基于PLC与组态系统控制可升降全回转推进器设计.pdf

2 0 1 5年 8月 第4 4卷 第 8 期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e De s i g n a n d Ma n u f a c t u ri n g En g i n e e r i n g Aug ． 2 01 5 V o 1 ． 4 4 No ． 8 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 8 基 于 P L C与组态 系统控制可升降全 回转推进器设计 林浩 ， 潘品锋 1 ． 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山3 1 6 1 0 0 2 ． 扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山3 1 6 1 0 0 摘要 根据新加坡忠利信公司的P A R A G O N号自 航式浅海锡矿开采平台设计要求， 对原有螺旋推 进器 螺旋桨 进行改造， 设计 出一种新型的可升降全回转推进器。论述 了该装置的机械结构 、 电 液控制回路组成 ， 阐明远程 电气控制 的工作原理， 分析其 回转推进器的 实现过程及主要功能 ， 创 造性地设计 了一种新型的船舶推进器控制方法， 可实现 3 6 0 。 精确控制 、 推 力无级 变速、 桨叶吃水 深度调 节。实际生产中证 明， 该套推进 器及控制 系统操作稳 定， 能效高、 维修 便捷， 符合设计要 求。 关键词 全 回转推进器； 可编程序逻辑控制器； 伺服控制； 组态王 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 1 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 0 8 0 0 3 4 0 5 近年来 ， 随着船舶 自动化程度的不断提高 ， 全 回转推进器 以下简称舵桨 越来越受到推崇⋯ ， 其舵桨合一的机械性能大幅度提升了船舶行驶、 停 泊等的灵活性， 在大型船舶中表现得尤为突出。由 于其特殊的机械结构 ， 舵桨角度控制和转速调节具 有不同于以往传统船舶的控制流程， 各大造船厂所 采用 的控制方法大同小异。目前 ， 运用较多的机舱 内现场指令控制为人工传递 、 执行指令 ， 导致指令 执行存在时间滞后 ， 在一定程度上限制了舵桨的灵 活性 ， 也与舵桨设计的初衷相违背。 在对新加坡忠利信公司的浅海采矿平台推进 器进行改造 时， 设计了一种基于 P L C与组 态系统 控制的可升降全回转推进器。其主控设备安装在 距离 机 舱 1 5 0 m 处 的驾 驶 室 ， 使 用 型 号 为 台达 D V P一1 2 S S A 2的 P L C作 为控制数据处理模块 ， 将 以往的人工传递、 执行指令转化为数字通讯， 使用 组态触控型人机交互界面反馈指令执行结果 ， 进行 舵位角度 、 桨叶功率等的数据显示 ， 实现舵桨的数 字化控制。 1 机械结构 该推进器由桨叶传动机构、 回转机构和升降机 构 3部分组成。主机将动力传至液压系统 ， 再经液 压系统远程传至舵桨上齿轮箱 ， 通过上下齿轮箱和 连接轴等机械传动机构 带动桨叶旋转。整机通过 全 回转支撑轴承安装于船艉机舱内， 由伺服电机驱 动 回转轴承实现舵桨的全 回转。为 了调节桨叶吃 水深度和便于检测、 维修 ， 创新性地增加 了升降机 构， 舵桨整体可实现垂直方向l m范围内的升降及 9 0 。 范围内的水平旋转 ， 其结构示意图如图 1 所示。 1 ． 1 桨叶动 力 桨叶的液压执行机构为舵桨顶部的高速液压 马达 ， 上齿轮箱为双向输入 ， 液压马达可直立安装 ， 也可水平安装 ， 依据现场工况 自行选择。对液压马 达回路中液压站的泵组进行了特殊设计 改造原有 变量泵 ， 加装步进 电机实现液压泵变量调节 ， 通过 控制泵组的流量 ， 实现舵桨动力数字化控制。 1 ． 2回转机 构 舵桨整机安装于船尾机舱底部 ， 使用四点接触 式回转支承轴承， 其直径为 1 5 0 0 m m。回转轴承 为内圈滚齿的全 回转轴承 ， 伺服电机经两级行星减 速箱 ， 与全 回转轴承内齿啮合驱动舵桨 ， 每 台舵 桨 使用两台伺服电机驱动 ， 一 方面提高 电机 回转扭 矩， 另一方面消除回转回程误差。回转机构整体使 用 8 ． 8级高强度螺栓均布紧固在机舱底部。 1 ． 3 升降结构 在舵桨的左右两侧安装机体升降油缸 ， 配合油 缸行程开关测定舵桨的实时高度 ， 实现螺旋桨桨叶 收稿 日期 2 0 1 50 7 0 2 作者简介 林浩 1 9 7 9 一 ， 男 ， 浙江舟 山人 ， 浙江海洋学院硕士研究生 ， 主要研究方向为机械装备结构设计。 3 4 2 0 1 5年第 8期 林浩 基于 P L C与组态系统控制可升降全回转推进器设计 l 一上齿 轮箱 ； 2 一 I 轴 ⅣV； 3 一回转驱动电机； 4 一 主轴 吊瓦 ； 5 一立轴 回转支撑法兰 ； 6 一 立轴 箱体 ； 7 一 自润滑泵叶片 ； 8 一 Ⅱ轴 ； 9 一Ⅲ轴； l O 一桨叶； 1 l 一导流罩； 1 2 ～桨叶密封组件； 1 3 一下齿轮箱； 1 4 一轴 ； l 5 一箱体密封组件 图 1 整体部件装配示意 图 水平放 置 吃水深度数字化调 节。螺旋 桨吃水深度不同导致 对整船推力作用点产生差异 ， 这种差异在全船旋转 采矿时尤为明显 ， 该装置配合桨 叶检测控制机构 ， 实现舵桨推力作用点 的最佳位置调节。在需要维 护或者更换桨叶时， 将螺旋桨传动部分整体水平放 置 ， 就可 以在船艉 甲板上完成桨叶的维护及更换。 2 液压系统工作原理 可升降全回转推进器液压 系统 原理图如图 2 所示 ， 其工作原理是 液压马达 8驱动螺旋推进器 ， 电液换 向控制集成 阀 9 以下简称换 向阀 分别对 液压马达 8和升降维修油缸 1 O进行油路切换 ， 进 而控制螺旋推进器与升降油缸。桨 叶可实现 3 6 0 。 全向推进 ， 动力输出马达的换 向阀正常推进时只有 l 一吸油过滤器 ； 2 一 动力输入柴 油机 ； 3 伺服变 量泵 ； 4 一单 向阀 ； 5 一系统溢流阀 ； 6 一机 械油压表 ； 7 一压力 传感器 ； 8 一液压马达 驱 动螺旋桨 ； 9 一电液换向控制集成阀； l O 一升降维修油缸 带限位 传感器 ； 1 1 一 冷却 器； l 2 一维修油缸限位模块 ； 1 3 一油箱 图 2 液压 系统原理 图 马达正转 螺旋桨推进 和停止 2个工位。升降油 缸搭载油缸限位传感器 ， 实时监测舵桨高度和倾倒 角度。 螺旋桨液压 回路各部件的主要功能为 单 向阀 4防止油液倒流损坏变量泵 ， 溢流阀 4做系统背压 和安全值设定， 电液换向控制集成阀9为液压马达 8和升降维修油缸 l 0切换高压油路 。液压 回路的 主要功能部件为电液换 向控制集成阀 9 ， 该 阀为叠 装阀， 由先导式 电磁换 向阀和液动换 向阀组成 ， 先 导式 电磁换向阀可实现液流的方 向控制 ， 防止液动 冲击。该液压回路的主要创新点为阀块集成， 即在 单一回路 中将 电液换向阀、 单 回路溢流 阀、 机械油 表和电子压力传感器安装在同一阀块上 ， 进行集成 设计和集成管控 。升降油缸 回路设计为主回路 的 旁路， 升降油缸回路中的换向阀为现场手动控制， 可在驾驶 台对其进行实时监控 。 3 远程控 制系统构成 及工作原理 远程控制系统主要包括触控监测系统 、 舵桨控 制器 、 回转终端伺服驱动站、 泵站变量控制系统、 液 压控制 回路与监测系统 以及视频监控系统 。控制 中心与回转伺服驱动站终端通讯有效距离设计 为 3 0 0 m， 实际通讯距离最大为 1 5 0 m， 使用工业信号 屏蔽线进行有线连接 。 触控监测 系统是基于 L i n u x嵌入式系统平 台 设计的 B I O S b a s i c i n p u t ／ o u t p u t s y s t e m 系统 ， 通过 串行接 口与 P L C通信 ， 作为远程控制 系统 的基 础 输入 和监控 平 台。该触 控监 测系统 使用 组态 王 版本 k i n g v i e w 6 ． 5 5 进行系统研发， 在将 P L C处 理后的数据进行实时显示的同时对整套系统 中的 3 5 O l 2 3 4 5 2 0 1 5年第4 4卷 机械设计与制造工程 向， 1～ 4号舵桨用作船舶主推进器 ， 5台舵桨分别 由 5台舵桨控制器独立控制 ； 采矿时， 需要采矿平 台原地水平回转 ， 针对这 一问题 ， 设计出一种 5台 舵桨 5轴联动推进系统 ， 将船艏和船艉的 5台舵桨 统一控制 ， 由 P L C计算各个舵桨的舵位角度 ， 配合 D G P S系统实施位 置点实时修正。具体 实现方法 为 在组态系统中切换为多轴联动控制 ， 由 P L C控 制 5台舵桨各 自的回转角度及 5台推进器各 自的 油门大小。 4 ． 3油 门无级调 速控 制 油门无级调速系统包括液压变量泵站、 手柄编 码数值检测系统。传统的桨叶无级变速一般分为 执行马达 比例变速或变桨距变速 ， 存在机械机构较 为复杂 、 易损 、 维修成本高等问题 ； 运用 P L C比例 算法实现数字化控制的无级调速 ， 再配合全 回转技 术 ， 不再需要对 回路或者变量泵进行反转控制， 提 高了控制回路的可靠性。 5 结束语 本文分析了基于 P L C与组态控制可升降全 回 转推进器的机械 、 液压 、 电气控制系统组成及工作 原理 。对新加坡 忠利信公司的 P A R A G O N号锡矿 开采平台进行改进设计和实地跟踪考察 ， 实现了浅 海 自航开采平台的远程 自主控制 ， 使新型触控系统 在传统工程船舶上 的应用得 以实现。舵桨舵位的 控制方法 、 舵桨独立与联动控制系统 、 推进速度和 推力实现无级调节等技术， 推动了浅海矿产开采平 台的技术革新 ， 后续将在提高平台联动控制的精确 性上进行更深入的研究。 参考文献 [ 1 ] 蔡昊鹏， 苏玉民． 扭矩平衡式水下机器人推进器研究[ J ] ． 船 舶力学 ， 2 0 0 9， 1 3 2 4 O一 4 5 ． [ 2 ] 黄柱深 ， 黄超麟． 基于 P L C的高精度 温度 控制系统 [ J ] ． 机 电 工程技术， 2 0 0 6， 3 5 2 6 56 6 ． [ 3 ] 李 阳．利 用 P L C 的 多路监 控 系统 [ J ] ． 电气 传动 自动 化 ， 2 0 0 5 ， 2 7 2 5 7 5 8 ． [ 4 ] 金文兵．由组态软件、 智能仪表及 P L C等组成的工业控制系 统 [ J ] ． 电力 自动化设备 ， 2 0 0 5 ， 2 5 6 7 37 6 ． [ 5 ] 高钦和．可 编程逻 辑控制 器应用 技术 与设计 实例 [ M] ． 北 京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 4 ． De s i g n o f e l e v a t e d a l l d i r e c t i o n p r o pe l l e r ba s e d o i l PLC a n d c o n fig ur a t i o n s y s t e m LI N Ha o ， PAN Pi n f e n g 1 ． T h e S c h o o l o f S h i p a n d O c e a n E n g i n e e ri n g ， Z h e j i a n g O c e a n U n i v e r s i t y ， Z h e j i a n g Z h o u s h a n ， 3 1 6 1 0 0， C h i n a 2 ． V a n g f a n G r o u p C o ． ， L t d ， Z h e j i a n g Z h o u s h a n ， 3 1 6 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i ng t o t h e r e qu i r e me n t s o f s h a l l o w s e l f p r o p e l l e d t i n mi n i n g p l a tfo r m f r o m t h e S i n g a p o r e Ch a n - n e l Ma ri n e Re s o u r c e s L t d ．，i t p r e s e n t s t h e d e s i g n s o f a n e l e v a t e d alld i r e c t i o n e n g i n e e ri n gs h i p p r o p e l l e r b a s e d o n D E L T A P L C m o d e l o f D V P一1 2 S S A 2 a n d C o n f i g u r a t i o n r e mo t e c o n t r o l s y s t e m v e r s i o n o f k i n g v i e w 6 ． 5 5 ．F i r s t l y i t d e s i g n s a n d a n a l y z e s t h e m e c h a n i c a l s t r u c t u r e a n d e l e c t ri c h y d r a u l i c c o n t r o l c i r c u i t o f t h i s p r o p e l l e r e q u i p me n t ，a n d t h e n i l l u s t r a t e s t h e o p e r a t i o n a l p ri n c i p l e o f r e mo t e e l e c t ri c a l c o n t r o l ，d i s c u s s e s t h e i mp l e - m e n t a t i o n p r o c e s s a n d ma j o r f u n c t i o n o f t h e p r o p e l l e r ， s h o w s t h e d e t a i l a b o u t a n e wt y p e c o n t r o l m e t h o d o f s h i p p r o p e l l e r ．T h i s n e w p r o p e l l e r w i t h c o n t i n u o u s v a ri a b l e d ri v i n g f o r c e a n d l i ft i n g a d j u s t a b l e p a d d l e d r a u g h t c a n b e a c c u r a t e l y c o n t r o l l e d i n 3 6 0 d e g r e e s ．Th r o u g h a c t u a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e n e w pr o p e l l e r s y s t e m c a n r e a c h t he d e s i g n i n g r e q u i r e me n t ，a n d ha v e s o me p o t e nt i a l a d v a n t a g e s s u c h a s s t a b l e r un n i n g，h i g h e n e r g y e f f i c i e n c y a n d e a s y t o ma i n t e n a n c e ． Ke y wo r d s a l l d i r e c t i o n p r o p e l l e r ；P L C；s e r v o c o n t r o l ；k i n g v i e w 3 8