一種鎧裝纜絞車控制系統設計與研究

丁 平，石曉妹，李洪聰，蔣恒深，陳黎明

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一種鎧裝纜絞車控制系統設計與研究

丁 平1，石曉妹2，李洪聰1，蔣恒深1，陳黎明1

（1.無錫德林防務裝備股份有限公司，江蘇無錫 214191；2.徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇徐州 221000）

針對現有鎧裝纜絞車纜繩拉力容易受外界因素干擾，導致控制精度不高，尤其在拉力臨界值時，由于拉力的跳變導致張力保護模式和正常模式來回切換等問題。研究提出了鎧裝纜絞車控制系統工作流程的優化，對拉力信號進行四階濾波處理。詳細介紹了絞車控制系統的硬件設計、軟件設計和關鍵技術處理。同時對絞車系統進行智能化故障監控，達到智能故障診斷的目的。

鎧裝纜絞車 四階濾波 張力保護 智能化

0 引言

隨著潛艇數量的不斷增加，潛艇在巡航過程中出現事故情況也會隨之增加，這時就需要潛艇救生裝置。機動型救生鐘是我國潛艇救援的重要專用設備，我國現役潛艇上都設有救生鐘專用對接平臺[1]。而鎧裝纜絞車就是專門為機動型救生鐘而設計的新型特種絞車。鎧裝纜絞車安裝于機動鐘工作母船的甲板上，鎧裝纜存貯于甲板鎧裝纜絞車的卷筒上，當機動鐘布放時，在空氣中機動鐘本體的重量由另一鋼纜承載，一旦救生鐘進入水中，通過嚙合器把起吊鋼纜轉換為鎧裝纜來承載在水中的救生鐘重量。

鎧裝纜絞車除了用于救生鐘入水后的收放工作，同時也是鎧裝纜輸送動力和傳送信號的中轉站[2-4]，機動鐘的水下工作狀態，動作和水下采集數據均可通過鎧裝電纜和絞車將信號傳送到中央控制室進行監控。

1 系統總體設計

本文以70 kN鎧裝纜絞車為研究對象，系統有兩臺22 kW電機泵組，互為備用。電機啟動箱安裝在液壓泵站上，由于機動要求，泵站也是安裝于甲板上，所以要求啟動箱防護等級較高，能夠達到IP56。啟動箱主要采集現場泵站信號，以及控制電機啟停，電機除濕和油箱加熱等，不具有操作絞車動作功能。

鎧裝纜絞車操作功能在機旁操作臺以及機旁遙控盒。機旁操作臺固定在絞車本體上，操作臺上有觸摸屏，相應工況模式選擇開關，報警指示燈以及操作手柄。機旁遙控盒有操作手柄，啟停按鈕以及顯示儀表等。電氣系統結構框圖如圖1所示。

圖1 電氣系統結構框圖

1.1 硬件設計

鎧裝纜絞車電氣系統控制主站設在機旁操作臺，控制器選用西門子CPU 1215C，他有兩個RJ45網口，一個用于和啟動箱分站通訊，一個用于和觸摸屏通訊，用CPU本體自帶的高速計數器接口連接編碼器，用于測定卷筒轉速和纜長計算。擴展模塊包括：DI 8x24 VDC/DQ 8xRelay輸入輸出模塊一塊；AI 4x13BIT/AQ 2x14BIT模擬量輸入輸出模塊一塊，用于采集機旁操作臺和遙控盒操作手柄信號、絞車測力銷軸傳感器信號，以及輸出控制收放纜比例閥和遙控盒顯示儀表；CM 1241通訊模塊一塊，用于和中央集控室RS485通訊。如圖2所示。

圖2 機旁操作臺硬件組態圖

啟動箱用ET200sp遠程I/O分站，接口模塊選用IM 155-6 PN ST，擴展模塊包括：DI 8x24VDC ST數字量輸入模塊一塊；DQ 8x24VDC/0.5A ST數字量輸出模塊一塊；AI 2xU/I 2-,4-wire HF模擬量輸入模塊一塊，用于采集現場泵組壓力信號。

機旁操作臺主站和啟動箱分站以及觸摸屏之間通過PROFINET網絡通訊，啟動箱遠程I/O站點采集的數據通過PROFINET網絡傳輸給CPU，CPU經過邏輯運算處理再輸出給各執行器件。系統網絡組態如圖3所示。

圖3 系統網絡組態圖

1.2 軟件設計

軟件設計主要包括控制程序設計和觸摸屏程序設計。軟件開發工具為西門子TIA Portal V13。TIA博途組態設計框架將全部自動化組態設計系統完美地組合在一個單一的開發環境之中[5]，編程高效，移植方便。控制程序設計采用模塊化編程的設計思想，把程序分成若干程序塊，這樣可以減少編程的工作量，增加程序的可讀性和維護性。控制程序主要包括主程序Main（OB1），Startup（OB100），Cyclic interrupt（OB30），報警與指示燈功能（FC1），電機控制功能（FC2），絞車動作控制（FC3），閥組邏輯控制（FC4）以及其他功能塊FB和數據塊DB。

報警與指示燈功能FC1中，采用模塊化報警程序，相當于庫函數，每種報警只需要改變功能塊輸入的報警變量以及輸出的報警指示燈即可，簡單方便。電機控制功能FC2也是使用的模塊化編程，開發好標準的電機星-三角啟動功能塊。電機啟動時，運行指示燈閃爍，電機正常運行后運行指示燈常亮，電機沒有正常啟動會報警提示，還可以設置電機的啟動間隔時間，以保護電機。絞車動作控制FC3是控制程序核心，包括常規動作控制，手柄控制，以及針對鎧裝纜絞車專門開發的拉力濾波程序和拉力臨界值區間控制程序。

觸摸屏程序主要包括主界面，狀態界面、設置界面和報警記錄界面。主界面顯示絞車動作的動畫狀態和主要控制參數，比如系統壓力，纜繩張力，纜繩放出長度，收放纜速度等。狀態界面包括控制器各數字量端口狀態和模擬量端口AD值和實際值。設置界面主要是拉力報警值設置和纜繩位置設置，可以在任何位置設置纜繩，程序會自動計算當前纜繩放纜長度和剩余纜長。報警記錄界面主要記錄報警數據，方便故障查詢和故障處理。

2 系統關鍵技術研究

鎧裝纜絞車控制主要就是如何控制好卷筒收放動作以及相應動作保護，使控制動作更加精確和平順。

2.1 拉力信號四階濾波

通過測力銷軸采集的拉力信號由于容易受安裝位置和現場環境因素等影響，設計了四階濾波函數。四階濾波也是一種線性濾波，即在單位采樣時間內，把鄰域四個采樣信號取平均，用平均值來代替某一采樣信號，可有效抑制信號干擾，增強拉力控制的準確性。

2.2 拉力臨界值區間控制

在收攬過程中，當纜繩張力大于70 kN時，提示聲光報警，并自動切換到放纜；當纜繩張力小于等于70kN時，報警解除，恢復到原收攬狀態。在放纜過程中，當纜繩張力大于20 kN時，提示聲光報警，并全速放纜；當纜繩張力小于等于20 kN時，恢復到原來放纜速度。控制的臨界值是一個控制點，實際使用中會出現拉力值剛好出現在這控制點上下范圍內波動，導致收放動作或放纜速度頻繁切換，影響液壓閥件使用壽命。該控制系統控制精度要求為±2kN，程序中做臨界值區間控制，當張力大于規定張力時。觸發報警和相應動作，張力小于誤差下限值時才解除報警，恢復原動作。區間控制功能模塊如圖4所示。

圖4 區間控制功能模塊圖

3 結束語

鎧裝纜絞車控制系統能很好地滿足鎧裝纜絞車控制動作要求，同時，觸摸屏界面生動的動畫效果和動態參數能實時監控絞車狀態，當有故障或報警時，系統能及時發出報警提示，并能顯示故障或報警源。通過對拉力信號四階濾波處理，控制精度更加精準。拉力臨界值區間控制，可有效避免拉力在臨界點跳變導致的動作切換問題。該系統在實際海試過程中，效果良好。

[1] 趙俊海，劉濤，崔維成. 新型機動型救生鐘鎧裝纜絞車的研制[J]. 中國造船, 2012, (4):118-127.

[2] 鄧智勇，曾釹釙，張浩立.一種新型張力保護自動收放臍帶纜絞車裝置[J].海洋工程，2010, (8):107-111.

[3] 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.

[4] 王海波, 王慶豐. 水下拖曳升沉補償系統設計及其內模魯棒控制[J].機械工程學報，2010,(4):128-132.

[5] 崔堅. SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南 [M]. 北京: 機械工業出版社, 2016.

Design and Research of Control System for Armoured Cable Winch

Ding Ping1, Shi Xiaomei2, Li Hongcong1, Jiang Hengshen1, Chen Liming1

( 1. WuxiDelin Marine And Ocean Technology（Group）CO.,LTD , Wuxi 214191, Jiangsu,China; 2.XuzhouXugongExcavator Machinery Co.,LTD,J Xuzhou 221000, Jiangsu, China)

U665

A

1003-4862（2018）07-0051-03

2018-03-23

丁平（1984-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶特種設備自動化與控制。