船用电缆绞车自动收放系统分析

本文主要分析了船用电缆绞车的自动收放系统，主要解决了电缆放问题，并在后甲板增加无线遥控功能。

1. 引言

电缆绞车是海洋地震测量船的重要生产工具，对同步电缆电缆和同步收放电缆的要求较高，其控制系统的优缺点直接影响测量船的海上运行。本分析主要针对两台主电缆绞车，实现电缆及其自动排放功能。

2. 控制系统概述

2.1. 测量船后甲板的布置(见图1)

图1

后甲板上的电缆绞车主要是1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中1#-4#主电缆绞车，5#、6#辅助电缆绞车，1#与2#，3#与4#绞车为高低配置，当1#和3#当电缆绞车收集和放电电缆时，水平升降辊升起，依靠1#和3#电缆绞车上的信号电缆左右运行。

同理2#和4#绞车收放电缆时，应通过2#和4#电缆排放器左右移动，使信号电缆均匀地排列在电缆绞车上。正常运行时1#与3#，2#与4#绞车需要具有同步收放电缆和同步排放电缆的功能，并释放等长电缆。本研究不包括其他设备。

2.2. 系统构成

(1)控制电缆绞车

电缆绞车的执行机构是液压马达，具有正向和反向旋转的功能。液压马达由丹佛斯的比例阀控制。比例阀具备手柄和电控两种方式。当比例阀选择手动或着按急停时都可以切断电控，电控去掉后手柄回自行返回中间位置，并可以进行手动控制。

电控比例阀有两种，一种是0~12V，另一种是0~24V，所有中间量程代表比例阀关闭。0~12V比例阀，6V表示比例阀关闭，液压电机停止旋转，6~12V液压电机正向旋转，0~6V液压电机反向旋转。关闭电控，直接拉手柄也能达到同样的效果。

电缆绞车有手动销，比例阀为零漂移。当电缆绞车静止时，销手动插入，无需考虑液压泄漏。比例阀的有效控制范围是3~9V（0~12V比例阀）和6~18V（24V所以PLC给定3V（或6V）对应比例阀的开度为-100%，6V（或12V）对应比例阀的开度为0%，9V（或18V）对应比例阀的开度为 100%。

绞车还配备了旋转编码器来测量电缆绞车的速度，并根据电缆绞车的速度计算出收放电缆的长度。

压力传感器安装在液压电机上。压力传感器的压力信号用于显示电缆绞车的扭矩。当压力过大时，系统降低比例阀开度，减慢绞车速度，以减少电缆上的张力。

(2)排缆器的控制

旋转编码器安装在排缆器上，测量排缆器的位置，使排缆器按要求的位置运行，达到均匀排缆。

2.3. 系统硬件组成

系统由SIEMENS的S7-400PLC控制，后甲板左侧和右侧设置两个远程分站，分别控制左侧绞车和电缆排放器、右侧绞车和电缆排放器。此外，还有机舱液压泵站和无线遥控通信站。

控制系统图如下图所示：

图2

3. 绞车同步、卷径计算和自动电缆分析

启动自动收放电缆和自动排放电缆系统前，需要在上位机上设置参数：

1）电缆绞车直径及当前电缆长度；

2）手动检查和输入电缆层数和当前电缆位置是多少层和多少根。与之相比PLC将电缆长度计算确定的当前电缆位置与电缆位置确定的相应位置参数进行比较。如有误差，以手动判断为准，并重新写入电缆排放器的位置参数；

自动收放电缆系统运行方案：

已知电缆绞车直径Dmin以及当前电缆长度L6,各节电缆的直径为d1,d2,d3,d4,d5,d6

电缆计算:

m1为在d1直径电缆排满一层。m1=W/d1

在L1第一层排满后，卷取直径变为Dmin 2d1,再排一层再加2d1，多层增加的电缆长度△=pi2d1m1

因此：

第一层电缆长度为C1=piDminm1第二层为：C2=C1 (C1 △)第三层是： C3= C2 （C1 2△）第四层为：C4=C3 （C1 3△）……

当收完L1长度时，计算出卷取直径d x1。

当Cx大于L1排满这层的长度为：L1 （Cx-L1）m2/m1，过渡到直径为d2此时的长度计算△=pi2d2，同理继续计算。

逐一计算出来L2，L3，L4,L5,L6卷取直径d x2，d x3，d x4，d x5，d x6.

中间某一时刻的卷取长度为Lset，计算此时绞车的卷取直径Dreal，判断Lset该区域采用线性方法获得卷取直径。通过获得实时直径Dreal，可计算控制绞车转速和实时电缆卷取长度，达到同步控制的目的。

速度闭环控制：反馈值为瞬时线速度，设定值为设定线速度，输出为调节阀开度。PID控制。

运行设计方案：

电缆排放器由比例阀控制。所有数据都需要进行现场实验，这里首先假设为已知量进行分析。电缆排放器行道左右设有极限开关。为了方便表达，以下是左行程开关作为初始点，左移动记录为电缆排放器的后退，右移动记录为电缆排放器的前进。当电缆排放系统收到初始命令时，电缆排放器自动返回左行程开关停止，并向右移动到设定位置。单层电缆排列50根，电缆排放器行程从左到右2米，相应的编码器1000。pc机上设置N，N一次行走的移动次数。N精度越高N每次实际移动10次0.2米，每5圈移动一次，对应编码器100。

方案简介：在初始化过程中，设置当前电缆长度Lset，通过程序判断电缆的直径，可以得到电缆排数mi(1、2、3、4、5、6)mi/N一次移动圆圈，每次移动距离为2/N遇到限位开关后，米向相反方向移动。

手动微调功能：在电缆排放器的自动运行过程中，如果需要手动微调电缆排放器的位置，可以点击左右按钮，电缆排放器向左或向右移动。

4. 先进的系统

现有绞车控制系统只有电动操作，没有同步收放电缆和自动排放电缆的功能。经过本次分析改造，收放电缆的操作性能大大提高，大大提高了放电缆的准确性和地震波的采集精度。该控制系统也是一个很好的例子，可以在未来的其他海洋石油测量船上推广。