算精度也會受籬笆式卷筒尺寸、纜繩直徑和長度大小的影響。

有近似計算方法在計算滾筒的第n層纜繩中心與滾筒中心之間的距離時，忽略纜繩疊加過程空間減小的影響[3]，該方法雖具有一定的工程意義，但是影響了系統的測量精度。同時，絞車滾筒底部左側和右側各使用一套張力傳感器，數學計算過程優勢比較明顯，但是通用型傳感器難以采購。

為此，對上述測量模型進行優化改進，使用滾筒上的絕對值編碼器，記錄滾筒每層纜繩圈數；通過幾何運算，判斷纜繩受力點所處的層數；結合項目開發分工實際情況，對控制系統硬件進行安全設計，以消除2種系統在調試過程中，燒壞對方模塊的隱患。考慮到纜繩較長，根據不同監控精度要求，進行系統數據傳輸分辨率的切換設計；總結相關經驗，供類似大型絞車設計作參考。

1 總體結構及參數

圖1 傳動結構示意

如圖1所示，絞車由基架、滾筒、減速驅動系統、電機驅動系統、液(氣)壓系統、排纜器、導纜器等組成。鋼絲繩通過籬笆式滾筒纏繞，垂直導纜器、排纜器位于海洋平臺的甲板下方。系統傳動過程為：電機驅動多檔減速器，減速器按已設定的檔位，通過離合器及齒輪副驅動滾筒。減速器按2檔3速實現傳動。

絞車滾筒滿容量纏繞鋼絲繩時，最外層(第13層)拉力為1 800 kN。4個張力檢測用荷重傳感器安裝在絞車滾筒組件的軸承支座下方，分布位置如圖1中元件12，滾筒組件自重30 t，鋼絲繩垂直地面受力，額定載荷180 t，支持最大負載400 t。

絞車繩索直徑76.2 mm、長2 000 m；滾筒直徑1 250 mm、長2 000 mm；纜繩線質量為26.3 kg/m。

1.1 系統結構分析

絞車屬于垂直向下出繩式絞車。纜繩狀態監控系統中，機械部分主要包括滾筒和支架，滾筒2端安裝在支架上，滾筒2端底部分別壓裝有荷重傳感器。電控系統部分包括監控單元，滾筒轉軸上用于實時檢測滾筒行程的絕對值編碼器。該編碼器和壓力荷重傳感器分別與監控箱單元電氣連接。監控箱單元主要包括PLC和中間繼電器等。絞車結構見圖2。

圖2 絞車結構示意

1.2 設備監控功能要求及實現

絞車在減速箱2檔3速工況下，第1層及第13層鋼絲繩拉力與速度關系見表1。

表1 絲繩拉力與速度關系

系統主要監控功能實現方法如下：

1.2.1 纜繩長度和收放速度監測功能

絕對值編碼器數據傳送到PLC中，通過檢測卷筒轉過的圈數和方向，計算纜繩收放的長度，根據單位時間內收放纜繩的長度進一步計算纜繩收放的速度。

1.2.2 纜繩張力監測功能

系統通過檢測荷重傳感器，測量滾筒支座的壓力，結合纜繩放出的長度，間接計算纜繩張力。

1.2.3 報警輸出控制功能

系統根據在鋼絲繩長度剩余100 m處，張力達到額定負荷時，輸出報警信號。張力達到額定負荷110%時，輸出停機控制信號。

纜繩狀態監控系統帶有數字觸摸屏可以實時顯示纜繩張力和放出纜繩長度。同時輸出纜繩張力和長度2路模擬量電流信號給絞車主控PLC系統，在駕駛室控制臺的觸摸屏實時顯示。

2 絞車纜繩張力計算

結合上述結構示意圖2，參數定義如下：L為絞車纜繩總長度；n為纜繩層數；Ln為絞車滾筒第n層纏繞纜繩總長度；Lc為絞車放出纜繩的長度；Rg為纜繩測力點與滾筒中心之間的距離；Rf為荷重傳感器中心與滾筒中心之間的距離；B為滾筒寬度；D為滾筒直徑；d為纜繩直徑；F為纜繩張力；F1為滾筒左側壓力；F2為滾筒右側壓力。

1)纜繩長度關系。

L=Lg+Lc

(1)

2)纜繩滾筒上受力點層數判斷。

當0≤Lg

當L1≤Lg

當L1+L2≤Lg

以此類推，

當L1+L2+…+Ln-1≤Lg

3)根據圖2幾何關系可知：

(2)

由于D=1 250 mm，d=76.2 mm，故

663.1+132(n-1)

(3)

4)根據絞車力矩平衡，纜繩張力為

(4)

由此，總結設計張力計算流程見圖3。

圖3 張力計算流程

3 PLC控制系統設計

3.1 系統硬件設計

選用S7-224XP CN型PLC，PLC模塊集成模擬量輸入/輸出通道，具備Modbus總線接口，滿足系統總線控制特性。考慮到系統模擬量輸入/輸出通道數量較多，CPU模塊自帶14DI/10DO+2AI/1AO的I/O資源，擴展EM235模擬量模塊，增加4輸入/1輸出模擬量通道[4]，滿足系統模擬I/O接口要求。

絞車狀態監控系統，采用TP277型觸摸屏，進行本地人機交互。通過PPI總線與PLC系統連接，充分利用CPU自帶PPI接口現場調試和HMI接入的雙重功能。

考慮到現場調試進度和分工的特殊性，防止系統之間模塊接口的干擾和誤燒毀，纜繩狀態監控系統與絞車主控系統之間采取信號隔離措施。模擬量通道使用魏德米勒MCZ LP系列模擬量隔離模塊進行隔離，MCZ LP模塊屬無源信號隔離器，通過輸入回路供電，輸入和輸出回路電氣隔離。數字量信號使用繼電器進行電磁隔離。系統連接見圖4。其他技術要求如下。

1)監控裝置所需電源為DC24 V/2 A，由絞車主控PLC系統提供。

圖4 電氣系統連接示意

2)觸摸屏可以實時顯示纜繩張力和放出纜繩長度，并具備參數整定功能，操作者可使用量程整定功能，整定功能需要輸入密碼。有報警時，觸摸屏顯示報警，同時輸出無源報警信號供絞車PLC主控系統使用。

3)絕對值編碼器安裝在卷筒軸端，測量滾筒轉動狀態。自帶Modbus總線接口，并附帶護罩、緊固件、固定角鐵、聯軸器等附件。

4)荷重傳感器規格為100 t壓式傳感器，數量4件，0～10 V接口。

5)荷載當達到額定荷載時應發出報警信號，在本地和駕控室進行聲光報警。超過額定荷載10%時自動停機，并發出報警信號。

6)纜繩狀態監控系統與絞車主控系統之間通信，不同類型信號采用不同結構形式。

(1)模擬量信號傳遞形式。纜繩張力和長度2路模擬量信號輸出給絞車主控PLC系統，信號類型為4～20 mA電流信號。

(2)數字量信號傳遞形式。纜繩張力、長度超限報警輸出給絞車主控PLC系統，信號類型為無源觸點，觸點斷開為報警狀態(失效安全型)，觸點容量為250 V/2 A。

7)纜繩狀態監控箱選用不銹鋼材質，防護等級不低于IP66，安裝在絞車本體上。系統電纜舾裝應位于絞車結構本體內側。

3.2 系統程序設計

3.2.1 程序控制流程設計

PLC控制系統軟件控制主流程見圖5。編程過程注意以下幾方面。

1)纜繩長度小于100 m時，發出報警，不同絞車，可根據絞車滾筒尺寸及纜繩尺寸實際情況，進行適當調整。具體報警值參考行業要求[5]。

2)編程過程涉及大量模擬量數據計算，綜合程序后續的可升級維護性，模擬變量全部以雙字單位進行地址分配。

3)硬件模擬量隔離模塊，屬無源輸入側供電。因此，模擬量信號分辨率無論調整為何種范圍，輸出下限端數據非線性影響較大，檢測精度下降。

3.2.2 程序通信參數設置

PLC與編碼器進行Modbus通信編程，需在STEP7-Micro/WIN開發環境中安裝相應的通信庫文件，PLC側Modbus通信參數如圖6所示，圖中a)圖完成初始化Modbus主站通信參數功能，b)圖中，當I0.3正跳變時，執行MBUS_MSG指令，讀取從站2的地址10001～10008的數值。

圖5 軟件控制流程

圖6 modbus通信參數設置

4 結論

大型海工絞車纜繩張力、長度及速度狀態監測系統張力顯示與拉力計顯示數據偏差量，輕載時較大，額定負載時在5%以內。纜繩長度小于30 m時，鐵錨精確收回到平臺靴部放置區，系統停止驅動。現場調試及實際應用表明，系統滿足工程應用控制要求。絞車纜繩狀態監控系統設計和使用過程中還應注意以下幾方面。

1)可以嘗試使用無線通信技術，進一步降低絞車電氣舾裝設計及施工難度。

2)海水鹽霧腐蝕性較大，監控箱等裸露部分金屬，建議選用316不銹鋼材質。

3)監控系統隨海洋平臺在不同區域作業，受環境溫度等影響，存在模擬量漂移現象，應重視初始值的清零重設功能。

4)作為重工設備的監控系統，應對監測數據的真實性進行周期性的檢驗。

5)監控系統與絞車主控系統之間如使用總線通信，可進一步提高系統監控的準確和穩定性。

6)通過編碼器計算轉速時，M法適用于編碼器高轉速工況。滾筒低速時，類似M法，定時檢測繩長，求纜繩速度，結果滿足工程控制要求。

[1] JI Sang-Won, CHOI Myung-Soo, KIM Young-Bok. A study on position mooring system design for the vessel moored by mooring lines[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,20(6):2824-2831.

[2] 沈建新，張國昭.籬笆式卷筒的模型及控制方式[J].起重運輸機械,2014(7):93-95.

[3] 張勇勇.一種垂直向下出繩式絞車的纜繩張力測量方法及其裝置:中國，102706499A[P].2012-10-03.

[4] 李江全，劉榮，李華，等.西門子S7-200PLC數據通信及測控應用[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5] 中國國家標準化管理委員會.遠洋船用拖拽絞車：GB/T 11869—2007[S].北京：中國標準出版社,2008.

Design of Monitoring and Controlling System for Cable State of Large Marine Engineering Winch Based on PLC

YUXiao-feng1,2,SHUAIChang-geng1,WANGYan-zhe1,LIYi2,XUWan3

(1a. Institute of Noise and Vibration; 1b. National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China;3.Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

For detection of length and tension of wire rope of large marine winch, according to the industry requirements and actual operating conditions, a cable condition monitoring and controlling system for large marine winch was developed based on the calculation model of steel rope tension by PLC control system hardware design and motion control process software design. Practical application shows that the system meets the function requirements.

PLC; cable state; winch control

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0142-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.032

2017-02-08

2017-03-12

國家自然科學基金(51405144)；湖北省自然科學基金(2014CFB598)；院級科研項目(2016z06)

俞曉豐(1984—)，男，碩士，工程師，講師

研究方向：機電控制與自動化技術、振動檢測與控制