內張力控制在海洋科考牽引式絞車上的應用

曹 銘，段裘佳，吳金奎，何陽生，潘國新

（廣州鴻海海洋專用設備有限公司，廣東廣州 511493）

0 引言

目前海洋科考絞車分為直拉式和牽引式結構，這兩種絞車主要以是否配置牽引裝置來進行區(qū)分：直拉式絞車對使用環(huán)場合有一定的要求，受到海洋與船舶影響，終端狀況很容易直接反饋到直拉式絞車的滾筒上，會導致排纜張力的不斷變化，影響纜繩在滾筒上的排纜，容易發(fā)生意外情況；對于大深度、大負載的海洋科考情況，牽引式絞車在海洋科考市場應用較為廣泛，外界的影響通過牽引器進行物理隔離，保證滾筒和牽引器之間的張力處于設定值范圍內，纜繩能穩(wěn)定的纏繞在滾筒上。但是，牽引式絞車存在滾筒和牽引器兩個不同慣性單元，如何保證不同慣性單元的同步驅動是必須要解決的問題，不然會發(fā)生纜繩在滾筒與牽引器之間被拉斷，或者纜繩在牽引器兩個輪槽之間打滑。

1 海洋科考牽引式絞車布局介紹

牽引式絞車的整體結構如圖1所示，主要由五大部件組成：①由變頻電機驅動的滾筒是儲纜的主要部件，工作的纜繩都會儲存在該機構上；②由變頻電機驅動的排纜器是纜繩排纜的執(zhí)行部件，排纜器根據程序在滾筒左右移動，控制纜繩在滾筒上的排布；③松弛補償器是補償內張力的部件，保證滾筒和牽引器之間的張力在設定的范圍內；④由兩臺變頻電機驅動的牽引器提供設備收放的拉力和速度，決定著絞車的運動參數指標；⑤外部滑輪是提供纜繩走向的部件，改變纜的方向。

圖1 海洋科考牽引式絞車布局

由于儲纜電滾筒和牽引機構屬于兩個不同質量的設備，在啟動、停止和運行中，會經常發(fā)生速度不匹配的情況，進而導致儲纜電滾筒和牽引機構之間的纜繩會被拉斷，也可能導致纜繩無法按照恒定的張力排列在滾筒上。因此，牽引式絞車能否正常工作，如何防止儲纜電滾筒和牽引機構之間的纜繩速度適配性是需要解決的首要問題。為了匹配不同慣性量的速度，絞車有速度控制和張力控制兩種模式。對于儲纜電滾筒和牽引機構之間，速度控制以控制電機的轉速為目的，此時電機的力矩必須為保持該速度而調整，這種情況很容易讓兩個設備之間纜繩因為要匹配速度導致被拉斷。張力控制是指變頻器以控制電機的輸出力矩為目的，速度大小和外部負載有關，與轉矩無關。滾筒的電機與牽引器上的一個電機實現轉矩匹配，牽引器上另外一個電機和負載之間形成轉速控制。因此，在設計的新型牽引式絞車中，滾筒和牽引器之間會采用張力控制，并且在兩個設備之間加上緩沖設備，配置張力檢測元件，通過PLC邏輯運算保證兩者之間的張力恒定在某個區(qū)間，避免纜繩拉斷，保證在滾筒上排纜順暢。

2 絞車的內張力控制系統設計應用

張力控制系統，可分為直接張力控制和間接張力控制系統。直接張力控制系統需要配置張力傳感器，其輸出信號作為張力實際值反饋到張力調節(jié)器輸入端，再以張力調節(jié)器的輸出作為電機轉矩設定值，并通過閉環(huán)控制保持張力恒定。而間接張力控制系統不配置張力傳感器，根據系統設定的張力值計算電機轉矩給定值，通過轉矩來控制張力。間接張力控制方法屬于張力的開環(huán)控制，控制精度不高，對于動態(tài)干擾及調節(jié)能力都較差。因此新絞車的設計采用直接張力控制方式。

控制系統采用常規(guī)的PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分）控制，通過比例、積分和微分控制，該控制系統d參數可調，通過一定的線性組合，完成對系統的控制。其經驗公式為：

式中，e（t）為給定值與輸出值的偏差值，K為比例常數，T為時間常數。Kp的增大會加快系統的響應速度，但是可能會導致系統超調變大，出現振蕩；積分系數使系統消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，過大或過小都會影響到系統的穩(wěn)定時間；微分可以改善系統的動態(tài)性能，過大或者過小對系統的抗干擾性都有很大的影響。

當牽引器運行時，牽引電機速度不斷變化會導致滾筒和牽引器的之間張力也在不停變化。對于兩個不同慣性量的滾筒和牽引器，滾筒無法做到實時跟蹤調整，需要通過兩者之間的松弛補償器進行動態(tài)調整。

在控制界面上輸入壓力范圍值，絞車液壓系統的比例溢流閥不斷調整閥口開度，松弛補償器上的單作用液壓油缸不斷進行行程調節(jié)，實時匹配控制界面上設定的壓力值，將其兩者間的內張力穩(wěn)定在設定的范圍，達到纜繩在滾筒上順暢緊密的排列。同時，單作用液壓油缸的行程傳感器可以反饋給操作人員，使操作人員從控制界面上了解松弛補償器的位置信息。系統將排纜器上軸銷張力傳感器產生的張力信號與松弛補償器上的張力設定值進行比較運算，將運算的結果傳給PID控制器，通過PLC轉換的結果作為變頻器的給定輸入值來控制電機轉矩，從而使牽引絞車內張力得到控制，其邏輯框圖如圖2所示。

圖2 張力PID控制邏輯

3 總結

海洋科考牽引式絞車的速度與張力是兩大重要控制參數指標，其中以張力控制為最重要的核心控制元素。采用直接張力閉環(huán)控制方式和PID控制對滾筒與牽引器之間張力進行控制，并安裝松弛補償器進行動態(tài)調整，能夠很好地解決內張力穩(wěn)定的問題，也能讓纜能夠順暢緊密的排列在滾筒上。常規(guī)PID控制器雖然結構簡單，動態(tài)響應效果好，但是對于被控制參數變化較為敏感，只要系統參數發(fā)生變化，就需要重新整定參數，否則會影響控制效果。在新的控制系統中可采用模糊PID控制方式進行張力控制，在抗干擾和解耦方面比常規(guī)PID控制器效果好，具有較強的魯棒性（Robust）。本系統為今后新的設計提供了借鑒和指導作用，具有一定的參考價值。