平臺小車的關鍵技術與應用

衡超，張錚

（中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063）

1 概述

平地造船，即圍繞船臺或船塢外的平地區域為中心，以船舶的分段/總段為單元，進行整體的建造和合龍工作，再通過專用移船工藝裝備，結合半潛駁船等其他下水設備完成下水工作。平地造船的優勢主要是：減少或不占用船臺或船塢資源，利用平地造船工藝裝備，結合整船、半船的平地，依靠移船工藝裝備的合理選用，形成一整套平地造船工藝技術，提高造船效率和資源利用率，從而達到擴大造船總量、縮短造船周期、降低造船成本的目的。而其中移船過駁是平地造船最為關鍵的工藝過程之一，于是移船工藝裝備——平臺小車應運而生。

2 平臺小車的國內外發展現狀

2.1 平臺小車國外發展現狀

TTS 液壓小車采用液壓墊技術，分為3 或4 個液壓承載區，區域內硬連接，實現“均載”功能，解決了過載沖擊問題，其主要用于一體化環段、船體組對以及定位。

IMG 液壓小車是帶有橫移功能的三維小車，集中動力，采用液壓墊技術解決過載沖擊的問題[1]。

2.2 平臺小車國內發展現狀

國內某船廠150t 液壓船臺小車，采用電驅動的方式，主要用于船臺和浮箱移船。

現階段自主研發的平臺小車系統為國內首創，具備自動均載調節功能的小車。該系統采用三維、二維小車聯合方式，由1 臺控制拖車控制所有小車。相對同類產品而言，該產品采用分布式動力單元，方便靈活，布局緊湊，單位承載能力強，系統采用純液壓驅動，有線通信和無線通信相結合，實現了多點負載精確控制。該系統主要可運用于完成整船從船臺到半潛駁的移船過駁作業以及各分段/總段的對接工作。

圍繞某船廠平臺線的平臺小車，該系統設計包括總體設計、液壓設計以及電控設計3 大部分，而對于整個系統而言，電控系統的設計在其中起到至關重要的作用。為滿足總體工藝功能的設計要求，電控系統的設計主要包括了PLC 控制系統、無線通信系統、上位機工控系統等輔助設備的設計。

3 平臺小車電控系統

3.1 PLC控制系統

PLC 控制系統主要應用于平臺小車系統的操作控制，其主要由PLC 控制系統主站和每臺小車上PLC 控制系統分站組成。主站PLC 與分站PLC 之間既可以通過有線連接的方式，亦可以通過無線連接的方式進行通信。其中，主站PLC 實現對以下內容的控制：

1）控制臺旋鈕及指示燈；

2）所有小車的組網；

3）作業時各小車的負載、行程、速度分配；

4）作業時目標體的姿態調整；

5）安全保護等。

從站PLC 則實現對每臺小車所帶的發動機的啟停、轉速和報警、每臺小車的柱塞泵和齒輪泵，液壓伺服閥的頂升速度與壓力，行走與橫移速度等的控制[2]。

主站PLC 與從站PLC 之間實現數據的交互，用于遠程集中控制。而帶有分站PLC 的平臺小車則可以作為獨立的系統，實現每臺小車自身的全部動作。

3.2 無線通信系統

平臺小車無線通信系統主要用于PLC 控制系統主站與控制分站之間的通信連接，采用WLAN的方式。平臺小車上配置2 根雙頻天線實現2 個方向的信號發射，考慮到分布在不同軌道上的小車信號的覆蓋，采用2 根雙頻天線以及1 根定向天線，從而保證信號的穩定性。基于船廠極其復雜的使用工況，無線通信系統主要應用于平臺小車在不帶載的情況下進行的集中操作，以及完成分段/總段對接作業時的集中操作。

3.3 上位機監控系統

上位機監控系統可以實時顯示和監控工作中的每組平臺小車的工作狀態、報警信息和故障信息，方便在移船過駁的過程當中觀察每臺小車的工作狀態，及時發現問題，其帶有記錄功能，能完整記錄整個過程數據，故障代碼也為后續的維修保養提供了一定的數據依據；通過上位機監控系統，可以輸入平臺小車的各個工作指令，對其進行控制，從而實現集中操作[3]。

4 作業中的關鍵技術

首先，根據目標船型、平臺線布置圖以及布墩圖將整船車組分別布置在4 條軌道上。車組與控制臺之間通過有線方式連接，實現集中操作。由于車組布置在整船底部，工況復雜，障礙物眾多，而無線信號的強弱主要受信號源的距離、障礙物引起的散射、平面反射等因素的影響，故無論是采用中繼模式還是定向模式，由于每臺小車布置位置的不同，容易導致有些區域小車無線信號的穩定性不強，繼而就會造成在移船的過程出現網絡斷開的情況，而當網絡斷開時間超過設定值,平臺小車將自動熄火停機。出于安全保護的設計，將會停止所有小車的動作，而這種不穩定性將會伴隨整個移船過駁的過程當中。另受潮位的影響，時間間隔越長，半潛駁的振幅越大，從而過駁時的難度也越大，故車組與主站PLC、工控機、管理型PN 交換機之間通過有線方式連接（見圖1），且交換機與每條軌道的小車采用星型連接，減少車組與車組之間的數據交互，確保網絡信號的穩定性。

圖1 車組與控制臺的連接示意圖

完成船底小車集中布置，整船車組進入同步頂升作業，達到目標位置之后，繼而保壓閥進行保壓。在頂升的過程中，每臺小車的壓力值將會由自身所帶壓力變送器傳輸給本地PLC，再由本地PLC 集中傳輸給主站PLC，從而可以計算出目標體的總重。

整船車組分別布置在4 條軌道上，假設以其中1 條軌道為縱向軸，以離操作臺最近小車的中心位置作為橫向軸的原點，其重心位置坐標為X，假設1#小車距離原點的距離為X1,載荷反饋值為P1，n#小車距離原點的距離為Xn,載荷反饋值為Pn，根據力矩平衡原理P1×（X1-X）+P1×（X1+2.4-X）+…+Pn×（Xn-X）+Pn×（Xn+2.4-X）=0，可以計算出每個區域的標定值，目標體分組在力矩平衡下，實現動態平衡，另需保證4 個區域內每臺小車實現均載但不超過自身所能承受的最大載荷。

帶載行走的過程中采用負載控制為主、行程控制為輔的方式，一旦有區域小車的載荷超出標定值上下的20%（僅試驗數據，可調）左右，頂升閥激活，調整超壓區域內的載荷值，其余區域的載荷值隨之改變，從而達到新的動態平衡。調節時間僅給出3s（僅試驗數據，可調），3s 之后頂升閥失效，如在3s 之內未調整到位，繼續激活頂升閥，直到每臺小車的載荷始終控制在標定值上下20%以內，從而實現作業過程中的自動均載調節功能。由于油缸行程的有限性，對其行程設有極限位移報警值，以免出現“超程”。考慮到運移過程中復雜的工況，負載控制偶爾會存在“超調”現象，導致目標體的姿態快速發生變化，系統另設有手動均載調節功能，合理地控制均載調節的時間，手動停止操作。基于平臺小車在過駁時存在不斷變化的高低差等不確定因素，自動調節極容易造成局部超壓的現象，故建議采用手動調節與自動調節相結合的方式，完成過駁作業。

5 結語

當前，我國造船面臨國內外雙重競爭的局面，考慮到平地造船有投入小、造船周期短等特點，船廠結合移船工藝裝備的特點和自身情況，可以合理利用船廠現有資源，及時改造和增加平地造船區域配套設施資源，隨著平臺小車系統成功完成了某船廠平臺線下水作業，給國內各船廠起到了很好的借鑒作用。當然，想要推進平地造船還有很多任務要做，未來的發展也需造船人一起努力。