基于PLC的深海ROV光電復合纜絞車控制系統設計研究

蔣恒深 吳朋朋 朱小東

（無錫德林防務裝備股份有限公司 無錫214000）

引 言

深海超長距離光電復合纜收放是帶纜深潛遙控無人潛水器（ROV）的一項關鍵技術。數千米乃至上萬米的光電復合纜造價很高，而且ROV的收放、供電和通信都依靠光電復合纜承載［1］，絞車隨時要進行光電復合纜的收放。因此，既要保證ROV不會因收放系統拖拉而影響作業，也不能使放出的纜過于松弛而與ROV或水中雜物纏繞，導致昂貴的光電復合纜發生損傷。本文給出了一種采用西門子PLC和S120變頻器控制的光電復合纜絞車控制系統方案，該絞車具有收放、儲纜張力可控和自動排纜功能，可以滿足萬米級收放作業要求。

1 光電復合纜絞車的組成及工作原理

1.1 光電復合纜絞車組成

本文設計的萬米級光電復合纜絞車主要由以下4大部分組成：控制及變頻驅動系統、牽引絞車、儲纜絞車、排纜裝置，其中的牽引絞車采用雙牽引摩擦輪同步同向轉動方式。［2］

1.2 工作原理

根據ROV等水下設備的作業深度，光電復合纜短則幾百米，長則上千米。為保證復合纜中的通訊電纜與光纖不被折彎或拉斷，所有未放出的復合纜必須整齊排列在一個專用儲纜絞車上（見圖1） 。

圖1 光電復合纜絞車工作原理

為實現大牽引力載體收放起吊，如果采用常用的單滾筒絞車（牽引和纏繞用同一滾筒），當纜處于最大張力狀態時，纏繞于滾筒的幾層內部纜較松，而最外層纜很緊，勢必將纜勒入內層，使昂貴的纜擠壓受損［3］，因此需要單獨的牽引絞車。

該絞車由結構相同、前后排列的2個摩擦絞盤組成。主驅動輪為摩擦輪l，從驅動輪為摩擦輪2，每個摩擦輪絞盤有多個環形纜槽（如圖2所示）。排纜裝置用于將纜整齊排放于儲纜卷筒上，限位開關用于排纜裝置限位，ROV的動力電信號和通訊光信號最后均通過儲纜卷筒一端的光電滑環連接到信號接收和處理設備上。

圖2 牽引絞車工作原理

2 控制及變頻驅動系統設計

本文設計的深海ROV光電復合纜絞車控制系統采用西門子最新1 500系列PLC，該PLC具有4級保護、集成工藝、運動控制、閉環控制等功能。位指令計算時間為ns級別，并帶有2個PROFINET接口。變頻器采用西門子模塊化的高性能S120系列，其控制及驅動原理如下頁圖3所示。

圖3 控制及驅動原理框圖

用戶通過本地或者遠程控制臺發送操作指令到PLC，PLC識別用戶輸入并通過PROFINET總線發送啟停、速度及力矩控制指令到變頻器的控制單元CU320，最后通過變頻器的驅動單元完成對各電機的速度及力矩的控制。觸摸屏用于人機交互。

CU320-1設置為矢量控制模式，E1、E2為增量型編碼器，并配置電機模塊MM1和MM2為帶編碼器的閉環速度控制模式。摩擦輪1和摩擦輪2之間是非剛性連接，因此同步控制采用速度偏差與轉矩限幅方式，見圖4。

圖4 牽引絞車摩擦輪同步控制

儲纜絞車設置為力矩模式，始終保持在收纜狀態。當下放ROV設備時，牽引絞車的力大于儲纜絞車的力，儲纜絞車被牽引絞車拉出放纜；當回收設備時，儲纜絞車處于力矩模式會自動收纜，其中E3編碼器為絕對值編碼器，用于記錄纜繩在卷筒上的位置，防止掉電丟失。

為保證排纜裝置快速響應、定位準確，本文采用帶編碼器的伺服電機，并采用位置伺服控制的方式。其中E4編碼器為絕對值編碼器，用于記錄排纜裝置在絲杠上的位置，防止掉電丟失。

3 張力計算與控制

3.1 牽引張力計算

牽引絞車通過光電復合纜下放和回收深潛ROV設備，牽引張力用過變頻器控制電機扭矩大小決定，通過變頻器限制電機的最大輸出扭矩，即可控制復合纜的最大牽引張力式中：為電機的最大扭矩，N·m；i為牽引絞車減速機傳動比；d為驅動輪的直徑，m。

3.2 儲纜張力計算

在ROV的收放過程中，牽引絞車摩擦輪提供系統的提升力。牽引絞車與復合纜可看作一種特殊的帶傳動［4］，為保證纜在牽引絞車上不打滑，儲存絞車必須保持一定的最小張力才能使牽引絞車產生足夠的提升力，根據歐拉公式：將牽引絞車上的纜繩逐層展開，如圖5所示。，依次類推，可推出最小張力，見式（2）。

圖5 儲纜張力計算

式中：F1為牽引收放負載力，為儲纜絞車最小張力，N；α為纜在絞車絞盤上的包角，此處為纜與卷筒槽的摩擦系數，根據摩擦材料確定；n為摩擦輪提供摩擦力的環形纜槽數。

儲纜絞車用于存儲未放出的復合纜。因為本文使用的是LEBUS公司的儲纜卷筒皮，根據官方手冊，排纜張力應大于纜破斷張力的2%，因此綜合上述要求，儲纜張力Fs應滿足式（3）。

3.3 張力控制與限幅

牽引絞車和儲纜絞車電機的輸出扭矩可以通過S120變頻器的力矩設置選項頁進行設定，PLC也可以通過控制報文實時改變當前電機的輸出扭矩，根據式（1）、式（3）可推出當前復合纜受到的牽引張力和儲纜張力。張力控制方面，如下頁圖6所示。PLC通過變頻器的控制單元獲取當前電機的反饋輸出轉矩，當反饋轉矩大于設定轉矩時，PLC控制變頻器驅動模塊從速度模式切換到轉矩模式，防止力矩超限，當檢測到反饋轉矩小于設定轉矩時，控制驅動模塊由轉矩模式切換至速度模式防止電機飛車。

4 自動排纜控制

本文儲纜卷筒采用LEBUS卷筒皮，每層纏繞纜的圈數相同，通過獲取儲纜卷筒絕對值編碼器當前值，即可計算出當前纜在卷筒上的實際位置w，如式（4）、式（5）所示。

圖6 力矩設定與控制

式中：nt為儲纜絞車電機編碼器總脈沖數；np電機每轉編碼器的脈沖數；i為減速機傳動比；ns為卷筒繩槽個數；L為卷筒開檔寬度，mm；int為取整運算；當為偶數時，取值式（4），否則取式（5）。

通過排纜裝置電機上安裝的編碼器和排纜裝置絲杠的導程，可獲得排纜裝置當前的實際位置x，見式（6）。

式中：nt為排纜裝置電機編碼器總脈沖數；np電機每轉編碼器的脈沖數；i為減速機傳動比；ns為卷筒繩槽個數；Δd為絲杠導程，mm。

將以上獲取的纜在卷筒上的實際位置w和排纜裝置的當前實際位置x輸入PID控制器，通過調整相應PID參數，可獲取比較滿意的控制精度。但是傳統PI控制器由于積分飽和原因無法使系統在實現響應快速性的同時滿足小超調甚至無超調，因此本文采用一種具有抗積分飽和功能［5］，且能夠對比例作用和微分作用進行加權的 PID控制算法對排纜裝置的位置進行控制，見式（7），實際儲纜和排纜入繩角可以控制在±1.5°以內，滿足排纜要求。

式中：y為PID算法的控制值，mm；Kp為比例增益；s為拉普拉斯運算符；b為比例作用權重；c為微分作用權重；w為設定值（纜在儲纜卷筒上的位置），mm；x為過程值（排纜裝置在絲杠上的位置），mm；Ti為積分作用時間；Td為微分作用時間。

5 試驗結果

2016年12月在南海進行了樣機的功能試驗和性能試驗。排纜緊密整齊，萬米纜排列未出現亂繩狀況，控制算法經驗證成功。排纜效果見下頁圖7。

本次試驗使用的拖體重1.5 t，當下放至深度2 651 m時，總的牽引張力約33.6 kN，儲纜張力約11.3 kN（連同纜重）。如圖8所示，牽引張力隨船體縱搖（5級海況下）產生約20%的上下波動，儲纜張力由PLC控制始終保持恒定張力，張力計算和控制方法能滿足實際使用要求。

圖7 排纜效果

圖8 張力控制驗證

6 結 論

通過PLC控制的深海ROV光電復合纜絞車控制系統，可在S120變頻器的驅動下實現牽引絞車雙摩擦輪同步和負荷分配，儲纜絞車恒張力排纜以及自動排纜裝置的聯合控制。通過系統觸摸屏，可方便設定當前牽引絞車的收放張力、儲纜張力和收放速度，有效保護深潛ROV設備的光電復合纜。采用該系統已成功研制的樣機，對其他有纜遙控設備的收放設計具有一定指導意義。

［參考文獻］

［1］盛堰，譚鷹， 陳宗恒，等. ROV在我國海洋區域地質調查中的應用［J］.海洋地質前沿，2013（11）：67-71.

［2］陳育喜， 張竺英， 深海ROV臍帶纜絞車設計研究［J］.機械設計與制造， 2010（4）：39-41.

［3］康守權， 張奇峰. 遙控水下機器人臍帶纜收放絞車設計及牽引力分析［J］. 海洋工程， 2010（1）：117-120.

［4］梁利華， 孔繁增. 電動光電復合纜絞車控制系統設計［J］. 船舶工程， 2016（10）：41-45.

［5］周華偉， 溫旭輝， 趙峰，等. 一種具有預測功能的抗積分飽和PI速度控制器［J］.電機與控制學報， 2012（3）：15-21.