CN106429889A - 应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，由可编程控制器作为控制核心，液压船用起重吊臂为执行机构代替人工投放，提高了作业效率，降低了人员落水和设备损伤的风险；该装置具有空间三轴运动功能，实现空间位置在一定范围内任意变化，提高了检测数据的精度，同时可以避免设备接触海底造成的破坏。

Description

应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置

技术领域

本发明涉及海底探测技术领域，具体涉及一种应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置。

背景技术

500kV福港线海底电缆是保障海南电网与南方电网主网连接的唯一通道，海底电缆一旦出现问题将会造成海南电网解列运行，带来严重的社会影响和经济影响。因此需掌握海底电缆保护情况，排查海底电缆安全隐患，掌握海底电缆路由地貌情况，保障海底电缆安全运行。

500kV福港线先后进行了3次海底电缆检测工作，利用ROV水下机器人、多波束检测系统、侧扫声纳检测系统对海缆路由海缆埋深、海缆裸露段和悬空段检测、障碍物检测等等。其中侧扫声纳检测系统的的换能器探头(称侧扫声纳拖鱼)在进行检测工作时需要悬在海中发射与接收声波，侧扫声纳拖鱼的姿态有一定要求。

当前，开展侧扫声纳检测工作时，采取的是人工投放侧扫声纳拖鱼的方式，由于侧扫声纳拖鱼较沉重，投放时至少需要2个以上的人合力徒手投放侧扫声纳拖鱼，在正常工作时，需要人工拉着拖鱼，根据海底深度实时改变拖鱼的深度，由于海上作业风险较大，存在人员失足跌落入海的风险，同时一旦操作人员经验不足，在海底较浅的地方回收拖鱼不及时，可能会导致拖鱼触底损坏。同时在工作时，要保证拖鱼在合适的深度，检测的数据才准确无误差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，代替人工投放侧扫声纳拖鱼，并且具备自动适应水深改变拖鱼深度的功能，实现自动控制过程。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，包括计算机、PLC、液压船用起重吊臂、传感器和变送器；

所述液压船用起重吊臂包括绞车、缆绳、轮滑、防摇架、伸缩臂、起重主臂和回转支架；所述传感器包括缆绳长度传感器、伸缩臂长度传感器、起重主臂角度传感器和回转支架角度传感器；每个传感器对应一个变送器，变送器将传感器输出的信号转换为PLC能够识别的输入信号；

绞车、缆绳和轮滑共同实现侧扫声纳拖鱼的垂直上升和下降动作，防摇架装在起重主臂上，伸缩臂、起重主臂和回转支架共同实现防摇架及进入防摇架的侧扫声纳拖鱼的三轴运动；

PLC接到计算机的投放指令后，获取缆绳长度传感器、伸缩臂长度传感器、起重主臂传感器和回转支架角度传感器的数据，输出相应信号，控制伸缩臂、起重主臂和回转支架复归至初始状态，再输出相应信号，控制绞车回收缆绳，直至侧扫声纳拖鱼进入防摇架，再输出相应信号，控制回转支架转到相应角度、伸缩臂伸展到相应长度，同时控制起重主臂将侧扫声纳拖鱼伸展到船舷以外海面上方，继续输出相应信号，控制绞车释放缆绳，直至缆绳长度传感器反馈的缆绳长度等于预设值；

PLC接到计算机的回收指令后，获取缆绳长度传感器、伸缩臂长度传感器、起重主臂传感器和回转支架角度传感器的数据，输出相应信号，控制绞车回收缆绳，直至侧扫声纳拖鱼进入防摇架，再输出相应信号，控制伸缩臂、起重主臂和回转支架复归至初始状态，再输出相应信号，控制绞车释放缆绳，直至侧扫声纳拖鱼落到甲板。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明由可编程控制器作为控制核心，液压船用起重吊臂为执行机构代替人工投放，提高了作业效率，降低了人员落水和设备损伤的风险；该装置具有空间三轴运动功能，实现空间位置在一定范围内任意变化，提高了检测数据的精度，同时可以避免设备接触海底造成的破坏。

附图说明

图1为本发明应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置的结构示意图；

图2为本发明应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置三轴控制运动示意图。

具体实施方式

本发明针对当前侧扫声纳拖鱼人工投放方式存在的风险和缺点，研究设计一种应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，代替人工投放侧扫声纳拖鱼，并且具备自动适应水深改变拖鱼的深度，实现自动控制过程。

本装置分为3大部分：控制部分、执行机构和传感器及变送器部分。

其中控制部分的核心是可编程控制器(PLC)，执行机构为适合现场条件的液压船用起重吊臂，以及检测过程物理量的相应传感器，变送器将传感器的输出信号经处理转化成可编程控制器能够识别的输入信号。

侧扫声纳拖鱼的控制功能包括了：(1)释放与回收；(2)姿态控制(3)缠绕报警；(4)位置坐标修正；(5)紧急停止功能。

针对以上功能，执行机构的液压船用起重吊臂需要实现空间中的三轴运动功能，因此可设计船用起重吊臂由底部回转支架(利用回转液压马达驱动)、起重主臂(利用变幅液压缸实现吊臂变幅)、伸缩臂(利用伸缩液压缸控制伸缩臂的伸展)、带有缆绳的起升绞车(由起升液压马达驱动)、滑轮和防摇架组成，。底部回转支架完成水平面360度旋转，加上起重吊臂的变幅以及伸缩臂可完成防摇架在空间的三轴运动，起升绞车、缆绳和滑轮可实现侧扫声纳拖鱼垂直上升和下降的控制，防摇架装在吊臂上，拖鱼回收时进入防摇架固定位置，防止在吊臂的运动过程中拉拽着的拖鱼惯性运动撞到船体。

装置包括了相应的传感器和变送器，回转支架角度传感器用于测量支架回转的角度，主臂变幅角度传感器用于测量主臂的角度，缆绳长度传感器用于测量缆绳释放的长度，伸缩长度传感器，缆绳拉力传感器，缆绳与水面夹角角度传感器，每个传感器都有相对应的变送器，将传感器输出量统一转化为PLC能够识别的输入量。

控制过程：

1、三轴运动：

(1)复归：设定初始状态系统为防摇架在侧扫声纳拖鱼正上方，PLC获取来自计算机投放的命令后，缆绳长度传感器、船用吊臂主臂角度传感器、回转角度传感器和伸缩臂长度传感器将当前缆绳长度、主臂角度、回转支架当前角度和伸缩臂伸展长度反馈至PLC，通过程序算法，船用吊臂主臂角度、伸缩臂和回转角度复归至初始状态。

(2)将侧扫声纳拖鱼提起进入防摇架：当PLC获取到各个传感器所反馈的位置信息为初始状态时，PLC输出模拟信号，控制起升机构的相应的阀门，进而控制起升液压马达工作，在液压马达的带动下，起升绞车回收缆绳，直到缆绳长度传感器检测到缆绳长度为0时(即侧扫声纳拖鱼进入防摇架)，PLC输出相应模拟信号，使起升液压马达停止工作，绞车停止回收缆绳；

(3)将侧扫声纳拖鱼位置移动到船舷外水面上方：通过程序算法，PLC输出相应信号，控制回转机构相应的电磁阀，进而控制回转液压马达转动至相应的角度，同时控制主臂变幅机构的电磁阀，进而控制变幅液压缸按照所需的速度和方向运动，主臂在变幅液压缸的作用下，将侧扫声纳拖鱼伸展到船舷外水面上方，伸缩臂在伸缩液压缸的推动下，伸展臂按需要伸展至一定的长度。

(4)释放侧扫声纳拖鱼：由PLC输出信号，控制起升机构电磁阀，带动液压马达运动，起升绞车释放缆绳，直到缆绳长度传感器反馈的缆绳长度信号等于预设值(即侧扫声纳拖鱼下放位置满足工作要求)时，起升液压马达停止工作，此时，侧扫声纳拖鱼保持悬浮在水中，处于可开展侧扫声纳检测作业的状态。

(5)侧扫声纳拖鱼回收：由计算机向PLC发出回收命令，PLC输出相应信号，控制起升机构相应阀门，使起升液压马达按照一定的方向和速度旋转，带动绞车回收缆绳，当缆绳长度传感器检测到侧扫声纳拖鱼进入防摇架时，起升液压马达停止工作，变幅液压缸、伸缩液压缸和回转液压马达工作，将侧扫声纳拖鱼复归至初始位置，检测到动作完成后，起升液压马达再次工作，绞车缓慢释放缆绳，缆绳长度传感器检测到拖鱼落到甲板，起升液压马达停止工作。

2、姿态控制

设当前水深为H(在侧扫声纳拖鱼上加压力传感器可算得)，选定侧扫声纳的单侧量程r，通过缆绳与水面夹角角度传感器检测得到的缆绳水面夹角为θ，船用吊臂顶部缆绳滑轮到船底垂直距离可实现测量，设为a，船舶吃水c，则滑轮顶到海面垂直距离为a-c，根据三角形的几何关系，可计算出所需要释放缆绳的长度L：

L＝(H-0.1*r)/sinθ+(a-c)/sinθ

在PLC输出的控制下，起升机构阀门的控制直接使起升液压马达驱动起动绞车，释放缆绳或回收缆绳，当缆绳长度传感器反馈缆绳长度l大于L时，PLC输出控制回收缆绳，直到满足缆绳长度传感器反馈缆绳长度l＝L的条件语句时，起升机构停止工作，保持当前姿态；当缆绳长度传感器反馈缆绳长度l小于L时，PLC输出释放缆绳，直到满足缆绳长度传感器反馈缆绳长度l＝L的条件语句时，起升机构停止工作，保持当前姿态。

3、缠绕报警

装置在正常工作时，缆绳拉力传感器不断将当前缆绳承受的拉力大小反馈至PLC，一旦侧扫声纳拖鱼被渔网等异物缠绕住时，拉力骤然增加，此时可以设计一个报警回路，包含报警灯、报警喇叭，串联一个常开开关，该常开开关通过PLC数字量输出控制，当拉力传感器检测到拉力大于设定拉力时，PLC输出为真，常开开关动作，接通报警回路，报警灯由灭转亮，报警喇叭声响。

4、坐标修正

开展侧扫声纳检测工作时，侧扫声纳拖鱼在水下的位置无法直接获取，可通过相应的程序算法获取侧扫声纳拖鱼的实时坐标，侧扫声纳自适应收放系统正常运行时，可将信标机DGPS安装在执行机构船用吊臂的顶端，通过防摇架顶端安装的角度传感器获知缆绳与海面的夹角，结合缆绳长度传感器获取到缆绳的释放长度，通过计算可间接获取到侧扫声纳拖鱼在水中的坐标。

5、紧急停止

在侧扫声纳自适应收放系统工作的过程中，考虑到突发情况，设计了紧急停止功能，在执行机构船用吊臂设定了系统油路的总阀门，当按下紧急停止的按键，PLC接到紧急停止的指令，通过程序算法，PLC输出直接控制总阀门，切断系统油路，达到紧急停止执行机构的目的。

综上，本发明的自动收放装置可以代替人工投放侧扫声纳拖鱼，降低了人员落水和设备损伤的风险；缠绕报警功能帮助及时发现渔网等异物缠绕拖鱼，为应急处置争取时间；自适应姿态调整功能，提高了检测数据精度，同时防止设备接触海底损伤；作业过程由PLC自动控制，提高了作业效率。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，其特征在于，

包括计算机、PLC、液压船用起重吊臂、传感器和变送器；

所述液压船用起重吊臂包括绞车、缆绳、轮滑、防摇架、伸缩臂、起重主臂和回转支架；所述传感器包括缆绳长度传感器、伸缩臂长度传感器、起重主臂角度传感器和回转支架角度传感器；每个传感器对应一个变送器，变送器将传感器输出的信号转换为PLC能够识别的输入信号；

绞车、缆绳和轮滑共同实现侧扫声纳拖鱼的垂直上升和下降动作，防摇架装在起重主臂上，伸缩臂、起重主臂和回转支架共同实现防摇架及进入防摇架的侧扫声纳拖鱼的三轴运动；

PLC接到计算机的投放指令后，获取缆绳长度传感器、伸缩臂长度传感器、起重主臂传感器和回转支架角度传感器的数据，输出相应信号，控制伸缩臂、起重主臂和回转支架复归至初始状态，再输出相应信号，控制绞车回收缆绳，直至侧扫声纳拖鱼进入防摇架，再输出相应信号，控制回转支架转到相应角度、伸缩臂伸展到相应长度，同时控制起重主臂将侧扫声纳拖鱼伸展到船舷以外海面上方，继续输出相应信号，控制绞车释放缆绳，直至缆绳长度传感器反馈的缆绳长度等于预设值；

PLC接到计算机的回收指令后，获取缆绳长度传感器、伸缩臂长度传感器、起重主臂传感器和回转支架角度传感器的数据，输出相应信号，控制绞车回收缆绳，直至侧扫声纳拖鱼进入防摇架，再输出相应信号，控制伸缩臂、起重主臂和回转支架复归至初始状态，再输出相应信号，控制绞车释放缆绳，直至侧扫声纳拖鱼落到甲板。

2.根据权利要求1所述的应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，其特征在于，

传感器还包括缆绳角度传感器；

缆绳角度传感器将缆绳与海面的角度θ通过对应的变送器发送至PLC，PLC输出相应信号，控制绞车释放或回收缆绳，直至缆绳长度传感器反馈的缆绳长度为L：

L＝(H-0.1*r)/sinθ+(a-c)/sinθ

其中，H为当前水深，r为侧扫声纳的单侧量程，a为轮滑到船底的垂直距离，c为船舶吃水深度。

3.根据权利要求2所述的应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，其特征在于，

传感器还包括缆绳拉力传感器；

缆绳拉力传感器将缆绳拉力通过对应的变送器发送至PLC，PLC将当前缆绳拉力与预设的缆绳拉力上限对比，若超过缆绳拉力上限，则发出报警。

4.根据权利要求3所示的应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，其特征在于，

还包括报警回路，报警回路包括依次串联的常开开关、报警灯和报警喇叭；

PLC判断得出当前缆绳拉力超过预设的缆绳拉力上限时，输出为真，常开开关动作，报警回路接通。

5.根据权利要求4所述的应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，其特征在于，

还包括信标机，PLC通过缆绳长度传感器获取缆绳释放长度，通过缆绳角度传感器获取缆绳与海面的夹角，通过信标机获取轮滑的坐标，经计算得到侧扫声纳拖鱼在海水中的坐标。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置，其特征在于，

还包括总阀门和紧急停止按键；

工作人员按下紧急停止按键后，PLC接到紧急停止指令，输出相应信号到总阀门，总阀门关闭所述应用于侧扫声纳拖鱼的自动收放装置的油路。