海洋地震测量船的电缆绞车自动收放系统

1. 引言

电缆绞车是海洋地震测量船的重要生产工具，对同步排缆，同步收放缆要求较高，其控制系统的优劣直接影响测量船的海上作业。此次分析主要针对2台主电缆绞车，这2台绞车实现同步收放电缆及其自动排缆功能。

2. 控制系统概述

2.1. 绞车在测量船后甲板的布置（见图1）

图1

后甲板上电缆绞车主要有1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中1#-4#为主电缆绞车，5#、6#为辅助电缆绞车，1#与2#，3#与4#绞车为高低配置，当1#和3#电缆绞车收放电缆时，水平升降滚筒升起，靠1#和3#排缆器左右运行使信号电缆均匀排布在电缆绞车上。

同理2#和4#绞车在收放缆时，要通过2#和4#排缆器左右移动使信号电缆均匀排布在电缆绞车上。在正常作业时1#与3#，2#与4#绞车需要有同步收放缆同步排缆的功能，放出等长电缆。其他设备不在此次研究之内。

2.2. 系统构成

（1）电缆绞车的控制

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，所有的都是中间量程代表比例阀关闭。举例：0~12V比例阀，6V代表比例阀关闭，液压马达停止转动，6~12V液压马达正向旋转，0~6V液压马达反向旋转。关闭电控，直接扳动手柄也可以达到一样的效果。

电缆绞车带有手动的销子，比例阀都是有零点漂移的，当电缆绞车完成动作静止的时候，销子手动插上，所以不用考虑液压泄漏问题。比例阀的有效控制量程范围是3~9V（0~12V比例阀）和6~18V（24V比例阀）,所以PLC给定3V（或6V）对应比例阀开度为-100%，6V（或12V）对应比例阀开度为0%，9V（或18V）对应比例阀开度为+100%。

绞车上还装有旋转编码器，以测量电缆绞车的转速，根据电缆绞车的转速计算出收放缆的长度。

在液压马达上装有压力传感器，压力传感器的压力信号用来显示电缆绞车的转矩，当压力过大时系统减小比例阀开度，绞车速度减慢以减小电缆上承受的拉力。

（2）排缆器的控制

在排缆器上装有旋转编码器，测量出排缆器的位置，使排缆器按照需要的位置运行以达到均匀排缆。

2.3. 系统硬件构成

系统由SIEMENS的S7-400PLC控制，分别在后甲板左舷和右舷设置2个远程分站，分别控制左舷的绞车和排缆器，右舷绞车和排缆器,此外，还有机舱液压泵站，无线遥控器通讯站。

控制系统图如下图：

图2

3. 绞车同步、卷径计算及自动排缆分析

自动收放缆和自动排缆系统启动前需要在上位机上设定的参数：

1）电缆绞车直径及当前电缆长度；

2）人工查看并输入电缆层数和当前电缆所在位置是第几层第几根。将其与PLC按电缆长度计算确定的当前电缆位置和由电缆位置确定排缆器相应位置参数相比较。如果有误差，以人工判断为准，并将其重新写入排缆器的位置参数；

自动收放缆系统运行方案：

已知电缆绞车直径Dmin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直径的电缆排满一层的排数。m1=W/d1

在L1内，排满第一层后，卷取直径变为Dmin+2*d1,再排满一层再加2d1，多一层所增加电缆长度为△=pi*2*d1*m1

因此：

当收完L1长度时，计算出卷取直径dmax1。

当Cx大于L1时，排满这层的长度为：L1+（Cx-L1）*m2/m1，过渡到直径为d2的长度计算，此时的△=pi*2*d2，同理继续计算。

逐个计算出在L2，L3，L4,L5,L6处的卷取直径dmax2，dmax3，dmax4，dmax5，dmax6.

如果在中间某个时刻的卷取长度为Lset，计算此时绞车的卷取直径Dreal，判断Lset的区域并用线性化方法求得卷取直径。通过求得实时的直径Dreal，便能计算控制绞车的转速和实时的电缆卷取长度，这样达到同步控制的目的。

自动排缆系统运行设计方案：

方案简述：初始化过程中，设置好当前电缆长度Lset，通过程序判断处于哪段直径的电缆，可以得到排满这一层的电缆排数mi（1，2，3，4，5，6）。在初始化画面中选择好行走方向，这样每绕mi/N圈移动一次，每次移动距离为2/N米，遇到限位开关后向相反方向移动。

手动微调功能：在排缆器自动运行过程中，如果需要手动微调排缆器位置，则可以点一次向左或者向右的按钮，排缆器向左或者向右移动一次。

4. 系统的先进性

现有的绞车控制系统只有电动操作，没有同步收放缆和自动排缆的功能，经过此次的分析改造后的系统，收放缆的操作性能有大幅度的提高，大大提高了放缆的精确度，提高了地震波的采集精度。此控制系统也是一个良好的范例，今后可以在其他的海洋石油测量船上进行推广。