绞吸式挖泥船三缆定位控制系统设计

张红升，缪袁泉，闻 峣，黎富强

● （中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

绞吸式挖泥船三缆定位控制系统设计

张红升，缪袁泉，闻 峣，黎富强

● （中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

传统绞吸式挖泥船多采用钢桩系统移船定位，此方法简单方便，但只适用于浅水和小风浪区域。在深水和大风浪环境下多采用三缆定位模式进行移船定位。本文将根据三缆定位的控制要求设计一套绞吸式挖泥船三缆定位控制系统。

绞吸挖泥船；三缆定位；控制系统

0 引言

绞吸式挖泥船移船定位通常采用“钢桩台车”和“三缆定位”两种模式。“钢桩台车”模式通过台车、固定在台车上的主钢桩和固定在船体的辅钢桩组合移动实现船体的前进和后退。此模式受到钢桩长度和刚性的限制一般只适用于水深小于30m、浪高小于1.5m的区域施工。“三缆定位”模式抛弃原来钢桩台车结构，通过控制船艉的三台绞车进行移船定位。因为采用锚和钢缆结构，所以此模式可以在大挖深和大风浪区域施工。

1 三缆定位系统工作原理

三缆定位系统的机械部分由：3台绞车、导缆树(俗称“圣诞树”)和3个海底锚组成。3台绞车在船艉甲板以圆弧状依次排开[1]。导缆树固定在船艉中心线位置，两端分别固定3个可以自由转动的定滑轮，用于引导3台绞车的钢缆。3个海底锚分别系在3台绞车的钢缆末端。三缆定位系统工作示意图如图1。

实际施工过程中将左右两个绞车的海底锚抛到船艏与船舷20°～30°夹角方向。中间绞车的海底锚抛到船艉与船中心线平行的方向。这样左右两个绞车收缆，中间绞车放缆可以向前移船。左右两个绞车放揽，中间绞车收揽可以向后移船。由3点稳定性原理可知通过3个海底锚可以将船艉牢牢固定在工作线上。

图1 三缆定位系统工作示意图

2 三缆定位控制系统设计

2.1 三缆定位控制原理

2.1.1 坐标系建立

系统坐标系建立如图2，规定船艉中心点导缆树位置为虚拟定位桩[2-4]。虚拟定位桩位置为三维坐标系原点，原点至船艏方向为x轴正方向，原点至左舷方向为y轴正方向，原点至船底方向为z轴正方向。

图2 坐标系示意图

2.1.2 控制原理[5]

在实际施工过程中，首先将三个锚抛入水中，并记下抛锚点的坐标。左舷锚(x1，y1，z1)、右舷锚(x2，y2，z2)、中间锚(x3，y3，z3)。根据建立的坐标系设定 GPS天线在船体的安装坐标(x9，y9，z9)。因为 GPS安装位置相对于虚拟定位桩固定不变，所以由GPS天线在船体的安装坐标(x9，y9，z9)可推算出虚拟定位桩的坐标(x，y，z)。由空间内两点之间的距离可计算出三个锚到导缆树的钢缆长度L1、L2和L3。如图3所示。

图3 抛锚示意图

当需要向前进刀时虚拟定位桩将向前移动长度 L，根据进刀前虚拟定位桩坐标 (x，y，z)可以计算出移动 L长度后虚拟定位桩的坐标(x’，y’，z’)。因为在不走锚的情况下三个锚的坐标是固定不变的，所以由空间内两点之间的距离可以计算出进刀长度 L后三个锚到导缆树的钢缆长度L1’、L2’和L3’。进刀工作示意图如图4。将计算的几个长度值代入公式（1）即可获得进刀前后钢缆长度变化量ΔL1、ΔL2和ΔL3。

式中：ΔL1、ΔL2和ΔL3为进刀后钢缆长度变化量。系统控制三台绞车使钢缆长度调整ΔL 1，ΔL 2和Δ L 3 的长度，虚拟定位桩移动到(x’，y’，z’ )完成进刀。退刀过程与进刀相同。

图4 进刀示意图

2.2 坐标获取方法

系统中需要获取锚位和船体坐标，本系统中我们选用Trimble SP351差分GPS，坐标精度可达10cm。系统共需2台GPS，1台安装在船体用于实时获取船体坐标和虚拟定位桩坐标，另外1台安装在抛锚艇上用于抛锚时将锚位发送给母船。因为锚艇与母船之间没有电缆连接，为了将锚位坐标发送到母船我们采用日精ND886A数传电台。数传电台由发送端和接收端组成，它可以将串口信号通过无线电台发送到接收端。

2.3 钢缆长度计算

绞车收放钢缆长度通过安装在绞车轴上的绝对值编码器获取。考虑到系统的稳定和维护方便我们采用ELCO PAM58系列Profibus Dp总线型绝对值编码器。编码器输出信号只是绞车的圈数和速度，通过圈数计算钢缆长度时需要考虑绞车卷筒的半径(r )、钢缆直径(d)、卷筒缠绕钢缆的层数(n)。绞车钢缆层数可由绞车排缆装置输出。将上述参数代入公式(2)即可获得绞车钢缆长度L。

式中：c为绞车圈数。

2.4 控制器、监视器选用

2.4.1 控制器

控制器选用西门子S7315-2DP PLC。此PLC的DP接口可直接和Profibus Dp编码器通讯。三台绞车控制和逻辑运算都在PLC内部完成。实际工程中PLC与编码器的组态图如图5所示。

图5 PLC组态图

2.4.2 监视器

监视器采用Vistal C++编写的上位机监视软件。软件可以采集GPS信号并计算坐标、提供控制系统参数设置入口、与控制器通讯、监视并诊断系统运行状况。

2.5 系统总体结构

根据前面章节论述，本次三缆定位控制系统的总体结构如图6。

图6 总体结构图

3 结论

介绍了绞吸式挖泥船三缆定位系统的工作原理及控制系统设计方法。该系统结构简单、稳定和控制精度高。本文介绍的控制方法在上海航道局3500m3绞吸挖泥船新海鲛轮上得到了很好应用。

[1]候晓明,王培胜等. 中交上海航道局有限公司.疏浚技术培训教材(下)[M]. 2006.

[2]陈广莲.确定锚泊设备的直接计算法[J]. 船舶设计通讯, 2004(1): 43-45.

[3]肖越,王言英.浮体锚泊系统计算分析[J]. 大连理工大学学报, 2005(9): 682-686.

[4]季永华.疏浚工程[M]. 大连:大连海事大学出版社,2000.

[5]柯军.绞吸式挖泥船三锚定位系统的设计[D]. 武汉:武汉理工大学, 2001.

现代重工获得4艘苏伊士型油轮订单

根据造船海洋日刊消息，韩国现代重工近日与希腊船东Arcadia Shipmanagement签署了4艘苏伊士型油轮新造合同。

根据H I S，相关船舶的长、型宽、深分别为274m、48m、23.1m，规模达158517DWT级，将在现代重工的群山造船厂及蔚山造船厂分别建造2艘船舶。

蔚山造船厂建造的2艘船舶安排在2016年6月及9月交付，群山造船厂建造的2艘在2016年10月及2017年2月交付。

4艘油轮都入美国船级，新造船价还不得而知。

Design of Christmas Tree Control System for Cutter Suction Dredger

ZHANG Hong-sheng, MIAO Yuan-quan, WEN Yao, LI Fu-Qiang
(CCCC NATIONAL ENGINEER RESEARCH CENTER OF DREDGING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT CO.,TD, Shanghai 201208, China)

Conventional cutter suction dredger usually uses the steel piles to shift and position. The method is simple an convenient, which is only applied in the area of shallow and small storms. In the environment of the deep water and large waves, th“Christmas Tree” system is usually used to shift and position. The paper based on the demand of “Christmas Tree” system designs“Christmas Tree” control system for cutter suction dredger.

cutter suction dredger; christmas tree; control system

U695

A

张红升（1983-），男，工程师。主要从事挖泥船自动化监控系统设计。