同步位置纠偏控制 船舶下水斜架车同步平衡控制系统

1.1 现场概述

　　船舶下水是造船过程中一个重要阶段的转换,亦是一个标志性阶段。它的前一阶段在陆地上的船台或水中船坞施工，当船舶建造工程大部分完工之后，将船舶从建造区移至水域区即为下水。下水意味着船舶建造已完成了关键性工作，下水前的船舶舾装完工量往往可达70％～80％，甚至超过95％。按船舶下水原理可分为：重力式下水、漂浮式下水、机械化下水和气囊式下水四大类。

A. 重力式下水是船舶在本身重力的作用下，从船台上沿滑道逐渐向水中移动使船浮起的方法。重力式下水又分纵向涂油滑道下水、纵向钢珠滑道下水和横向涂油滑道下水三种。

B. 漂浮式下水用水泵或自流方式把水注入造船的水池里依靠船舶自身的浮力将船浮起的下水方式。一般为造船坞下水。

C. 机械化下水利用卷扬机或其他装备将船舶从建造平台送入水中。

D. 气囊式下水利用高压充气橡胶气囊承担船舶自重，通过气囊的滚动变形及船舶自重结合平台坡度使船舶顺利下水。

　　船舶的上墩、下水设备与设施反映了一个船厂的生产能力，也决定了船厂所能建造船舶的等级大小、重量、长度及船型。因此上墩和下水设备、设施被称之为船厂的咽喉。随着船舶吨位的提高，不是简单地增加卷扬机、斜架车数量和提高能力的问题，而是卷扬机群的同步协调问题。梳式滑道电力拖动卷扬机群的同步与否直接影响到相关工业生产的安全，并且随着卷扬机拖力的提高和卷扬机数量的增加，对卷扬机同步性的要求越来越重要。由于多台卷扬机同时作业存在不同步问题而使船舶偏斜，影响船舶上下坡安全。

　　为确保船厂承接的大型船舶安全顺利下水，改变传统的梳式滑道只适用于中小型船舶上下坡的观念，充分发挥梳式滑道船厂的船台可灵活布置的优点，实现同时修造多条船舶，缩短修、造船周期，我们采用国际先进的船舶下水斜架车同步平衡控制系统，该系统关键是选用合适的位置检测传感器-刻度标尺精确定位系统。

1.2 目前采用的定位方式

　　目前斜架车位置检测采用的大多是光电编码器装置（光码盘）、激光位移传感器、GNSS位置检测，具体表现如下：

1) 光电编码器装置，整套装置安装在驱动电机前部的一个金属壳体内，由盘状齿轮与卷扬机齿条啮合，通过驱动轴驱动编码器。盘状齿轮的圆周与卷扬机驱动小齿轮的圆周相同。编码器由传动齿轮自下而上通过减速机、联轴节驱动，实现卷扬机的位置检测,由于钢丝绳存在扰度，故长距离检测会存在比较大误差，相对定位的机械接触工作方式；

2) 激光位移传感器在不洁净环境会失去作用，轨道沉降导致车辆走行抖动会使反光板靶位不准，亦会导致位置检测不准，致命的是水下部分检测不到；

3) GNSS位置检测是利用GPS，北斗卫星定位，是相对定位，受天气环境影响大，致命的是水下部分检测不到。

　　这三种传感器在检测位置时多数为机械式、灵敏度低、寿命短、故障率高、可靠性低，操作繁锁，而且存在溜放环节(即失控区)，致使半自动操作难以可靠稳定运行。由于斜架车是较大的设备，其惯性较大，在启动和停止时也是硬性的，所以在工作过程中会产生很大的撞击和震动，噪音污染严重，严重影响其安全性和有关零部件的寿命，易于损坏设备，由此设备精确位置控制显得尤为重要。

1.3 本系统采用的定位技术

　　本系统采用在梳式滑道上加装刻度标尺精确定位系统的检测技术，实现斜架车的位置精确检测。刻度标尺检测到的斜架车位置精度高，信号稳定可靠。在车辆状态良好的情况下，采用下船系统全联机自动运行方式，即只要满足启始条件，按下自动启动按钮，系统将全部自动运行，操作人员只起监控作用，当发生机械故障或意外情况时，按自动停止或急停按钮，解除自动程控操作。

1.4 本系统采用的同步控制方式

　　目前大多数船厂采用人工观测，每台卷扬机旁设一操作工，通过对讲机、吹口哨、旗帜等方式来沟通执行操作，下放斜架车。这种传统原始的方法势必造成监测的精度不够和调控措施的滞后，且受人为因素影响较大，对于大型船舶下水如果每个斜架车下移速度不同步，又无法及时调整，很容易导致船舶下水过程中斜架车的脱轨，影响船舶下水的质量。因此，为了保证大型船舶下水的安全可靠，必须对系统进行即时监测和自动控制，确保船舶下水时移动的同步性，最大限度的保证船舶的下水安全。本系统采用变频器和PLC程控系统。根据船体形状，每次升船（或放船）作业可指定任意台斜架车联合运行；在升船（或放船）运行过程中，要求船体的水平偏移度不超出允许范围；各种设备按要求进行同步动作，可实现远程操作、全程工作记录、监控、过载保护、自锁、互锁、互控启动，时间延迟及动作程序，并可进行远程、手动和自动功能切换，具有防止误操作功能。整个系统具有自动化程度高，同步纠偏控制，操作简单、可靠，节省劳动力特点。

第2章 刻度标尺精确定位系统

2.1 刻度标尺系统简单说明

　　刻度标尺精确定位系统包括一台地面电气柜（含刻度分析仪等）、一台车载电气柜（含刻度生成仪等）、刻度标尺以及游尺指针等。其中刻度标尺是由扁平状的PVC合成材质外壳材料和内部按照格雷码规律编制的芯线构成，类似一把有刻度的标尺，一般安装在沿斜架车运行轨道单侧边，或者沿运行轨迹铺设在地面上，亦或安装在轨道旁的栅栏立柱上均可，需要检测多长的位移就铺设多长的刻度标尺；游尺指针安装在斜架车上，用于识别本斜架车所在的位置。游尺指针相对刻度标尺平行非接触移动，游尺指针指向的刻度即是当前位置值，可以在车上或地上得到位移量，无需初始参考点，定位精度5毫米，分辨率2毫米；可以断续或连续检测，尤其适用于轨道不平整的大车或环形运动机械位移检测。防水、防油、防尘、耐酸碱，适用于冶金、矿山、水利、港口码头堆场、仓储、化工等条件比较恶劣的环境。

2.2 刻度标尺系统原理

　　刻度标尺精确定位系统采用电磁感应原理来检测移动设备的位移量，当游尺指针线圈中通入交变电流时，在游尺指针附近会产生交变磁场。刻度标尺近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中,每对刻度标尺芯线会产生感应电动势。刻度生成仪信号通过电磁耦合方式传送到刻度标尺的感应环线上。刻度分析仪对接收到的信号进行相位比较。交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，地址为“0”；交叉线的信号相位与平行线的信号相位相反，地址为“1”，这样感应的地址信息是格雷码排列，由此确定游尺指针在刻度标尺长度方向上的位置。

2.3 刻度标尺技术指标

* 斜架车地址测量精度：≤5mm，分辨率：2毫米，测量范围：任意定制；

* 工作环境温度：系统工作温度：-20℃—+70℃，

　　　　　刻度标尺工作温度：不加防护套：-40℃—+85℃，

　　　　　　　　　加防火套：-40℃—600℃，高温时耐热时间约80秒；

* 非接触间隙：150mm±50mm(根据需要可达500毫米)，左右偏摆容差：±50mm；

* 重量：刻度标尺重量：1.5Kg/m，外形尺寸：100mm×10mm×长度；

　　　　游尺指针重量：≤2.5Kg，外形尺寸：400mm×400mm×30mm（特殊可定制）；

* 通信误码率：＜10-7；

* 刷新速度：20HZ；

* 适应速度：≤350M/min；

* 标准信号输出：RS232/RS485，可扩展其它信号；

* 信号传输距离：≤1200米（485信号输出）；

* 刻度标尺和游尺指针防护等级：普通IP67，最高IP69（水下工作）；

* 输入电源：220VAC±10%；

* 耗电：地面电气柜<100w车载电气柜<100w。

2.4 刻度标尺功能特点

　　系统中的刻度生成仪（兼函数信号发生）按一定的周期发出地址载波信号，经游尺指针发射至刻度标尺，地面站的刻度分析仪接收到信号后，解码还原出斜架车所处刻度标尺处的绝对地址，经控制器处理后由RS232或者RS485输出。

* 无磨损的非接触式位置检测，使用寿命长；

* 可以断续或连续检测，测距长达2公里，位移检测长度可以根据需要定制；

* 耐污染能力超强，可用在水下、防蒸汽、耐酸碱；

* 安装简单更换方便（无需改变现场环境），免维护；

* 高稳定性、高可靠性、多种信号输出方式选择；

* 具有反向极性保护功能、防雷击、防射频干扰、防静电；

* 无需参考点的位移量绝对型输出，不怕掉电；

* 位置的取样时间和测量长度没有关系；

* 可以用在环形运动机械位置检测。

* 刻度标尺可以埋在水泥地面内，方便安装和防护，不影响作业环境。

2.5 刻度标尺单套设备结构图（一维检测）

1) 车载子系统：由游尺指针、车载电气柜（内含刻度生成仪、开关电源等）。

2) 地面子系统：由地面电气柜组成（内含刻度分析仪、开关电源、网关、标尺引线转换器等）。

3) 刻度标尺子系统：由专用刻度标尺、CN箱、EN箱、普通电缆以及各种用于刻度标尺安装、固定、防护机构组成。

图示2：一维检测系统结构示意图

第3章 电控同步平衡系统

　　卷扬机电机可采用三相异步电动机。卷扬机控制系统采用交流全变频调速，系统能在允许最大牵引力范围内，对斜架车进行自动或手动的同步调整，以确保斜架车能平稳的上、下平行移动。12台卷扬机可以联动或单台工作，也可任意选定其中的几台电机进行联动工作。

3.1 上拉下放控制 

（1） 卷扬机构闭环控制的速度反馈采用刻度标尺精确定位系统。PLC与变频器通过总线实现通讯控制，PLC实时读取变频器的数据，并通过输入给PLC的主令控制器信号控制变频器的频率及电动机的转速。设备启动时，保证必须的起动转矩又不会对电网进行大的冲击，起动电流应控制在可以接受的数值内。

（2） 变频器前设置线路电抗器。

（3） 系统支持电气和机械制动，在停机时采用电气制动方式，提供可控的和平滑的制动性能，在电机降到零速之后，立即施加机械制动，在任何失电情况下，均应立即施加机械制动。卷扬机构机械制动采用电液推动制动器，变频器具有完整的抱闸逻辑功能，合理控制刹车的开闭时间，减少抱闸开闭时的振动及磨损，使起停更平稳。

（4） 斜架车下降过程中，负载的位能将通过制动电阻发热的形式消耗掉，因此每套变频柜都配有适当功率的制动电阻。

（5） 在每台卷扬机的适当位置安装一个旋转式限位开关。当斜架车上升到接近上限位置时，该限位开关发出指令，降低斜架车的运行速度（无论指令控制器在何档位），当斜架车到达上限位置时，系统发出停止斜架车运行的指令，斜架车下降时同样设置降速和停止二点位置开关。在各条轨道的最上面另安装一限位开关，作为最后的终端保护。同时卷扬机应设置有过载保护装置，当监测到钢丝绳拉力超过额定负载时应自动停车。

（6） 卷扬机构的电气保护有短路及过电流保护、过载保护、失压及零位保护，当变频器出现故障信号时，必须通过操作台的复位按钮进行复位。

3.2 同步位置控制

（1） 在多台卷扬机同时作业情况下，由于多种原因可能存在卷扬机不同步而导致下水船舶发生偏斜，将影响船舶下水过程的安全。控制系统具有监视各斜架车的位置的设备，结合变频调速和PLC控制。实现船舶在下水过程中船舶舯轴线与滑道零轴线之间的连续绝对位置偏斜检测和控制。多台电机联动时主给定为速度给定，即速度给定力矩限制的方式。起升信号和速度由同一开关给定，各个提升机构同时提升。PLC通过总线实时监视各个变频器的电流、电压、力矩等数据。

（2） 对于船舶上、下水时，所用斜架车同步控制系统最终要求达到其中任意两台斜架车所带位置传感系统在斜坡道上的行程位置范围内全程实现同步控制后的相对位移差最大不超过350mm。任意相邻两台斜架车相对位移差最大不超过140mm。当相对位移小于100mm同步控制系统不发出控制指令，当相对位移大于140mm小于250mm时，同步控制系统发送指令到相应变频器，调整各电机的速度，实现自动同步、相差值大于250mm时同步控制程序发送指令到相应变频器，调整各电机速度同时整个系统的速度下降到比较低的速度，以防止相差值进一步扩大，并发出预报警信号。当系统调整到相对位移小于100mm时，系统停止调整。当相差值大于500mm时，系统自动停车并报警。运行过程中同时对力矩进行监视，当某台电机的力矩大于人为设定的限制力矩时，控制系统对相应的电机发出指令调整其力矩或速度。当电机力矩大于危险力矩或力矩过小，控制系统报警并停机，此时需操作人员根据触摸屏上的提示进行手动调整。故障排除后系统可自动复位。以上设定的斜架车不同步参数数值和力矩参数数值均可按照今后调试和试用情况任意调整。

3.3 工控机、PLC控制及故障监控系统

（1） 控制系统采用手动、联动、自动等控制方式，自动控制方式采用工控机+触摸屏二级控制操作系统，并预留远程操作接口。

（2） 由工控机、PLC、变频器、同步控制设备、负荷保护装置、各主令控制设备等组成PLC控制的全变频调速系统。主令控制器功能选择开关，变频器内各电器参数、各保护系统的有关数据、各限位开关等信号直送PLC，PLC根据预编程序，将各种指令送各执行机构及调速器，决定各运行机构的速度大小，并对其进行控制调节。各信息的传递都由现场总线完成。

（3） 故障监控系统由PLC和操作室内的触摸屏组成友好的人机界面，通过现场总线直接从PLC中读取数据，实现信息共享，用图形和文字实时显示故障的位置及简单的处理方法，监控各主要电器元件运行或停止的状态，变频器运行参数、各机构位置及流程数据等。可实时监控斜架车整机运行情况及各斜架车的状态，自动生成运行参数的报表并具有故障记录、历史数据查询等功能。

3.4 手动操作

* 手动操作通过主令控制器进行。对位、归位和自动运行按钮无效；?

* 手动操作分两种状态，PLC 参与或不参与。两种状态根据 PLC 是否正常运行自动切换。前者常用于自动运行时对某个斜架车进行人工调整， 而后者常用于 PLC故障时的临时运行。当 PLC故障（或被切除）时，安装在第 12台变频器上的内部控制卡将自动接管CanOpen网，代替 PLC进行全部变频器的运行监测，确保作业安全。PLC和内部控制卡的切换只能在斜架车未运行时进行；

* 手动操作时，斜架车的运行速度由主令控制器给出。空载时，可以进入弱磁速度（空载高速运行），带载后，PLC或内部扩展卡将禁止所有斜架车的弱磁速度运行（通过逻辑量输出端子和继电器屏蔽弱磁给定信号）如果变频器通讯故障被旁路旋钮屏蔽，PLC或内部扩展卡将不参与运行监测。这时手动操作仍可进行，但弱磁速度被彻底禁止（无论斜架车是否带载），下面介绍的起动速度限幅、力矩监控、极限位置整体减速和停车等功能均无法实现，操作员必须特别关注系统运行的安全性；

* 无论 PLC是否参与，变频器将始终投入；

* 如果PLC参与， 斜架车位置检测系统将用于屏幕上的斜架车位置显示； 如果PLC不参与，位置检测系统将不起作用；

* 参与作业的斜架车选择：通过“手动斜架车选择开关”选择需要参与作业的斜架车，被选中的斜架车对应指示灯亮。典型地，可以选中全部 12台斜架车提放大型船只，也可以只选中 1台斜架车用于运送工具或材料；

* 斜架车初始位置的对齐方式：?

* 下放作业： 可以通过主令控制器给出全体上升命令， 选中的斜架车以指定速度上升，分别在上升减速位置自动减速，在停止位置（工艺位置）自动停止；

* 提升作业：下放斜架车到达大致位置后，对每台斜架车单独调整，使其到达工艺要求的实际位置；

* 起动速度限幅：斜架车的运行速度完全由主令控制器的档位决定，但带载时，斜架车的运行速度在运行初期将被短时间限幅， 斜架车的速度和位置将在此时间段里得到初步平衡。同时，带载时弱磁速度被禁止；

* 极限位置整体减速和停车：斜架车的减速和停止由操作员控制。但任一台斜架车到达旋转限位开关的上下减速位置时都将引起全部斜架车减速并触发报警信号； 任一台斜架车到达旋转限位开关的上下停止位置时都将引起全部斜架车紧急停止并触发报警信号；

* 力矩监测：手动操作时，各斜架车的力矩仍然受到 PLC或内部控制卡的监测。力矩大于警戒值或小于极限值将产生报警信号，但系统不会自行停止斜架车的运行；

* 速度监测：手动运行时，全部斜架车的给定速度是相同的，一旦出现不同将视为故障。手动操作时如果需要纠偏，只能停止全部斜架车运行后再对某些斜架车进行单动调整；

3.5  自动运行

* 自动运行通过对位、归位和自动运行按钮操作，主令控制器无效；

* 参与作业的斜架车选择：通过触摸屏选择需要参与作业的斜架车，被选中的斜架车对应指示灯亮。典型地，可以选中全部12台斜架车提放大型船只，也可以只选中1台斜架车用于运送工具或材料。手动斜架车选择开关无效；?

* 系统存在通讯故障时不允许进行自动运行，通讯故障旁路旋钮无效；

* 斜架车的对位：按下对位按钮，选中的斜架车以弱磁速度上升，分别在上升减速位置自动减速，在停止位置（工艺位置）自动停止。PLC记录这时的斜架车实际位置，以此作为各斜架车的原点。要求每次作业前进行一次对位，以消除原点位置偏差。对位操作只允许在空载时进行，如果带载，系统将报故障；

* 斜架车的归位： 斜架车的起始位置在触摸显示屏设置， 系统会自动计算相应的减速位置。按下归位按钮可以使全部斜架车以弱磁速度进入起始位置。 归位操作只允许在空载时进行，如果带载，系统将报故障；

* 斜架车的运行：按下自动运行按钮后，系统进入自动运行状态；

* 运行终点位置在触摸显示屏设置，系统自动计算相应的减速位置；

* 自动运行指示灯亮，各斜架车的起始给定速度为调整速度，各斜架车的实际给定速度和位置根据现场情况通过斜架车的滚轮和滑差特性（力矩均衡功能）进行前期调整；

* 初步调整后，斜架车的基准给定速度上升到额定运行速度，各斜架车的实际给定速度为基准给定速度加减前期调整时获得的调整值；

* 在升速过程中，系统根据实际负载和最高带载速度限幅计算出允许的最高运行速度；

* 在额定运行速度稳定运行后，系统继续升速到最高运行速度运行；

* 在运行全过程，系统根据各斜架车的位置偏差不断进行纠偏处理；

* 任一台斜架车到达减速位置后，全部斜架车的基准速度给定减速至就位速度；

* 任一台斜架车到达终点位置后，全部斜架车停止运行，一次作业完成。如有必要，可对部分斜架车进行手动位置调节；

* 在运行过程中，如果按下暂停按钮，斜架车将通过减速斜坡停止运行，自动运行指示灯闪亮。再次按下自动运行按钮后可恢复自动运行；

* 在运行暂停时切换到 PLC参与监测的手动操作， 返回自动运行后可通过自动运行按钮恢复上次运行。按下归位、对位按钮，或再次按下暂停按钮时，本次自动运行过程结束，自动运行指示灯熄灭。

第4章 系统实现功能特点

* 斜架车非接触绝对实时位置检测；

* 同步位置纠偏控制；

* 可指定任意台斜架车联合运行；

* 可实现远程操作、全程工作记录、监控、过载保护、自锁、互锁、互控启动；

* 可进行远程、手动和自动功能切换，具有防止误操作功能；

* 可大大提高船舶上下水的管理水平，在控制台上就可实时监控船体上下水的现场情况；

* 可自动控制卷扬机负荷的运行速度，能及时调整卷扬机钢丝绳的长度；

* 可以调整整个船体的平衡水平，确保各类船体安全、可靠、平稳地上下水；

* 可在水下长期稳定运行；

* 操作简单、可靠，节省劳动力特点。

第5章 系统应用领域

　　船舶下水斜架车同步平衡控制系统主要用于梳式滑道机械化船舶下水控制，修船厂上排装置。

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