一種工作艇收放裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

丁 平 石曉妹 李洪聰 劉 歡 朱德峰 陳黎明 李 兵

（1. 無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司 無錫214191；2. 徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司 徐州221000）

引 言

工作艇收放裝置是應(yīng)用于船舶上的特種起重機(jī)械，主要功能是在母船上降放和回收工作艇［1］。

常見的工作艇收放裝置結(jié)構(gòu)形式主要有單臂回轉(zhuǎn)型、折臂型和A字型，但對于控制系統(tǒng)基本大同小異。目前，工作艇收放裝置防擺罩的控制有主動式和被動式：主動式減擺控制屬于閉環(huán)控制，被動式減擺控制屬于開環(huán)控制?，F(xiàn)有絕大多數(shù)工作艇收放裝置防擺罩基本都是被動減擺控制，通過阻尼油缸來抑制防擺罩的擺動，這就要求阻尼油缸的阻尼系數(shù)要和系統(tǒng)很好匹配，阻尼過大或過小，都起不到有效的減擺效果［2］?，F(xiàn)有工作艇收放裝置都是通過螺旋限位器現(xiàn)場調(diào)整確定波浪補(bǔ)償高度，費(fèi)時費(fèi)力。因此，本文在詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時，提出防擺罩主動減擺技術(shù)，并采用編碼器代替螺旋限位器，簡便地確定波浪補(bǔ)償高度。同時，控制系統(tǒng)程序中增加手柄斜坡控制，提高了操作的微動性和平穩(wěn)性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以60 kN工作艇收放裝置為研究對象。60 kN工作艇收放裝置為A型架結(jié)構(gòu)，卷揚(yáng)安裝在臂架上，結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)有一臺75 kW電機(jī)泵組。液壓泵站和啟動箱安裝在艙室內(nèi)，控制箱、遙控操作盒和操作盒存放箱都安裝在工作艇收放裝置附近以便于操作。

電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。啟動箱通過泵站接線盒采集現(xiàn)場泵站信號以及控制電機(jī)啟停，電機(jī)除濕和油箱加熱等，并給控制箱提供電源。工作艇收放裝置的操作位置主要在遙控操作盒，也可以通過控制箱的遠(yuǎn)程操作切換旋鈕來選擇操作位置。控制箱是控制系統(tǒng)的核心，內(nèi)部有PLC控制模塊，通過閥組接線盒控制工作艇收放裝置的電磁閥，通過臂架接線盒采集各傳感器信號，包括防擺罩上的雙軸角度傳感器信號和卷揚(yáng)上的編碼器信號。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

60 kN工作艇收放裝置只有一個控制站點(diǎn)，即控制箱。控制器選用西門子CPU 1214C DC/DC/Rly型號，本體集成14點(diǎn)數(shù)字量輸入/10點(diǎn)數(shù)字量輸出，2路模擬量輸入，板載6路高速計(jì)數(shù)器。擴(kuò)展模塊主要有：DI 16/DQ 16×24VDC數(shù)字量輸入輸出模塊兩塊，DI 16×24VDC數(shù)字量輸入模塊一塊，用于接收和控制系統(tǒng)各數(shù)字信號，AI 4×13BIT模擬量輸入模塊一塊，AQ 4×14BIT模擬量輸出模塊一塊。用于采集手柄信號、防擺罩角度信號，控制變幅比例閥和收放比例閥以及減擺油缸的控制。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組態(tài)視圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

60 kN工作艇收放裝置的軟件設(shè)計(jì)只有控制程序設(shè)計(jì)。軟件開發(fā)工具為西門子TIA Portal V13。TIA博途基于西門子豐富的產(chǎn)品系列和優(yōu)化的自動化系統(tǒng)，遵循工業(yè)自動化領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)，著眼于滿足先進(jìn)自動化理念的所有需求［3］。

系統(tǒng)控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)［4］，程序邏輯條理清晰，把程序按控制功能分成若干程序塊，控制程序主要包括主程序Main（OB1）、Startup（OB100）、Cyclic interrupt（OB30）、電機(jī)控制（FC1）、報警及指示燈（FC2）、收放艇控制（FC3）、變幅控制（FC4）、電磁閥輸出控制（FC5）、TESTACK（FC6）、Joystick_ctrl_voltage（FB1）、Motor_Ctrl（FB2）等其他功能和功能塊以及數(shù)據(jù)塊DB。Startup功能塊主要設(shè)置了初始參數(shù)，防止系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)丟失；Cyclic interrupt塊主要是調(diào)用PID功能塊，控制防擺罩的兩支油缸動作，保持防擺罩動態(tài)平衡。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

工作艇收放裝置控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就是如何控制防擺罩的平衡和確定工作艇波浪補(bǔ)償高度，以及如何控制手柄，防止猛烈操作的瞬間沖擊。下面對這幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 防擺罩平衡控制

常規(guī)的工作艇收放裝置防擺罩基本上都是通過阻尼油缸來被動控制防擺罩平衡。60 kN工作艇收放裝置在防擺罩上安裝了雙軸角度傳感器，用于檢測防擺罩X軸和Y軸的角度；再通過PID控制算法，分別控制X軸方向和Y軸方向的油缸動作，從而保證防擺罩的動態(tài)平衡。PID控制算法公式如下：

式中：y為PID算法的輸出值；Kp為比例增益；s為拉普拉斯運(yùn)算符；b為比例作用權(quán)重；w為設(shè)定比較值；x為輸入過程值； Ti為積分作用時間；Td為微分作用時間；a為微分延遲系數(shù)；c為微分作用權(quán)重。

圖3 X軸向PID控制模塊

在控制程序中，Cyclic interrupt（OB30） 中 斷 塊 的循環(huán)調(diào)用PID功能塊，循環(huán)時間設(shè)置為100 ms，X軸向控制的油缸比例值和Y軸向控制的油缸比例值分別由不同的PID功能塊輸出控制。X軸方向的PID控制模塊如圖3所示，其中Setpoint為PID算法中的w，設(shè)置為0°，Input為PID算法中的x，為X軸方向角度值，Output_PER為PID算法中的y，控制X軸方向的油缸比例閥。

2.2 波浪補(bǔ)償高度計(jì)算

常規(guī)的工作艇收放裝置波浪補(bǔ)償高度都是通過螺旋限位器現(xiàn)場調(diào)整確定，需要拆開螺旋限位器，調(diào)整凸輪位置，費(fèi)時費(fèi)力。60 kN工作艇收放裝置通過在卷揚(yáng)上安裝編碼器，實(shí)時計(jì)算工作艇高度，通過在控制箱內(nèi)安裝波浪補(bǔ)償高度確認(rèn)按鈕以及高度顯示儀表，簡便確定現(xiàn)場波浪補(bǔ)償高度。圖4為卷揚(yáng)剖面示意圖［5］，圖5為工作艇收放裝置簡易模型圖。

圖4 卷揚(yáng)剖面示意圖

圖5 工作艇收放裝置簡易模型圖

由圖4、圖5可知，設(shè)工作艇收放裝置上卷揚(yáng)半徑為R，鋼絲繩半徑為r，卷揚(yáng)每層纏繞鋼絲繩圈數(shù)為m，編碼器分別率為1 024 ppr，編碼器的當(dāng)前總計(jì)數(shù)值為T，鋼絲繩總長為L，卷揚(yáng)至滑輪1的長度為L1，滑輪1至滑輪2的長度為L2，滑輪2至工作艇的高度為LH，卷揚(yáng)上纏繞鋼絲繩長度為LT，則當(dāng)前總?cè)?shù)M為T / 1 024。

當(dāng)前層數(shù)N為T / 1 024取整，即：

當(dāng)前層剩余圈數(shù)LS為：

則卷揚(yáng)上纏繞鋼絲繩長度LT為：

式中：N≥1，當(dāng)N = 0時，式（4）可簡化為：

則滑輪2至工作艇的高度LH為：

實(shí)際現(xiàn)場使用中，在舷外到位信號觸發(fā)情況下，工作艇降放至接近海面位置，按下波浪補(bǔ)償高度確認(rèn)按鈕，記錄當(dāng)前工作艇高度LH為現(xiàn)場波浪補(bǔ)償高度，顯示儀表顯示當(dāng)前波浪補(bǔ)償觸發(fā)高度。遇到不同船型，只需要按下波浪補(bǔ)償高度確認(rèn)按鈕重新確定即可，方便快捷。程序中設(shè)定［LH-1.5M，LH+1.8M］都是絞車波浪補(bǔ)償范圍，當(dāng)然這1.8 M和1.5 M也可以更改設(shè)定。

2.3 手柄斜坡控制

控制手柄增加斜坡控制，主要就是為防止猛烈操作時手柄輸出信號突然改變，導(dǎo)致手柄控制動作的突變，加入斜坡控制，使初始動作更平穩(wěn)，而且斜坡值還可以分段控制，在手柄的前半程，步進(jìn)值較??；在手柄的后半程，步進(jìn)值較大，以防止手柄操作出現(xiàn)明顯的遲鈍現(xiàn)象。手柄斜坡控制和手柄動作控制集成在一個功能塊中，如圖6所示。

圖6 手柄控制功能塊

3 結(jié) 語

60 kN工作艇收放裝置控制系統(tǒng)能較好滿足設(shè)備的動作要求：通過增加防擺罩主動減擺技術(shù)，能有效控制防擺罩的動態(tài)平衡，與以往阻尼油缸的被動控制相比，控制效果明顯改善；進(jìn)一步改進(jìn)了波浪補(bǔ)償高度調(diào)整方法，用編碼器代替螺旋限位器，只要按下波浪補(bǔ)償高度確認(rèn)按鈕，就能確定波浪補(bǔ)償高度條件，還能顯示當(dāng)前波浪補(bǔ)償高度，簡單方便；通過增加手柄斜坡控制，使控制動作更加平穩(wěn)，同時有效減小對液壓系統(tǒng)的沖擊，達(dá)到很好的控制效果。