作动筒试验电气控制系统设计与实现

叶 嘉

（海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031）

作动筒试验电气控制系统设计与实现

叶 嘉

（海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031）

作动筒作为海上航行横向补给系统中的关键设备，直接影响着补给任务的成败。对此，文中建立了作动筒试验测试与监控系统，实现对作动筒运行的测试和监控，有助于深入了解其性能参数和运行特性。

作动筒；数据采集；试验监控；数据显示

0 引言

海上补给利用各种补给设备在海上对船舶实施物资补充的海上航行作业活动[1,2]。海上航行补给时，同向航行的补给船和接收船存在相互运动（如横摇、升沉、偏航等因素）[3]，两船高架索道挂接点的距离也会随着船舶的运动不断发生改变，若两船分离，则索道张力会增加；若两船靠拢，则索道张力会减少。为了避免两船分离过大时索道拉断或在两船靠近时货物、软管落入水中，高架索随船舶运动做出收放动作，补偿船距变化，保持索道张力的恒定不变，确保货物的安全传送。

因此，保持高架索道张力稳定是实施海上航行横向补给的关键，根据前期论证的成果，高架索张力的补偿采用作动筒和高架索绞车两级联合补偿方案。

作动筒作为补给系统的补偿器，是一个高压气缸，顶部和底部装有滑轮组，用于储存一定长度的钢索。当两船分离时，钢索张力增加，活塞杆在张力的作用下往气缸内缩进，钢索放出；当两船靠近时，钢索张力减少，活塞杆在气压的作用下往外伸出，收进钢索。从而补偿船舶运动，使高架索张力在一定范围内变化。

作动筒通过动定滑轮组储存的钢索足以自动补偿船舶间相互运动引起的高频、低幅值的船距变化。但由于气缸的直线运动是有行程限制的，如果船舶相对运动过大时，有可能超出活塞杆运动极限，因此需要高架索绞车参与收放钢索、联合补偿。作动筒配有位移测量系统，控制系统监测、传送活塞杆的动态位置信号，电气控制系统决定作动筒系统的开启和停止。

作动筒试验电气控制系统主要监测其运行状态和数据，提供可靠实验分析数据和曲线，为深入分析补给设备、完善设计提供有力的数据支持。

1 作动筒试验系统

作动筒试验系统，由作动筒、绞车、液压机组、电控系统和冷却水系统组成，用于验证作动筒的可靠性，如图1所示。

图1 作动筒试验系统结构图

作动筒的电气控制系统，满足试验过程中作动筒的运行及人员操作的要求，保证试验中设备的可靠供电，安全运行，方便操作及试验过程数据的显示和记录。主要包括以下三个部分：

1）配电系统：用于对整个作动筒可靠性试验的工艺设备、控制系统供电及电气保护；

2）控制系统：用于试验设备的运行监视、操作控制和试验记录；

3）大屏显示系统：用于试验系统运行参数和曲线的现场展示。

2 作动筒试验配电系统

配电系统包括电机启动柜一台，用于两台 110kW主泵电机和一台5.5kW辅泵电机的供电，并为PLC柜供电。MCC柜提供三台电机的启/停按钮及状态指示灯和两台主泵电机的电流指示。两台主泵电机的启动过程采用星/三角转换方式，辅泵的启动采用直启方式，所有电机设计有热继保护功能。

表1 陪试设备规格

3 作动筒试验控制系统

作动筒控制系统数据采集、逻辑控制、信息显示和数据记录。基于西门子S7-300系列PLC开发，采用CPU和ET200扩展模块构建整个控制系统，提供数字量输入/输出、模拟量输入/输出、编码器输入功能，模块之间采用ProfibusDP总线连接[4,5]。

操作台为试验运行过程中人员操作和数据监视的平台。

1）控制系统架构。控制系统采用主站和DP从站的架构，模块分布在PLC柜和操作台，其中PLC柜包括一个主站和一个 DP从站，操作台含一个从站及HMI。模块类型包括PS307电源模块、CP342通讯模块、32点数字量输入模块、32点数字量输出模块、8点模拟量输入模块、4点模拟量输出模块及FM350编码器模块。

2）人机交互界面如图2所示。图2中，控制系统HMI上显示主要传感器及功能参数：钢丝绳张力、无杆腔气压、无杆腔气温、有杆腔油压、有杆腔油温、储油箱气压、储油箱气温、活塞杆位移状态、作动筒限位状态显示、运行总里程、自动循环次数、自动循环里程、自动循环计时、数据浏览、马达冷却和制动控制。

图2 作动筒试验系统控制界面

3）控制流程

a）设备状态。确认绞车、液压机组、水冷系统、空气系统、电控系统等主要设备均已检查且无异常。工作气瓶压力符合要求，且与作动筒连接阀件已开启；

b）开启液压机组水冷管路球阀，接通水泵电源；

c）绞车旁放置一台通风设备，对减速机、马达、卷筒等部位强制散热；

d）按下主配电柜上“1号启动”按钮，接通供电电源；

e）确认操作台上“手动/自动”旋钮旋至“中位”，将电控柜面板上“电源旋钮”旋至接通状态，观察操作台屏幕（HMI），当控制软件启动后，检查并确保各传感器工作正常。开启“马达冷却”（处于绿色状态），根据系统运行情况选择开启“制动控制”（处于绿色状态）。在电控柜操作面板上，按下“辅泵启动”按钮开启辅泵，根据试验要求选择按下“1号电机启动”或“2号电机启动”按钮启动主电机。确认电机及泵工作正常，无异响及杂音；

f）操作台上“手动/自动”旋钮旋至“手动”，手动缓慢操作绞车收放手柄，牵引作动筒往复运行 2次至 3次，观察操作台屏幕，检查并确认各传感器工作正常（位移、接近开关、张力、压力、温度传感器等）。确认绞车运转正常，确认液压机组运行正常；

g）操作台上“手动/自动”旋钮旋至“自动”，根据试验要求选择“绞车低速运行”或“绞车高速运行”，观察操作台屏幕，检查并确认各传感器工作正常（位移、接近开关、张力、压力、温度传感器等），确认自动状态时各测试数据显示正常。

系统在“自动”模式下运行时，需定时检查设备温度并记录，温度过高时应暂停试验，等待设备冷却；试验时，应随时观察设备运转情况，当发现异常时应及时停止试验，根据情况对设备进行检查，同时做好记录。

运行过程中，如果遇到电机负载过大，传感器控制参数超标，系统将自动停止试验并报警。

4 作动筒试验数据显示系统

作动筒数据显示系统包括笔记本电脑、显示器、HDMI转换器和PLC系统，CP5711用于系统关键数据的趋势显示，采用65寸全高清液晶屏显示钢丝绳张力和作动筒位移曲线。

通过ProfibusDP总线，从控制系统CPU中读取数据，经由西门子CP5711卡读入笔记本电脑，然后采用WinCC软件组态画面。再将画面经HDMI高清视频线与以太网转换后远程显示在液晶屏，显示实时数据曲线[6]。作动筒试验数据显示系统原理如图3所示。

图3 作动筒试验数据显示系统

图4显示了在作动筒可靠性试验过程中的钢丝绳张力曲线和作动筒位移，实时数据曲线在显示器上可视。

5 结论

在海上补给作动筒试验电控系统的设计与实现中，设计与研制了作动筒试验配电系统、控制系统、显示系统，有助于设计人员对于作动筒的性能参数，运行特性的深入分析和总结。

[1] ATP 16(D) /MTP 16 (D) REPLENISHMENT AT SEA[M]. AMERICAN: NAVAL WARFARE PUBLICATION, 2011.

[2] UNDERWAY REPLENISHMENT NWP 4-01.4 [M].AMERICAN: NAVAL WARFARE PUBLIC, 1996.

[3] 孙涛, 桂文彬, 俞志刚. 半潜式平台定位系泊控制试验系统设计与应用[J]. 船舶工程, 2012(2):84-86.

[4] 俞志根. 传感器与检测技术[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[5] 邬宽明. CAN现场总线系统的设计与应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.

[6] 张少军. 网络视频监控系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

Design and Realization of Test Electrical Monitor System of Ramtentioner

YE Jia
(Navy representation office at No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

Ramtentioner is the important technology of ocean ships, which affects the success and sea safety strategy. For this, the article establishes the test system and the monitor system of the ramtentioner at sea, which realizes the test and monitor of the ramtentioner. It helps to deeply understand the performance parameters and the working characteristics.

ramtentioner; data collection; experimentation monitor and control; data display

U665.13

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.015

叶嘉（1981-），男，工程师，研究方向：船舶机电设备。