海底挖沟机吊放控制系统设计

2022-10-26屠伟，徐伟，丁鑫

机电设备 2022年5期

屠伟，徐伟，丁鑫

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

海洋蕴藏了丰富的能源资源，海底的石油和天然气开采后，需要使用管道进行运输。海底挖沟机是海底挖沟铺管的机械设备，吊放装置是挖沟铺缆的重要配套系统，通过门架将海底挖沟机从船上移到船舷外，通过绞车将海底挖沟机放到海底，并在海底挖沟作业时提供恒定的牵引力[1-3]。

1 海底挖沟机吊放控制系统

海底挖沟机吊放装置组成见图1，主要包括机械、液压和电控系统。机械主要包括门架和绞车。门架是通过液压动力单元驱动，绞车是通过变频器驱动。控制系统主要包括配电柜、控制柜、中央操作台、现场操作台和变频柜组成。配电柜给控制系统提供电源，控制柜采集外部传感器信号，通过逻辑运算后，输出控制指令，中央控制台在驾驶室可以操作门架和绞车，现场操作台在绞车舱，用于绞车的现场调试和维修。变频柜中装有变频器，用于变频驱动绞车。

图1 海底挖沟机吊放装置示意图

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

控制系统框图见图2，控制柜为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）主站，控制器采用西门子CPU1511-1 PN，中央操作台为从站1，屏幕为西门子的TP1200精智面板，现场操作台为从站2，屏幕为西门子的TP700精智面板，从站选用IM155-5 PN ST接口模块，变频器采用ABB FPNO-21现场总线适配器，主站、从站、变频器和HMI之间采用PROFINET总线进行通信。

图2 控制系统框图

主站拓展模块包括：1个DI 32×24VDC HF数字量输入模块，用于配电柜、液压动力单元、外部传感器等的状态检测；2个DQ32×24VDC/0.5A HF数字量输出模块，用于输出中间继电器、液压电磁阀等的驱动信号；1个AI 8×U/I HS模拟量输入模块，用于检测液压油箱温度、液位、主泵压力、绞车张力等模拟量信号；1个AQ8×U/I HS模拟量输出模块，用于输出液压比例阀的控制信号；1个TM Count2×24V工艺模块，用于测量绞车卷筒的转速。

从站拓展模块包括：1个DI 32×24VDC HF数字量输入模块，用于控制面板上操作按钮和选择开关的输入检测；1个DQ32×24VDC/0.5A HF数字量输出模块，用于控制面板上的指示灯、蜂鸣器的状态输出；1个AI 8×U/I HS模拟量输入模块，用于检测控制面板上操作手柄的模拟量指令信号。

变频器采用ABB集团的ACS880-07系列变频器，PLC主站与ABB变频器通过现场总线适配器现场总线以太网输入输出（Fieldbus Profinet IO，FPNO）进行通信，参数过程数据对象（Parameter Processdata Object，PPO）类型选择PPO6，分配的通信地址等信息见图3。

图3 通信适配器FPNO 概况

2.2 软件设计

软件设计使用西门子TIA Portal V15.1软件，采用模块化结构设计，有利于软件开发，图4为控制系统主要功能的软件框图。主程序OB1主要包含以下功能程序块：报警功能FC10、状态功能FC20、门架功能FC50和绞车功能FC60。门架功能FC50包含电机控制FC51和液压逻辑FC52；绞车功能FC60包含绞车控制FC61、变频器通信FC62和变频器控制FC63。

图4 软件主要功能框图

电机控制FC51含有2台主泵电机启动和停止的控制逻辑，液压逻辑FC52含有系统所有液压阀的控制逻辑时序，主要实现门架的摆出和摆入等动作。绞车控制FC61含有恒张力功能，当海底挖沟机在海底准备开始作业时，绞车需要切换到恒张力牵引状态，缆绳的张力保持在恒定的范围以内，实际的张力值可以通过销轴传感器进行检测。当缆绳张力处于正常变化范围内，绞车不做收放缆动作，保持缆绳长度不变。当张力大于设定值后，控制系统发出报警，同时快速放缆一定绳长，将张力降低至设定值以内。

变频器通信FC62用于PLC与变频器进行通信，变频器控制FC63用于变频器控制字的每一位进行定义。变频器的主要参数设置见表1，电机控制采用直接转矩控制，可以实现电机转速和转矩的高精度控制。现场总线的输入数据为16位的状态字和实际值，现场总线的输出数据为16位的控制字和给定值。

表1 变频器主要参数设置

2.3 画面设计

画面主页面见图5，主要包括主页面、报警页面和设置页面，能实时监控控制系统的状态。主页面主要含有A架、绞车和系统的参数信息。A架信息包括液压油箱的温度和液位、液压系统压力、电机启停状态、A架变幅角度、油缸位移偏差和操作手柄状态等。绞车信息包括绞车绳速、张力、电机的转速、转矩和电流、刹车状态和控制模式选择等。系统信息包括重载允许、试灯、启泵位置和操作位置等。报警页面记录了系统的报警数据，用于提示报警、方便查询和处理报警故障。设置页面主要用于设置系统参数，如绞车最大圈数设置和比例阀参数设置等。