CN104671140A - 基于plc的布缆船吊放拖曳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于PLC的布缆船吊放拖曳控制方法，包括以下步骤：设定控制参数，并根据恒张力模式、拖曳模式、对接模式对拖缆绞车和储缆绞车进行控制；恒张力模式：对拖缆绞车和储缆绞车进行控制，使储缆绞车与拖缆绞车之间缆绳张力以及、过轮装置与埋缆机之间缆绳张力保持恒定；拖曳模式：对拖缆绞车进行控制，使过轮装置与埋缆机之间缆绳张力在阈值范围内；对接模式：对储缆绞车与拖缆绞车进行控制，在埋缆机回收过程中，使过轮装置与埋缆机之间缆绳张力保持在阈值范围内。本发明对于系统的主要控制功能，均实现其自动控制，无需多次对系统进行手动调节，当进入工作模式时，系统根据设定要求自动实现预定目标。

Description

基于PLC的布缆船吊放拖曳控制方法

技术领域

本发明涉及布缆船吊放拖曳装置控制方法，具体说是以PLC为控制器对布缆船吊放拖曳装置进行分布式控制，通过将布缆船吊放拖曳的操作分为几种模式并设计了相应的算法来实现布缆船吊放拖曳装置的自动控制的方法，属于机电控制领域。

背景技术

随着海洋开发的不断深入与近海岛屿经济的不断发展，海底电缆埋设成为重要的海洋工程技术。拖曳式埋缆机水下作业是由母船通过拖曳装置牵引实现的，拖曳装置通常由拖缆绞车和拖缆组成，拖缆上端连接拖缆绞车，下端连接埋缆机的牵引点。拖曳式埋缆系统是分布于从水面至水下大范围海洋空间的复杂系统，在作业过程中，由于海况较为复杂，为了实现埋缆机的顺利下放与回收，保障作业安全性和作业效率，必须根据埋缆作业需求配置适当的吊放拖曳设备，对设备的控制要求稳定、可靠。传统的吊放系统通常只有一个绞车，但是埋缆机吊放拖曳系统除要求具有吊放功能，还要求对埋缆机进行拖曳作业，由于拉力较大所以采用单绞车会出现缆绳压层现象，所以该系统使用双绞车结构，同时绞车之间及绞车与门架之间具有耦合的控制关系，所以对控制系统提出了更高的要求。传统的吊放装置控制系统只能实现单一的吊放功能，而且均是以手动操控的方式进行控制，对操作者的操作经验要求较高，如果在双绞车系统情况下以手动操控方式完成整个操作过程，则其难度非常大，而且容易发生危险，所以传统的吊放装置控制系统无法满足整个吊放拖曳系统的控制要求，因此必须设计一种集吊放与拖曳于一体的自动控制方法，要求该控制系统运行稳定、控制精度高、功能强大。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的目的是设计一种控制灵活、可靠性高的布缆船吊放拖曳装置的控制方法。

本发明采用的技术方案是：基于PLC的布缆船吊放拖曳控制方法，包括以下步骤：

设定控制参数，并根据恒张力模式、拖曳模式、对接模式对拖缆绞车和储缆绞车进行控制；

恒张力模式：对拖缆绞车和储缆绞车进行控制，使储缆绞车与拖缆绞车之间缆绳张力以及、过轮装置与埋缆机之间缆绳张力保持恒定；

拖曳模式：对拖缆绞车进行控制，使过轮装置与埋缆机之间缆绳张力在拖曳张力设定值范围内；

对接模式：对储缆绞车与拖缆绞车进行控制，使过轮装置与埋缆机之间缆绳张力在对接张力设定值范围内。

所述控制参数包括：储缆绞车与拖缆绞车之间缆绳的恒张力设定值T2、过轮装置与埋缆机之间缆绳的恒张力设定值Ts、拖曳张力设定值Tt、对接张力设定值Td，以及埋缆机重量。

所述恒张力模式中对拖缆绞车和储缆绞车进行控制包括：

利用张力传感器对储缆绞车与拖缆绞车之间缆绳张力进行实时检测；当该检测张力值T1小于恒张力设定值T2时，通过比例控制增加储缆绞车的比例阀控制电压，直到检测张力值T1等于恒张力目标值T2为止；

利用张力传感器对过轮装置与埋缆机之间缆绳张力进行实时检测；并根据张力检测值Tp和恒张力设定值Ts对拖缆绞车进行PID控制，使缆绳的拖缆张力值等于恒张力设定值Ts并保持恒定。

所述PID控制包括以下步骤：

当张力检测值Tp小于恒张力设定值Ts时，拖缆绞车比例阀的控制电压为V=-u+P×e，使拖缆绞车收缆；其中u为比例阀的死区电压，P为PID控制的放大系数，误差e=Tp-Ts；

当张力检测值Tp大于张力设定值Ts时，拖缆绞车比例阀的控制电压为V=u+P×e使拖缆绞车放缆。

所述拖曳模式中对拖缆绞车进行控制包括以下步骤：

根据拖曳张力设定值Tt与拖缆绞车压力溢流阀控制电压之间的控制关系得到拖缆绞车压力溢流阀控制电压，并将该电压用于控制拖缆绞车保持对埋缆机的拖曳；利用张力传感器对过轮装置与埋缆机之间缆绳张力进行实时检测；当该检测张力值小于拖曳张力设定值Tt时，船体拖动埋缆机正常工作；当该检测张力值大于拖曳张力设定值Tt时，拖缆绞车压力溢流阀溢流、拖缆绞车放缆，使检测张力值小于等于拖曳张力设定值Tt。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用分布式控制方式，其特点在于系统控制灵活，根据不同的系统工作状态与工作要求，分别在主控制台、机旁控制台、便携式遥控盒处对系统进行控制。

2.本发明对于系统的主要控制功能，均实现其自动控制，无需多次对系统进行手动调节，当进入工作模式时，系统根据设定要求自动实现预定目标。

3.系统具有实时记录数据功能。系统工作时，能够实时记录系统的工作过程数据，实时记录功能可以准确记录过程数据，对于控制系统参数改进与后期数据分析提供可靠保证。

4.本发明可以实现多种控制模式。由于整个系统工作过程中情况比较复杂，所以要求控制系统可以实现多种控制模式以实现系统最优化，本发明正是以各种工作模式为基础实现控制系统的最优控制。

5.本发明控制灵活、可靠性高、调节方便、功能强大。

附图说明

图1为本发明的布缆船吊放拖曳装置示意图；

图2为本发明控制系统结构示意图；

图3为本发明核心控制系统通信与信息采集结构示意图；

图4为本发明储缆绞车恒张力控制模式流程图1；

图5为本发明拖缆绞车恒张力控制模式流程图2；

其中，1吊放门架，2拖缆绞车，3为储缆绞车，4为海缆埋设机，5、6为缆绳，7为过轮装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

基于PLC的布缆船吊放拖曳装置控制系统包括：储缆绞车3、拖缆绞车2及其驱动装置、吊放门架1及其驱动装置、控制器和两个张力传感器及温度、压力等多个传感器；用于拖曳海缆埋设机4的缆绳5依次经吊放门架1上设置的滑轮、过轮装置7、拖缆绞车2由储缆绞车3进行储缆；一个张力传感器安装于储缆绞车3排绳器的中心，用于测量储缆绞车3和拖缆绞车2之间缆绳6的张力，另一个安装于拖缆绞车2与吊放门架1之间过轮装置中最接近门架1的过轮中心，用于测量缆绳5也就是过轮装置与埋缆机之间缆绳5的张力。

基于PLC的布缆船吊放拖曳装置控制系统以PLC作为控制器，采用主站--从站的分布式控制方式，设计了布缆船吊放拖曳装置恒张力模式、拖曳模式、对接模式等多种模式的自动控制功能。控制地点包括：主控制台、机旁控制台及便携式遥控盒，可以分别在控制间、机舱、甲板实现对该装置的控制操作。主从站之间通过PROFIBUS协议进行通信，各PLC站点与现场传感器之间通过自定义协议进行通信。现场控制对象包括：储缆绞车、拖缆绞车、绞车液压站、门架液压站、门架、门架及绞车液压站电机启动柜。

主控制台上配置了西门子7寸TP700触摸屏，与PLC实时通信，通过触摸屏可对控制系统进行控制参数设置、显示现场控制状态的反馈信息、显示报警信息、实时记录控制器的采集信息、配合控制台上的状态指示灯及报警器实现控制系统的实时监控，其监控界面为自行编制。

所述控制器为西门子S7-300PLC，配置5块数字量输入模块、4块数字量输出模块、5块模拟量输入模块、2块模拟量输出模块作为控制信息的采集与输出设备。

所述恒张力模式为根据恒张力设定信息与张力传感器检测信息，通过PID控制算法，实现埋缆机拖曳缆张力与储缆绞车储缆的张力保持恒定的自动控制功能。

所述拖曳模式为海上布缆工作时，埋缆机依靠布缆船进行拖曳前行布缆，该模式具有遇障自动快速放缆减小缆绳张力功能。

所述对接模式为利用收放门架对埋缆机进行回收与下放时的工作模式，可自动实现稳定回收与下放、保护埋缆机的功能。

图1为布缆船吊放拖曳系统的船体安装示意图，4为海缆埋设机。1为埋缆机吊放门架。5为吊放及拖曳缆绳。3为储缆绞车，用于存放拖曳缆，在埋缆工作过程中，储缆绞车始终处于恒张力自动控制模式。2为拖缆绞车，整个系统的主要工作模式都是通过拖缆绞车自动控制来实现。储缆绞车所存储的拖曳缆经过拖缆绞车，经过过轮装置的两个过轮后穿过收放门架的下放轮组连接埋缆机牵引点。

图2为整个控制系统结构示意图，控制地点分为主控制台、机旁控制台、便携式遥控盒，在主控制台端可以选择控制地点，并且在控制程序中对控制地点进行限制，允许同一时刻只有一个控制地点对系统进行控制，防止多点同时控制引起误操作。

主控制台可以分别对绞车与门架进行控制，机旁控制台主要针对绞车进行控制，便携式遥控盒主要针对门架进行控制。

系统配置了两个电机启动柜，分别是门架液压站电机启动柜和绞车液压站电机启动柜，可以通过启动柜上的选择开关决定启动柜机旁启动和控制台端遥控启动。

两台液压站分别为吊放门架系统和绞车系统提供液压动力。

储缆绞车排绳器中心处与过轮中心处安装有张力传感器，为系统提供缆绳拉力信息，系统的很多自动工作模式都需要实时监测拉力传感器的检测信号。

图3为系统通信与信息采集结构图。为了实现多点的灵活控制方式，采用分布式控制方式，主站PLC安装于主控制台中，从站分别安装于机旁控制台与便携式遥控盒中，他们之间通过PROFIBUS通信协议进行通信。门架系统、绞车系统、液压站系统分别配置有接线盒，传感器信息由接线盒采集后通过多芯电缆传输到主控制器中进行分析处理。

门架为埋缆机吊放装置，可通过主控制室主控制台和现场便携式遥控盒分别对其进行控制，其实现功能包括：门架内/外摆动、伸缩架伸出与回收、滑动架左移与右移、纵摇缓冲、下放轮组的下放、下放轮组锁/开等功能，控制器通过模拟量输出与开关量输出控制门架阀箱以实现上述功能。

储缆绞车可实现手动与自动控制模式，自动模式为实现储缆的恒张力自动控制功能，当选择储缆自动模式时，控制器将拉力传感器检测值T1与设定的恒张力拉力值T2进行比较，当T1小于T2时，控制器通过比例控制自动输出储缆绞车比例阀信号使储缆绞车进行收缆动作，待T1大于等于T2时，储缆绞车自动执行最大收缆力，配合储缆绞车溢流阀使储缆绞车达到恒张力状态，当外界拉力增大时会自动将缆绳拽出以减小拉力，当拉力再次小于设定值后储缆绞车再次自动收缆使其恢复到恒张力状态并保持状态，并且储缆绞车放缆过程中，排绳器具有自动跟随功能。储缆绞车恒张力模式控制流程图如图4所示。

拖缆绞车可实现多种工作模式，包括：普通模式、恒张力模式、拖曳模式、对接模式。其中普通模式为手动操控模式，恒张力模式、拖曳模式、对接模式为自动控制模式。系统开机自动运行模式为普通模式，通过控制面板的操作杆进行收放缆控制，为了防止对操作杆的误操作，控制端设计了操作杆使能功能。

拖缆绞车恒张力模式为通过PID控制算法实现拖曳缆绳张力保持恒定的自动模式，其恒张力设定值通过主控制台触摸屏进行设置。进入恒张力模式后，控制器将张力传感器检测值Tp作为过程值，设定值为Ts，Tp与Ts的差值为误差e，e作为PID控制模块的输入。恒张力控制过程中，当Tp大于Ts时，即外界拉力大于设定值时，拖缆绞车比例阀得到正向信号，使绞车进行放缆动作以减小拖曳缆受力，随着Tp与Ts差值的减小放缆速度的变化逐渐减小，当Tp小于Ts时，即外界拉力小于设定值时，拖缆绞车比例阀得到反向信号，使绞车进行收缆动作以增大拖曳缆受力，通过实时检测缆绳受力情况，应用设计的PID算法使拖曳缆保持在恒张力状态。拖缆绞车恒张力控制流程图如图5所示。

拖缆绞车拖曳模式为埋缆机在海底开始进行埋缆工作时的工作模式，进入拖曳模式状态后，控制储缆绞车和拖缆绞车的绞车液压站电机停止工作，依靠缆绳拖拽埋缆机工作，当缆绳受力接近拖曳设定力时会报警提示，当缆绳受力超过拖曳设定力时会自动放缆保护设备。

拖缆绞车对接模式为埋缆机回收与伸缩架对接时的工作状态，进入对接模式后，控制器根据对接张力设定值与绞车压力溢流阀控制电压之间的控制关系得到拖缆绞车压力溢流阀控制电压，使缆绳张力在对接张力设定值以下，起到保护埋缆机的作用。对接张力设定值根据埋缆机重量设定。

系统的实时数据记录功能可对需要记录过程量进行实时记录，例如液压马达AB口压力、拉力传感器检测值、拖曳缆的收放速度、缆绳释放长度等，当实验或者布缆工作完场后可提取出所记录的数据进行进一步的分析，根据分析结果对控制参数进行改进以达到最优化控制的目的。同时如果出现故障系统会及时报警，并在显示屏上显示报警信息。

除上述功能，控制系统还具有开机自检、通信中断报警、传感器断线报警等系统保护功能。

Claims (5)

1.基于PLC的布缆船吊放拖曳控制方法，其特征在于包括以下步骤：

设定控制参数，并根据恒张力模式、拖曳模式、对接模式对拖缆绞车（2）和储缆绞车（3）进行控制；

恒张力模式：对拖缆绞车（2）和储缆绞车（3）进行控制，使储缆绞车（3）与拖缆绞车（2）之间缆绳（6）张力以及、过轮装置（7）与埋缆机（4）之间缆绳（5）张力保持恒定；

拖曳模式：对拖缆绞车（2）进行控制，使过轮装置（7）与埋缆机（4）之间缆绳（5）张力在拖曳张力设定值范围内；

对接模式：对储缆绞车（3）与拖缆绞车（2）进行控制，使过轮装置（7）与埋缆机（4）之间缆绳（5）张力在对接张力设定值范围内。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的布缆船吊放拖曳控制方法，其特征在于：所述控制参数包括：储缆绞车（3）与拖缆绞车（2）之间缆绳（6）的恒张力设定值T2、过轮装置（7）与埋缆机（4）之间缆绳（5）的恒张力设定值Ts、拖曳张力设定值Tt、对接张力设定值Td。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的布缆船吊放拖曳控制方法，其特征在于：所述恒张力模式中对拖缆绞车（2）和储缆绞车（3）进行控制包括：

利用张力传感器对储缆绞车（3）与拖缆绞车（2）之间缆绳（6）张力进行实时检测；当该检测张力值T1小于恒张力设定值T2时，通过比例控制增加储缆绞车（3）的比例阀控制电压，直到检测张力值T1等于恒张力目标值T2为止；

利用张力传感器对过轮装置（7）与埋缆机（4）之间缆绳（5）张力进行实时检测；并根据张力检测值Tp和恒张力设定值Ts对拖缆绞车（2）进行PID控制，使缆绳（5）的拖缆张力值等于恒张力设定值Ts并保持恒定。

4.根据权利要求3所述的基于PLC的布缆船吊放拖曳控制系统，其特征在于：所述PID控制包括以下步骤：

当张力检测值Tp小于恒张力设定值Ts时，拖缆绞车（3）比例阀的控制电压为V=-u+P×e，使拖缆绞车（2）收缆；其中u为比例阀的死区电压，P为PID控制的放大系数，误差e=Tp-Ts；

当张力检测值Tp大于张力设定值Ts时，拖缆绞车（2）比例阀的控制电压为V=u+P×e使拖缆绞车（2）放缆。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的布缆船吊放拖曳控制系统，其特征在于：所述拖曳模式中对拖缆绞车（2）进行控制包括以下步骤：

根据拖曳张力设定值Tt与拖缆绞车（2）压力溢流阀控制电压之间的控制关系得到拖缆绞车压力溢流阀控制电压，并将该电压用于控制拖缆绞车（2）保持对埋缆机（4）的拖曳；利用张力传感器对过轮装置（7）与埋缆机（4）之间缆绳（5）张力进行实时检测；当该检测张力值小于拖曳张力设定值Tt时，船体拖动埋缆机（4）正常工作；当该检测张力值大于拖曳张力设定值Tt时，拖缆绞车压力溢流阀溢流、拖缆绞车（2）放缆，使检测张力值小于等于拖曳张力设定值Tt。