中国船舶重工集团有限公司第七一○研究所 湖北宜昌 443100
摘要：本文介绍了一种海洋绞车电控系统的实现方法。以某种力能需求为例分析动力需求并进行了驱动电机及变频器选型，并以此为基础实现绞车的收放调速功能。介绍了绞车张力检测及放缆长度检测的软硬件实现方法。
关键词：海洋绞车；电气驱动；控制
引言
随着海洋工程的发展，脐带式水下遥控机器人、水下拖曳设备等海洋工程装备应用日益增多，海洋绞车是其重要的组成部分，承担着脐带电缆贮缆、水下设备布放及回收等功能。通过电机驱动绞车卷筒转动实现收放缆、脐带电缆张力控制、放缆长度控制是海洋绞车控制系统的三个主要功能。本文于上述绞车三个主要功能，实现其电控系统。
1绞车电控系统总体组成
绞车电控系统主要实现绞车收放缆的数字无级调速、电缆张力的检测、放缆长度的检测和。因此，电控部分可分为动力系统和检测系统两部分。动力系统完成绞车的收放缆和自锁功能；检测系统实现电缆缆长和张力的检测功能。
在动力系统部分，采用三相异步减速电机通过链传动拖动卷筒正转和反转实现收放缆。通过变频器以矢量控制模式调节电机转速以实现无级调速，采用开环控制模式实现电机的控制。
在检测系统部分，以单片机为核心实现缆长和张力检测。通过连接到单片机的增量式旋转光电编码器得到卷筒旋转的角度，并以此计算出已放缆的长度。张力的大小可以通过三轮组测力法检测，即通过压力传感器检测电缆的张力。将得到反映电缆张力的模拟信号通过模数转换变为数字信号后被单片机接收，并以此计算出电缆张力。
2动力系统的设计
本文以绞车收放缆调速范围为0.1 ～ 0.5 m/s，最大拖曳拉力不小于300kgf为例讨论动力需求。选择电机时需满足的各项技术要求：
根据以上技术要求，按照一定安全系数，可选择SEW公司的R77 DV112M4/BMG /HF /VS。同时选择施耐德公司的AT31HU40N4变频器作为电机驱动器，并通过该变频器进行无机调速。
图2 通过变频器调节电机速度原理图
如图2所示，通过逻辑开关向LI1、LI2和LI3端子输入逻辑命令。变频器端子LI1接收到逻辑“1”后，将使制动器解除制动，启动电机使电机以设定的转速正转实现放缆；端子LI2接收到逻辑“1”后，启动电机使电机以设定的转速反转实现收缆；端子LI3接收到逻辑“1”后，将使电机停止转动，并使制动器闭合，开启制动。
电压模拟输入端子AI1通过调速旋钮Rp得到0～10V电压。变频器通过该端子电压大小调整电机转速，并以此控制收放缆速度在0.1-0.5m/s之间。故障指示灯用于指示变频器的工作状态。以上所有逻辑开关、调速旋钮和指示灯均位于显控台上，可由操作人员控制。
3 检测系统的实现
3.1 缆长的检测
放缆的长度跟卷筒旋转的角度有直接联系，通过卷筒旋转的角度可以计算出放缆的长度。下式是旋转角度和缆长之间的联系：
图3 旋转编码器输出的A、B相波形
编码器A相连接单片机普通IO接口P2.0，B相连接单片机外部中断接口INT0。B相的上升沿触发中断响应，进入中断服务程序。在中断服务程序中，首先读取P2.0端口的逻辑数值，由该端口逻辑数值可以判断卷筒的旋转方向：若P2.0为正，则表示卷筒正转，将脉冲计数变量加1，否则卷筒反转，将脉冲计数变量减1。
3.2 电缆张力的检测
采用拉力传感器直接检测电缆的张力大小，如图4所示：
图4 三轮测力法检测电缆张力
该检测装置采用三轮组张力检测方式。该机构由三个导轮组成，前后两个导轮为导向轮，中间导轮为测力轮。三个导轮位置固定后，电缆在测力轮上形成的夹角为以固定值。测力轮安装在张力传感器上，电缆张紧后将压在测力轮上，传感器可测得缆绳在导轮垂直方向的分力，再根据电缆在测力轮上形成的夹角计算出电缆的实际张力。如图5所示。电缆张力为F，电缆在测力轮上形成夹角为a，电缆张力F在测力轮上的分力为T，由式子可得电缆张力值。在实际运行过程中可以通过砝码进行校验和校正，确保所测电缆张力的准确性。
该方法测得张力受外界影响较大，容易产生较大的张力波动，需要进一步滤波改进以获得更高的稳定性。
该张力信号在单片机接收之前必需通过模数转化变为数字信号。系统将采用ADC0832芯片完成张力模拟信号的模数转换。ADC0832是一款8位2通道的A/D转换器。ADC0832应用的连接图如下所示：
图5 MAX1247应用的连接图
通过AT89C52单片机的P1.0口产生脉冲，以实现ADC0823和单片机的数据通讯。通过模数转变后的数据通过P1.1口得到。
3.3 整体软件设计
软件采用前后台形式实现。主循环中通过表示旋转角度的变量count和表示张力的变量tension计算出电缆张力和缆长。Timer0中断服务程序中实现对电缆张力的测量，INT0中断服务程序中实现卷筒转动角度的计数。
4结束语
按本文所述的方法实现了绞车控制系统绞盘转动收放电缆、张力检测及电缆长度检测等绞车控制系统的基本功能，并具备一定的扩展性，可进一步设计绞车集中控制系统，将张力检测值、缆长检测值作为反馈值输入，以此为基础实现智能海洋绞车。
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论文作者:吴爽
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/21
标签：绞车论文; 电缆论文; 卷筒论文; 电机论文; 变频器论文; 导轮论文; 单片机论文; 《防护工程》2019年第6期论文;