一种锚机智能控制系统设计

周玉哲, 胡 屾, 张 恒, 李艳春

武汉船用机械有限责任公司, 武汉 430084)

0 引 言

锚机是船舶航行和靠泊所需的重要设备,在固定船位、减小船速,以及协助船舶掉头、靠离码头和紧急避险等方面具有重要作用[1]。当前常用的锚机电控系统的功能仍停留在简单的启泵和停泵上,其刹车系统和离合器等设备的操作均需人员在机旁手动完成,未实现自动化控制。在开展抛锚作业时,锚机操作人员需与驾驶室工作人员保持通话,以实时获取船舶吃水和水深等信息,由此估算锚链放出长度;在抛锚过程中,锚机操作人员需根据抛锚速度手动调整刹车首轮,对锚链轮进行动态制动,风险较高。因此,提升锚机的自动化水平,并让操作人员远离锚机,对于提升抛锚效率和降低抛锚风险而言具有重要意义。

2018年12月27日,工业和信息化部、交通运输部和国防科工局联合印发了《智能船舶发展行动计划(2019—2021年)》,要求不断拓展船舶及智能系统设备的应用范围,以技术发展为牵引,以市场需求为导向,统筹推进内河、沿海和远洋各类智能船舶的试点示范,将海洋工程装备和高技术船舶作为十大重点发展领域之一加快推进。这表明,在大数据时代背景下,智能制造已成为船舶制造和航运领域发展的重点,船用配套设备亟需通过数字化、网络化和智能化技术实现智能化升级[2-3]。

为改变传统的锚机控制方式,满足船舶对锚机智能控制功能的需求,通过将自动化控制与计算机网络等技术相结合,研发一种锚机智能控制系统,实现对锚机的智能操控和监测。

1 控制系统架构

锚机智能控制系统的基本架构见图1,大致分为数据管理层(包含机旁控制台触摸屏和驾驶室控制台触摸屏)、控制层(包含机舱控制单元、机旁控制台和驾驶室控制台)和数据采集层(包含执行机构、各种检测开关和传感器)等3层。这3层系统相互独立,下层设备向上层设备提供数据服务,同时接收并执行上层设备发出的控制指令。

图1 锚机智能控制系统的基本架构

1) 数据管理层主要包含机旁控制台触摸屏和驾驶室控制台触摸屏,机旁控制台和驾驶室控制台是锚机控制系统的人机交互功能组件,均配置有按钮、操控手柄和触摸屏,负责对锚机状态数据进行管理,以及对相关操作指令进行采集;

2) 控制层的主体为机舱控制单元柜,负责处理数据采集层采集到的底层状态数据和数据管理层发出的操作指令,并将最终的控制指令传输给数据采集层的各执行机构;

3) 数据采集层由位于底层的各类传感器和执行机构组成。

2 控制系统组成

从功能上看,锚机智能控制系统由动力驱动组件、控制功能组件、人机交互组件、监控组件和数据采集组件等5个组件组成,见图2。

图2 锚机智能控制系统组成

1) 动力驱动组件是控制系统的动力输出单元,由主泵启动器和伺服泵启动器组成,分别为锚机的主泵电机和伺服泵电机提供动力;

2) 控制功能组件为机舱控制单元柜,是控制系统的核心,其与驾驶室控制台和集控室控制台通过光纤进行以太网通信,并通过RS(Recommended Standard)总线或硬线采集各传感器的状态数据;

3) 人机交互组件包含驾驶室控制台和机旁控制台,是控制系统操作指令采集和状态显示的载体;

4) 监控组件包含1套CCTV(Closed Circuit Television)监控系统,主要用于监控锚机、止链器和锚链的状态;

5) 数据采集组件包含各类传感器和检测装置,用于监控各设备的状态和反馈各操作机构的动作。

3 硬件设计

3.1 动力驱动组件

主泵启动器为组合式启动器,配置有2套电机启停控制回路,启动方式均为星三角启动,为主泵站的2台132 kW电机提供启停功能;伺服启动器的启动方式为直接启动,驱动7.5 kW的伺服泵电机运转。各启动器中均配置有过载、断相的报警开关和电流变送器,用于对电机泵站电机的运行状态进行实时监测。

3.2 人机交互组件

机旁控制台和驾驶室控制台是锚机控制系统的操控中心和状态监控中心,采用模块化设计,可实现在机旁和驾驶室对锚机进行操控信息采集和状态监控,其中机旁控制台安装在艏部甲板面上,距离锚机较近,操控权限较大,可对控制位置进行切换,并对控制系统的主要控制参数进行标定。图3为机旁控制台实物图。

图3 机旁控制台实物图

机旁控制台采用立杆方式安装,带防护罩,防护等级为IP56,其基本配置如下:

1) 操作单元。控制台面板上布置有多个带灯按钮,分别用于实现对主泵和伺服泵电机的启停控制,对离合器、止链器和制动器等机构的独立操作,一键备锚、抛锚和收锚,以及对相关设备状态的指示等。控制台上配置有1个操作手柄,双向操作均可输出4～20 mA电流信号,手柄上带有2个微动开关,用于判断手柄的操作方向。面板上安装有1个权限切换旋钮,可对控制系统在机旁、驾驶室和岸基的操作权限进行切换。

2) 控制单元。机旁控制台内部配置有1套西门子1200系列可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC),用于实现对数据的采集和处理,中央处理器(Central Processing Unit, CPU)型号为6ES7 214-1HG40-0XB0,带有以太网通信端口,通过机舱控制单元柜内的交换机与机舱控制单元的PLC建立以太网通信;数字量输入/输出模块的型号为6ES7 223-1BL32-0XB0;模拟量输入模块的型号为6ES7 231-4HD32-0XB0。此外,机舱控制单元柜内配置有1个AC 220 V /DC 24 V的开关电源,为控制系统提供DC 24 V电源。机旁控制台PLC的硬件组态见图4。

图4 机旁控制台PLC的硬件组态

3) 显示单元。控制台面板上安装有1块北尔X2 Pro7触摸屏,触摸屏上配置有太网通信端口和RS485通信端口,通过机舱控制单元柜内的交换机与机舱控制单元的PLC建立以太网通信。

驾驶室控制台可实现对锚机的遥控操作,采用单立斜面式操作台,防护等级为IP44,见图5。驾驶室控制台没有权限切换功能,当将机旁控制台的权限旋钮切换至驾驶室时,驾驶室控制台获取操控权限。除了权限切换功能,驾驶室控制台的控制功能与机旁控制台一致。

图5 驾驶室控制台实物图

驾驶室控制台与机舱控制单元柜的通信距离约为300 m,驾驶室控制台内配有FL SWITCH SFNT 4TX/FX型交换机,带有8个TP RJ45端口和2个SC(Subscriber Connector)光纤通信端口,其中驾驶室触摸屏和船基智能集成平台均通过RJ45端口与驾驶室控制台的PLC建立以太网通信,驾驶室控制台的PLC与机舱控制单元的PLC通过SC光纤通信端口建立以太网通信。

3.3 控制功能组件

控制功能组件的主体为机舱控制单元柜,是锚机智能控制系统的控制核心,是实现锚机逻辑控制、安保和状态检测等功能的主体。机舱控制单元采集底层传感器和检测开关的状态信号,例如:采集泵站出口压力、油液清洁度、油液温度、电机电流和锚链轮转速等状态信号,用于对锚机的健康状态进行检测;采集离合器、制动器和止链器闸刀等动作机构的状态信号,用于反馈控制功能。机舱控制单元配置如下:

1) 控制单元。控制核心是一套西门子1200系列PLC,包含1个CPU模块6ES7 214-1HG40-0XB0、1个16路数字量输入/输出模块6ES7 223-1PL32-0XB0、1个8路数字量输入/输出模块6ES7 223-1PL32-0XB0、1个8路模拟量输入模块6ES7 231-4HF32-0XB0、1个8路热电阻输入模块6ES7 231-5PF32-0XB0和1个4路模拟量输出模块6ES7 232-4HD32-0XB0。机舱控制单元PLC的硬件组态见图6。

图6 机舱控制单元PLC的硬件组态

机舱控制单元柜内安装的交换机的型号与驾驶室控制台相同;机旁控制台PLC和触摸屏均通过RJ45端口与机舱控制单元PLC通信;SC端口用于实现机舱控制单元PLC和驾驶室PLC的远距离信号传输。系统网络拓扑见图7。

图7 系统网络拓扑

2) 动力单元。机舱控制单元柜距离机舱较远,为避免直流远距离传输出现压降,控制柜进线电源采用AC 220 V电源,通过在柜内安装1个QUINT4-PS/1AC/DC24 V电源模块为系统供电。由于柜内安装有多个模拟量输入输出模块,为避免信号因受到外部电磁的干扰而出现漂移,在柜内的电源进线处额外增加1台滤波器,降低外部电磁的干扰,增强柜内信号的稳定性。

3) 驱动单元。系统的控制对象主要包括遥控液压电机(收锚和放锚)、制动器油缸、离合器油缸、止链器闸刀油缸和止链器闸刀插销油缸等。电控柜内配置有不同的驱动器,分别驱动这些动作机构运行,其中:遥控液压电机驱动器由模拟量输出模块的0～10 V电压信号通过柜内的放大器驱动;制动器油缸行程的动态调整由比例阀控制,控制信号为4～20 mA电流信号;其他动作机构均为开关阀,由PLC通过继电器驱动。

3.4 监控功能组件

CCTV监控系统主要用于监控锚机、止链器和锚链的状态,确保在驾驶室和岸基遥控操作时能实时对锚机进行监控[4]。显示器和控制键盘均安装在驾驶室控制台的台面上,主机安装在驾驶室控制台柜内。CCTV监控系统通过光纤将视频信息远程传输给驾驶室,实现在驾驶室对锚机进行远程监控。

3.5 数据采集功能组件

系统配置有各类传感器和检测开关等数据采集装置,对锚机的运行数据、状态和报警信息进行实时采集,并以离散和模拟量的形式传输给机舱控制单元PLC。

1) 主泵站及伺服泵站液位开关、温度传感器和出口压力传感器分别采集主泵及伺服泵油箱的液位状态、油液温度和电机出口压力;

2) 主泵和伺服泵启动器内的过载、相序、电流变送器分别采集主泵和伺服泵启动器的过载报警、相序报警信息和电机实时电流;

3) 主泵电机出口处安装有1套油液水分及颗粒度检测传感器,用于检测主泵油液的清洁度;

4) 制动器接近开关、离合器接近开关、止链器闸刀接近开关和止链器插销接近开关分别用于检测制动器、离合器、止链器和止链器插销的工作状态;

5) 测速接近开关和转速编码器同时测算锚链轮转速和锚链放出长度,2套系统均为冗余测速系统,避免在一键智能抛锚时因测速装置发生故障而导致制动失控;

6) 止链器闸刀的销轴上安装有1台张力传感器,用于检测锚链的受力状态,当锚链受力过大时,提供拉力超限报警。

4 软件设计

智能锚机控制系统软件由PLC控制软件和触摸屏人机交互软件2部分组成,其中:PLC控制软件包含机舱控制单元柜控制软件、机旁控制台控制软件和驾驶室控制台控制软件,采用西门子Portal V13 SPI软件开发;触摸屏人机交互软件包含机旁控制台触摸屏软件和驾驶室控制台触摸屏软件,采用北尔IX/Developer 240 SP5软件平台开发。各控制站点PLC之间的通信为PROFINET S7通信,PLC与触摸屏之间的通信为PROFINET TCP(Transmission Control Protocol)通信。控制软件架构见图8。

图8 控制软件架构

机舱控制单元通过传感器和检测开关等设备读取锚机的运行数据和状态信息,识别并提取各监控对象的特征信号,将其作为评估锚机健康状态的输入参数,建立各监控对象的健康状态模型,基于该模型生成故障报警、故障诊断和故障设备维护维修方法[5],通过以太网通信发送给人机交互界面,触发对应的状态参数、故障预警和检修方案,提供给用户,见图9。同时,机舱控制单元PLC接收驾驶室和机旁控制台发送的操控指令,以及船基智能集成平台提供的船舶航速、水深和船舶吃水等信息,结合各执行机构的反馈信号,经内部逻辑处理之后,向各动作机构的油缸电磁阀、比例阀和电机启动器等输出控制信号,驱动各动作机构执行一键启锚、备锚和抛锚等动作。

图9 控制台触摸屏

5 试验验证

2021年在山东海运股份有限公司的21万吨级散货船“新时代”轮上对搭载智能控制系统的船用锚机进行了实船应用,在上海外高桥船厂码头对该智能锚机进行了设备调试和报验工作,并完成了海试。在海试过程中分别在锚地和82.5 m水深海域进行了起锚和抛锚功能试验,并在机旁和驾驶室进行了一键备锚、一键抛锚和一键起锚等功能测试。这些试验均通过了用户和中国船级社的验收,该锚机智能控制系统的性能得到了验证。2022年3月4日,“新时代”轮在上海外高桥船厂交付,目前该船处于商业运营中,其锚机运行状态良好。

6 结 语

本文在传统锚机采用的机旁控制方式的基础上,通过一系列智能化升级改造,使锚机控制系统具备了在机旁和驾驶室一键操控锚机的功能和对锚机的健康状态进行监测的功能,以自动化、数字化和精准化的信息系统集成操控模式替代了传统的人工手动操控模式,提升了锚泊作业的平稳性和安全性,以及锚泊设备的可维护性,改善了用户的使用体验。