主动波浪补偿起重机控制系统设计.pdf
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1、09第37 卷第1期交流中国修船主动波浪补偿起重机控制系统设计肖开明1,殷华兵,霍小剑,蔡连财(1.武汉船用机械有限责任公司,湖北武汉430084;2.中远海运特种运输股份有限公司,广东广州510623)摘要:为实现用于船一船并靠补给起重机的主动波浪补偿功能,文章提出了一种基于双船动态姿态测量的控制方法,并根据该方法设计了控制系统应用于50 t主动波浪补偿起重机。经过工厂试验和海事试验验证,起重机的补偿精度达到了9 5%。关键词:并靠补给;起重机;主动波浪补偿中图分类号:U672文献标志码:Adoi:10.13352/j.issn.1001-8328.2024.01.003Abstract:I
2、n order to realize the active heave compensation function of cranes for side-by-side replenishmentof two ships,this article proposes a control method based on dynamic attitude measurement of the two ships.It alsodesigns a control system based on this method for a 50 t active heave compensation crane
3、.After the factory test andmarine test,the compensation accuracy of the crane reached 95%.Key words:side-by-side replenishment;crane;active heave compensation并靠补给广泛用于军、民船舶在海上的物资补给,并靠补给时母船和被补给船通过锁链和缓冲垫连接起来!,通过补给起重机将母船的集装箱等设备转运到被补给船。由于两船不是刚性连接,且船的排水量和重心等差异,导致两船受海浪影响有较大的相对升沉运动,造成在补给过程中起重机所吊货物与被补给船甲板面撞击
4、,对于精密货物和危险货物的补给造成重大安全隐患,主动波浪补偿系统是消除这些安全隐患的主要有效途径。波浪补偿系统按照补偿维度分为单自由度补偿和多自由度补偿,多自由度补偿系统主要用于小吨位载荷的补偿栈桥、打捞机械手等设备,对于大吨位补给设备主要配备单自由度补偿系统,包含用于横向补给设备上的横向补偿和用于并靠补给、深海作业起重机上的升沉补偿;波浪补偿按照原理分为主动波浪补偿和被动波浪补偿,主动波浪补偿用于位置的精准控制,补偿精度较高,可达9 5%,而被动波浪补偿用于保证钢丝绳上的恒张力;波浪补偿系统按照驱动形式又分为直线机构补偿和旋转机构补偿2 ,直线机构补偿与主驱动绞车相对独立,利于加装,而旋转机
5、构补偿由主驱动绞车实现补偿功能,节约安装空间。波浪补偿系统分类如图1所示。维度方向原理驱动形式升沉补偿被动补偿旋转机构单自由度补偿横向补偿主动补偿直线机构波浪补偿系统串联机构主动补偿多自由度补偿并联机构主动补偿图1波浪补偿系统分类作者简介:肖开明(19 8 3-),男,江西赣州人,高级工程师,硕士,主要从事船舶电气技术工作。102024年2中国修船技术交流本文运用并靠补给主动波浪补偿起重机控制系统完成了厂内联合调试和海试验证,实现了国内首套主动波浪补偿系统的实船应用,并经中国船级社认证。并靠补给工作示意图如图2 所示。补给物刃(集装箱)被补给船母船补给起重机图2并靠补给工作示意图1起重机参数及
6、组成起重机配置主钩和副钩,主钩额定载荷50 t,额定起升速度2 5m/min;副钩额定载荷5t,额定起升速度50 m/min,具备载人功能;起重机采用折臂式结构,工作幅度8 35m,主臂变幅时间130 s,折臂变幅时间10 0 s;起重机能够36 0 全回转,回转速度0.6 r/min。主钩具备主动升沉波浪补偿功能,能够在四级海况下正常工作,补偿模式时额定载荷2 0 t,补偿浪高1.6 m,周期10 s,起吊速度10 m/min,补偿精度要求达到9 0%。起重机由主臂及驱动油缸、折臂及驱动油缸、塔身、转台、基柱、主起升机构、副起升机构、回转机构、稳锁机构、司机室、电控系统、液压系统等组成,起重
7、机结构示意图如图3所示。主起升机构塔身副起升机构主臂折臂主臂油缸折臂油缸司机室液压系统稳锁机构转台回转机构电控系统基柱图3起重机结构示意图2主动波浪补偿工作原理本文采用绞车式主动波浪补偿(升沉方向),主动波浪补偿控制原理如图4所示。双船动态测量单元根据布置的传感器,计算吊点处两船之间的相对升程运动位移和速度,将数据传输给绞车控制单元,绞车控制单元进行闭环控制,输出信号给绞车驱动元件,控制绞车补偿吊点的相对位移。为了降低装机功率和提高系统响应,采用二次驱动元件。二次驱动元件响应高,转速从0 加速到额定速度2 0 0 0 r/min的时间为6 0 ms,能够满足系统高响应的要求;同时在运行过程中,
8、利用货物在下放时二次驱动元件在泵工况工作,通过蓄能器和气瓶实现能量回收和再利用3,降低系统装机功率。绞车减速机钢丝绳二次驱动元件驱动元件阀绞车控制单元驱动信号蓄能器吊点运动曲线双船动态测量单元高压Z低压泵站单元油箱图4主动波浪补偿控制原理11第37 卷第1期肖开明,等:主动波浪补偿起重机控制系统设计交流3主动波浪补偿控制系统设计主动波浪补偿控制系统由双船动态姿态测量单元和绞车控制单元组成,分别承担测量和控制作用。3.1双船动态姿态测量单元双船动态姿态测量单元由被补给船运动参考单元(MRU)和MRU控制箱、母船MRU和MRU控制箱、起重机回转编码器、起重机主臂和折臂编码器、两船通讯单元组成,双船
9、动态姿态测量单元组成如图5所示。图5中profinet为profibus国际组织推出的基于以太网技术的自动化总线标准,具有安全、低延时的特征,特别适用于工业控制;MRU和MRU控制箱采用UDP(U s e r D a r g r a m Pr o t o-col)通讯协议,即用户数据报协议,是一种跨互联网使用的通讯协议,常用于对时间敏感的系统通讯。母船回转主臂折臂触摸屏编码器编码器编码器profinetprofinetUDP通讯单元母船MRU母船MRU控制箱无线通讯被补给船profinetUDP通讯单元被补给船MRU被补给船MRU控制箱图5双船动态姿态测量单元组成MRU是一种基于惯性技术的捷联
10、式载体姿态测量装置,能为载体提供水平姿态信息4,是捷联式惯性传感器的特殊应用。其与应用在导航系统中的捷联式惯性传感器不同点在于其不仅能够测量船倾角度及角速度,而且内含船舶升沉数字滤波器,滤波器采用卡尔曼滤波等算法,能够实时准确测量输出船舶MRU安装点处升沉位移、速度。在本系统中,为准确测量出目标点的升沉运动,建立以MRU安装点为原点的坐标系如图6 所示Y纵倾方向:翘起为正MRU横倾方向:右倾为正崩摇方向:往X:方向Y:右航方向右舫旋转为正Z:向下方向Z图6以MRU安装点为原点的坐标系设与船体连接的结构件某位置相对于MRU安装点的坐标为(X,Y,Z),则此位置升沉位移d和升沉速度?计算如下:d=
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