可編程控制器在船舶減搖鰭隨動系統(tǒng)中應(yīng)用

減搖鰭是最為行之有效的一種主動式船舶減搖裝置，它的減搖效率高，經(jīng)過60多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種船舶中。它的減搖原理是：船舶在水中行駛過程中，當(dāng)鰭在水中有一個速度和傾斜角的時候，就會產(chǎn)生一個升力，利用此升力產(chǎn)生的力矩來抵抗海浪的干擾力矩，便可達(dá)到減小船舶橫搖的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，減搖鰭系統(tǒng)正在逐步完善，減搖效果也在不斷提高。

近年來，在工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制領(lǐng)域中，正普遍利用一種新型控制設(shè)備--可編程控制器(PLC)。目前的PLC正在向著精度更高、功能更多、使用更方便的方向發(fā)展。從PLC的發(fā)展趨勢來看，PLC控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。將其引入減搖鰭控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)字化控制，將進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

1 減搖鰭隨動系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

減搖鰭的隨動系統(tǒng)連接來自控制系統(tǒng)的控制信號，是轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)的中間轉(zhuǎn)換和功率放大環(huán)節(jié)。改造前，每個隨動系統(tǒng)由±15V穩(wěn)壓電源板DYCJ、綜合放大板SKCJ、操縱轉(zhuǎn)換板SCCJ、液壓控制系統(tǒng)以用轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)、反饋、限位元件等組成。隨動系統(tǒng)應(yīng)盡可能"快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定"地工作。目前，大多數(shù)減搖鰭的隨動系統(tǒng)都是"電-液隨動系統(tǒng)"。本系統(tǒng)以NJ4型減搖鰭的閥控式電液隨動系統(tǒng)為原型，對其做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

原有隨動系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。首先將來自控制器的信號送到綜合放大電路板SKCJ(該插件板能對控制信號進(jìn)行隔離)，與升力反饋信號進(jìn)行代數(shù)求和、校正、放大，然后再與鰭角反饋信號進(jìn)行二次代數(shù)求和、校正、放大，接著送到鰭機械組合體上的射流管電液伺服閥，進(jìn)行電-液信號轉(zhuǎn)換。電液伺服閥根據(jù)SKCJ板輸出信號的大小和極性調(diào)節(jié)來自油源機組的液壓油的流量和流向，使液壓缸的活塞速度和運動方向發(fā)生變化，帶動鰭機械組合體上的搖臂轉(zhuǎn)動，使鰭轉(zhuǎn)動到一定的角度產(chǎn)生相應(yīng)的對抗力矩。

改造后，以上各功能完全由PLC實現(xiàn)，原有隨動系統(tǒng)中的各電源、插件板也將由PLC各模塊取代。

2 隨動系統(tǒng)的改造

2.1 減搖鰭隨動系統(tǒng)的改造設(shè)計

PLC隨動系統(tǒng)接收來自控制器的控制信號，經(jīng)過處理后傳遞給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動減搖鰭移動到指定位置，同時將輸出信號反饋回PLC，構(gòu)成控制回路。系統(tǒng)改造后的原理如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)中PLC的選擇

由于船舶航行在環(huán)境瞬息萬變的海面上，工作環(huán)境非常惡劣，比如機艙內(nèi)的溫度能夠達(dá)到55℃，濕度更可以達(dá)到95%，并且存在各種強烈的沖擊、振動和鹽霧，這就要求安裝在艦船上的減搖鰭系統(tǒng)有較強的抗干擾能力。而船舶上空間狹小，對所安裝設(shè)備的體積也有一定的要求。由于減搖鰭隨動系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，對系統(tǒng)中的PLC有較高的要求。考慮到性能指標(biāo)、功能、體積和價格等因素，本文選擇了松下電工的FP0系列可編程控制器。 系統(tǒng)主要包括電源單元、控制單元和兩個模擬量輸入輸出單元。PLC工作環(huán)境溫度在0～55℃范圍內(nèi)，工作環(huán)境相對濕度為30%～85%，模擬輸入與PLC內(nèi)部電路之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離，同時輸入輸出端設(shè)置濾波器，使之符合減搖鰭系統(tǒng)工作環(huán)境的要求。

2.3 PLC軟件實現(xiàn)的功能

根據(jù)系統(tǒng)要求，程序需要實現(xiàn)以下功能：

(1)對來自系統(tǒng)油源機組的信號進(jìn)行檢測，如發(fā)現(xiàn)油溫、油位等出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停機并自動報警。

(2)對來自控制器的輸入信號進(jìn)行檢測，保證其始終被限定在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證減搖鰭工作轉(zhuǎn)角不超過其極限值;并對控制信號按一定控制規(guī)律進(jìn)行處理。

(3)在鰭轉(zhuǎn)動工作時，將從鰭角電位計接收到的反饋信號與輸入的控制信號進(jìn)行比較，構(gòu)成回路，實現(xiàn)負(fù)反饋。將控制信號與反饋信號綜合處理得到的結(jié)果作為控制指令發(fā)送給輸出端口。

(4)檢測PLC輸出給電液伺服閥的信號是否超過額定范圍，如超出則做相應(yīng)處理，保證伺服閥和減搖鰭正常安全地工作。

(5)在工作前或停機時根據(jù)操作需要隨時將減搖鰭運行到零位或其它需要的位置。

隨動系統(tǒng)軟件功能框圖如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)改造中存在的問題及解決方法

系統(tǒng)正常工作時，油溫應(yīng)低于60℃，油位應(yīng)大于300mm，若超出上述指標(biāo)，設(shè)在油箱內(nèi)部的傳感器開關(guān)將閉合，輸出電壓信號。為實現(xiàn)對油溫和油位的檢測，需要將代表油溫和油壓的兩路信號輸入給PLC進(jìn)行檢查?這樣將占用PLC模擬量輸入/輸出單元的兩個輸入端口，增加單元塊的數(shù)量?？紤]到油溫和油壓變化較緩慢，沒有必要時刻監(jiān)視其變化，因此用軟件設(shè)置定時器，控制兩個繼電器交替開關(guān)，使油溫和油壓信號只通過一路通道交替輸入PLC，在PLC內(nèi)部進(jìn)行檢測，達(dá)到降低成本的目的。 不同鰭工作時的飽和角度不同，設(shè)計中將鰭的正常工作角度設(shè)定在±25°以內(nèi)。根據(jù)真實鰭角與反饋電壓的比例關(guān)系，可以確定鰭角在±25°時對應(yīng)的反饋電壓是±2.2V，將這兩個電壓值作為PLC對輸入電壓信號進(jìn)行檢測的參考值。在PLC程序中分別用十進(jìn)制數(shù)值±K440表示兩個參考電壓。PLC控制信號在輸出給電液伺服閥前也要進(jìn)行檢測，這一步檢測的標(biāo)準(zhǔn)不是減搖鰭的工作額定電壓，而是電液伺服閥的額定電流，目的是保證伺服閥可以正常安全工作。伺服閥工作的額定電流為±8mA，線圈電阻為1000±100Ω。由于FP0系列PLC輸出電流范圍在0～20mA之間，無法為伺服閥提供負(fù)電流，但PLC的電壓輸出范圍在±10V之間，因此將電壓值作為指令信號輸入伺服閥。伺服閥串聯(lián)后線圈電阻為2000Ω，由此得到伺服閥工作的電壓可以達(dá)到±16V。系統(tǒng)設(shè)計中，為使伺服閥始終工作在線性區(qū)，將PLC對伺服閥的輸入電壓限定在±8V以內(nèi)?在PLC程序中分別用±K1600表示兩個參考電壓?如指令信號在±8V之內(nèi)，則正常輸出，如果超過±8V的范圍，則按照±8V輸出。 由于松下FP0系列PLC的PID命令不支持負(fù)數(shù)運算，所以隨動系統(tǒng)控制部分采用自行設(shè)計的PD控制命令。每次程序啟動前PLC都先自動對各主要寄存器清零，以消除程序啟動時系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的動作。另外由于松下FP0型號不提供小數(shù)運算，因此對無法整除的數(shù)據(jù)只能采用四舍五入的處理方法，比例系數(shù)只能設(shè)定成整數(shù)。為了克服這一缺點，程序先將存儲于DT20中的指令信號與鰭角反饋信號的差值乘以一個十進(jìn)制的系數(shù)(如K47)，將得到的數(shù)值存儲在DT30中，再將DT30中的數(shù)據(jù)除以一個十進(jìn)制系數(shù)(如K10)，這樣最終得到的數(shù)據(jù)與DT20中的數(shù)值直接乘以4.7后的結(jié)果幾乎完全相同，有時兩者之間會存在一個很小的偏差，可以忽略不計。這樣就解決了比例系數(shù)只能是整數(shù)的不足，更準(zhǔn)確地實現(xiàn)了比例控制。 2.

5 隨動系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計完畢后，按要求安裝，對各端口進(jìn)行測試，確?？梢哉９ぷ骱髮⑾到y(tǒng)啟動。給設(shè)計完成的隨動系統(tǒng)輸入一個幅值為1V的階躍信號，得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖4所示。

從圖中可以看到，系統(tǒng)的最大超調(diào)量在2%以內(nèi)，上升時間小于0.6s，過渡時間小于0.8s，暫態(tài)過程中的振蕩次數(shù)為3。上述各項指標(biāo)完全符合減搖鰭隨動系統(tǒng)的工作要求。

除了良好的暫態(tài)品質(zhì)以外，還要求足夠的穩(wěn)態(tài)控制精度。穩(wěn)態(tài)控制精度反映了對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性或控制的穩(wěn)態(tài)精度的要求。對于恒值控制系統(tǒng)，在工作中如果給定值不變，要求輸出量也不變，因此注意的是擾動量所引起的穩(wěn)態(tài)誤差;而對于隨動系統(tǒng)，給定量以任意規(guī)律變化，則要求輸出量以一定的精度跟隨給定量變化，因此注意的是被控量和給定量之間的誤差。在檢測隨動系統(tǒng)性能的實驗中，輸入的階躍信號幅值為1V，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為0.986V，穩(wěn)態(tài)誤差小于2%。上述各種指標(biāo)均符合減搖鰭系統(tǒng)對隨動系統(tǒng)的要求。

根據(jù)鰭角與鰭角反饋電壓的比例關(guān)系圖，將輸入幅值在±0.9V之間變化的正弦信號作為指令信號，使減搖鰭在指令信號的控制下，在±10°之間來回擺動。保持指令信號的幅值不變，改變信號的頻率，得到被控系統(tǒng)相應(yīng)的幅值和相角。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以得到隨動系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，分別如圖5和圖6所示。需要注意的是，系統(tǒng)頻率特性圖中的橫坐標(biāo)不是通常使用的對數(shù)分度lgω，而是直接使用ω。

觀察隨動系統(tǒng)的幅頻特性圖可以看出，系統(tǒng)在頻率小于0.35Hz之前表現(xiàn)出了類似放大環(huán)節(jié)的特性，且此時系統(tǒng)的輸出幾乎沒有任何明顯變化，與角頻率變化無關(guān)，非常準(zhǔn)確地實現(xiàn)了指令信號的輸出，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。從0.35Hz開始，隨著頻率的增大，系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性均發(fā)生了改變。從整個變化過程來看，系統(tǒng)表現(xiàn)出類似慣性環(huán)節(jié)的特性，因此可以將ω=0.35Hz近似地認(rèn)為是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率或交接頻率。

與幅頻特性相同，隨動系統(tǒng)的相頻特性圖也顯示出系統(tǒng)在ω=0.35Hz之前的相角滯后非常小，在5°以內(nèi)，可以忽略不計。在0.35Hz之后相角發(fā)生了明顯的變化，整個變化趨勢也類似于一個慣性環(huán)節(jié)。但與典型的慣性環(huán)節(jié)不同，在所認(rèn)為的轉(zhuǎn)折頻率ω=0.35Hz處，系統(tǒng)的相角沒有滯后45°左右，系統(tǒng)也沒有象典型慣性環(huán)節(jié)一樣相移-arctgTω，與角頻率ω表現(xiàn)出嚴(yán)格的反正切關(guān)系。

從整個系統(tǒng)表現(xiàn)出的幅頻特性和相頻特性來看，改造后的隨動系統(tǒng)可以近似地認(rèn)為是由一個放大環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成，系統(tǒng)在頻率小于0.35Hz的低頻段表現(xiàn)出了較好的性能，符合減搖鰭系統(tǒng)對隨動系統(tǒng)的要求，可以很好地工作。

由于PLC在軟件和硬件上具有突出的優(yōu)點，隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度都有所提高，系統(tǒng)的安裝和修改也更為簡單方便。經(jīng)過運行測試，改造后的隨動系統(tǒng)符合設(shè)計要求，能夠穩(wěn)定運行，確保了船舶減搖鰭系統(tǒng)的正常工作。隨動系統(tǒng)的改造完成后，將利用可編程控制器繼續(xù)完成減搖鰭控制器的設(shè)計，從而形成一套完整的應(yīng)用可編程控制器實現(xiàn)的船舶減搖控制系統(tǒng)。