第1章 系統(tǒng)簡介
1.1 現(xiàn)場概述
船舶下水是造船過程中一個重要階段的轉換,亦是一個標志性階段。它的前一階段在陸地上的船臺或水中船塢施工，當船舶建造工程大部分完工之后，將船舶從建造區(qū)移至水域區(qū)即為下水。下水意味著船舶建造已完成了關鍵性工作，下水前的船舶舾裝完工量往往可達70％～80％，甚至超過95％。按船舶下水原理可分為：重力式下水、漂浮式下水、機械化下水和氣囊式下水四大類。
A. 重力式下水是船舶在本身重力的作用下，從船臺上沿滑道逐漸向水中移動使船浮起的方法。重力式下水又分縱向涂油滑道下水、縱向鋼珠滑道下水和橫向涂油滑道下水三種。
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將船浮起的下水方式。一般為造船塢下水。
C. 機械化下水利用卷揚機或其他裝備將船舶從建造平臺送入水中。
D. 氣囊式下水利用高壓充氣橡膠氣囊承擔船舶自重，通過氣囊的滾動變形及船舶自重結合平臺坡度使船舶順利下水。
船舶的上墩、下水設備與設施反映了一個船廠的生產(chǎn)能力，也決定了船廠所能建造船舶的等級大小、重量、長度及船型。因此上墩和下水設備、設施被稱之為船廠的咽喉。隨著船舶噸位的提高，不是簡單地增加卷揚機、斜架車數(shù)量和提高能力的問題，而是卷揚機群的同步協(xié)調問題。梳式滑道電力拖動卷揚機群的同步與否直接影響到相關工業(yè)生產(chǎn)的安全，并且隨著卷揚機拖力的提高和卷揚機數(shù)量的增加，對卷揚機同步性的要求越來越重要。由于多臺卷揚機同時作業(yè)存在不同步問題而使船舶偏斜，影響船舶上下坡安全。
為確保船廠承接的大型船舶安全順利下水，改變傳統(tǒng)的梳式滑道只適用于中小型船舶上下坡的觀念，充分發(fā)揮梳式滑道船廠的船臺可靈活布置的優(yōu)點，實現(xiàn)同時修造多條船舶，縮短修、造船周期，我們采用國際先進的船舶下水斜架車同步平衡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)關鍵是選用合適的位置檢測傳感器-刻度標尺精確定位系統(tǒng)。
1.2 目前采用的定位方式
目前斜架車位置檢測采用的大多是光電編碼器裝置（光碼盤）、激光位移傳感器、GNSS位置檢測，具體表現(xiàn)如下：
1) 光電編碼器裝置，整套裝置安裝在驅動電機前部的一個金屬殼體內，由盤狀齒輪與卷揚機齒條嚙合，通過驅動軸驅動編碼器。盤狀齒輪的圓周與卷揚機驅動小齒輪的圓周相同。編碼器由傳動齒輪自下而上通過減速機、聯(lián)軸節(jié)驅動，實現(xiàn)卷揚機的位置檢測,由于鋼絲繩存在擾度，故長距離檢測會存在比較大誤差，相對定位的機械接觸工作方式；
2) 激光位移傳感器在不潔凈環(huán)境會失去作用，軌道沉降導致車輛走行抖動會使反光板靶位不準，亦會導致位置檢測不準，致命的是水下部分檢測不到；
3) GNSS位置檢測是利用GPS，北斗衛(wèi)星定位，是相對定位，受天氣環(huán)境影響大，致命的是水下部分檢測不到。
這三種傳感器在檢測位置時多數(shù)為機械式、靈敏度低、壽命短、故障率高、可靠性低，操作繁鎖，而且存在溜放環(huán)節(jié)(即失控區(qū))，致使半自動操作難以可靠穩(wěn)定運行。由于斜架車是較大的設備，其慣性較大，在啟動和停止時也是硬性的，所以在工作過程中會產(chǎn)生很大的撞擊和震動，噪音污染嚴重，嚴重影響其安全性和有關零部件的壽命，易于損壞設備，由此設備精確位置控制顯得尤為重要。
1.3 本系統(tǒng)采用的定位技術
本系統(tǒng)采用在梳式滑道上加裝刻度標尺精確定位系統(tǒng)的檢測技術，實現(xiàn)斜架車的位置精確檢測?？潭葮顺邫z測到的斜架車位置精度高，信號穩(wěn)定可靠。在車輛狀態(tài)良好的情況下，采用下船系統(tǒng)全聯(lián)機自動運行方式，即只要滿足啟始條件，按下自動啟動按鈕，系統(tǒng)將全部自動運行，操作人員只起監(jiān)控作用，當發(fā)生機械故障或意外情況時，按自動停止或急停按鈕，解除自動程控操作。
1.4 本系統(tǒng)采用的同步控制方式
目前大多數(shù)船廠采用人工觀測，每臺卷揚機旁設一操作工，通過對講機、吹口哨、旗幟等方式來溝通執(zhí)行操作，下放斜架車。這種傳統(tǒng)原始的方法勢必造成監(jiān)測的精度不夠和調控措施的滯后，且受人為因素影響較大，對于大型船舶下水如果每個斜架車下移速度不同步，又無法及時調整，很容易導致船舶下水過程中斜架車的脫軌，影響船舶下水的質量。因此，為了保證大型船舶下水的安全可靠，必須對系統(tǒng)進行即時監(jiān)測和自動控制，確保船舶下水時移動的同步性，最大限度的保證船舶的下水安全。本系統(tǒng)采用變頻器和PLC程控系統(tǒng)。根據(jù)船體形狀，每次升船（或放船）作業(yè)可指定任意臺斜架車聯(lián)合運行；在升船（或放船）運行過程中，要求船體的水平偏移度不超出允許范圍；各種設備按要求進行同步動作，可實現(xiàn)遠程操作、全程工作記錄、監(jiān)控、過載保護、自鎖、互鎖、互控啟動，時間延遲及動作程序，并可進行遠程、手動和自動功能切換，具有防止誤操作功能。整個系統(tǒng)具有自動化程度高，同步糾偏控制，操作簡單、可靠，節(jié)省勞動力特點。
第2章 刻度標尺精確定位系統(tǒng)
2.1 刻度標尺系統(tǒng)簡單說明
刻度標尺精確定位系統(tǒng)包括一臺地面電氣柜（含刻度分析儀等）、一臺車載電氣柜（含刻度生成儀等）、刻度標尺以及游尺指針等。其中刻度標尺是由扁平狀的PVC合成材質外殼材料和內部按照格雷碼規(guī)律編制的芯線構成，類似一把有刻度的標尺，一般安裝在沿斜架車運行軌道單側邊，或者沿運行軌跡鋪設在地面上，亦或安裝在軌道旁的柵欄立柱上均可，需要檢測多長的位移就鋪設多長的刻度標尺；游尺指針安裝在斜架車上，用于識別本斜架車所在的位置。游尺指針相對刻度標尺平行非接觸移動，游尺指針指向的刻度即是當前位置值，可以在車上或地上得到位移量，無需初始參考點，定位精度5毫米，分辨率2毫米；可以斷續(xù)或連續(xù)檢測，尤其適用于軌道不平整的大車或環(huán)形運動機械位移檢測。防水、防油、防塵、耐酸堿，適用于冶金、礦山、水利、港口碼頭堆場、倉儲、化工等條件比較惡劣的環(huán)境。
2.2 刻度標尺系統(tǒng)原理
刻度標尺精確定位系統(tǒng)采用電磁感應原理來檢測移動設備的位移量，當游尺指針線圈中通入交變電流時，在游尺指針附近會產(chǎn)生交變磁場?？潭葮顺呓铺幵谝粋€交變的、均勻分布的磁場中,每對刻度標尺芯線會產(chǎn)生感應電動勢。刻度生成儀信號通過電磁耦合方式傳送到刻度標尺的感應環(huán)線上。刻度分析儀對接收到的信號進行相位比較。交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，地址為“0”；交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反，地址為“1”，這樣感應的地址信息是格雷碼排列，由此確定游尺指針在刻度標尺長度方向上的位置。
2.3 刻度標尺技術指標
* 斜架車地址測量精度：≤5mm，分辨率：2毫米，測量范圍：任意定制；
* 工作環(huán)境溫度：系統(tǒng)工作溫度：-20℃—+70℃，
刻度標尺工作溫度：不加防護套：-40℃—+85℃，
加防火套：-40℃—600℃，高溫時耐熱時間約80秒；
* 非接觸間隙：150mm±50mm(根據(jù)需要可達500毫米)，左右偏擺容差：±50mm；
* 重量：刻度標尺重量：1.5Kg/m，外形尺寸：100mm×10mm×長度；
游尺指針重量：≤2.5Kg，外形尺寸：400mm×400mm×30mm（特殊可定制）；
* 通信誤碼率：＜10-7；
* 刷新速度：20HZ；
* 適應速度：≤350M/min；
* 標準信號輸出：RS232/RS485，可擴展其它信號；
* 信號傳輸距離：≤1200米（485信號輸出）；
* 刻度標尺和游尺指針防護等級：普通IP67，最高IP69（水下工作）；
* 輸入電源：220VAC±10%；
* 耗電：地面電氣柜<100w車載電氣柜<100w。
2.4 刻度標尺功能特點
系統(tǒng)中的刻度生成儀（兼函數(shù)信號發(fā)生）按一定的周期發(fā)出地址載波信號，經(jīng)游尺指針發(fā)射至刻度標尺，地面站的刻度分析儀接收到信號后，解碼還原出斜架車所處刻度標尺處的絕對地址，經(jīng)控制器處理后由RS232或者RS485輸出。
* 無磨損的非接觸式位置檢測，使用壽命長；
* 可以斷續(xù)或連續(xù)檢測，測距長達2公里，位移檢測長度可以根據(jù)需要定制；
* 耐污染能力超強，可用在水下、防蒸汽、耐酸堿；
* 安裝簡單更換方便（無需改變現(xiàn)場環(huán)境），免維護；
* 高穩(wěn)定性、高可靠性、多種信號輸出方式選擇；
* 具有反向極性保護功能、防雷擊、防射頻干擾、防靜電；
* 無需參考點的位移量絕對型輸出，不怕掉電；
* 位置的取樣時間和測量長度沒有關系；
* 可以用在環(huán)形運動機械位置檢測。
* 刻度標尺可以埋在水泥地面內，方便安裝和防護，不影響作業(yè)環(huán)境。
2.5 刻度標尺單套設備結構圖（一維檢測）
1) 車載子系統(tǒng)：由游尺指針、車載電氣柜（內含刻度生成儀、開關電源等）。
2) 地面子系統(tǒng)：由地面電氣柜組成（內含刻度分析儀、開關電源、網(wǎng)關、標尺引線轉換器等）。
3) 刻度標尺子系統(tǒng)：由專用刻度標尺、CN箱、EN箱、普通電纜以及各種用于刻度標尺安裝、固定、防護機構組成。
圖示2：一維檢測系統(tǒng)結構示意圖
第3章 電控同步平衡系統(tǒng)
卷揚機電機可采用三相異步電動機。卷揚機控制系統(tǒng)采用交流全變頻調速，系統(tǒng)能在允許最大牽引力范圍內，對斜架車進行自動或手動的同步調整，以確保斜架車能平穩(wěn)的上、下平行移動。12臺卷揚機可以聯(lián)動或單臺工作，也可任意選定其中的幾臺電機進行聯(lián)動工作。
3.1 上拉下放控制
（1） 卷揚機構閉環(huán)控制的速度反饋采用刻度標尺精確定位系統(tǒng)。PLC與變頻器通過總線實現(xiàn)通訊控制，PLC實時讀取變頻器的數(shù)據(jù)，并通過輸入給PLC的主令控制器信號控制變頻器的頻率及電動機的轉速。設備啟動時，保證必須的起動轉矩又不會對電網(wǎng)進行大的沖擊，起動電流應控制在可以接受的數(shù)值內。
（2） 變頻器前設置線路電抗器。
（3） 系統(tǒng)支持電氣和機械制動，在停機時采用電氣制動方式，提供可控的和平滑的制動性能，在電機降到零速之后，立即施加機械制動，在任何失電情況下，均應立即施加機械制動。卷揚機構機械制動采用電液推動制動器，變頻器具有完整的抱閘邏輯功能，合理控制剎車的開閉時間，減少抱閘開閉時的振動及磨損，使起停更平穩(wěn)。
（4） 斜架車下降過程中，負載的位能將通過制動電阻發(fā)熱的形式消耗掉，因此每套變頻柜都配有適當功率的制動電阻。
（5） 在每臺卷揚機的適當位置安裝一個旋轉式限位開關。當斜架車上升到接近上限位置時，該限位開關發(fā)出指令，降低斜架車的運行速度（無論指令控制器在何檔位），當斜架車到達上限位置時，系統(tǒng)發(fā)出停止斜架車運行的指令，斜架車下降時同樣設置降速和停止二點位置開關。在各條軌道的最上面另安裝一限位開關，作為最后的終端保護。同時卷揚機應設置有過載保護裝置，當監(jiān)測到鋼絲繩拉力超過額定負載時應自動停車。
（6） 卷揚機構的電氣保護有短路及過電流保護、過載保護、失壓及零位保護，當變頻器出現(xiàn)故障信號時，必須通過操作臺的復位按鈕進行復位。
3.2 同步位置控制
（1） 在多臺卷揚機同時作業(yè)情況下，由于多種原因可能存在卷揚機不同步而導致下水船舶發(fā)生偏斜，將影響船舶下水過程的安全?？刂葡到y(tǒng)具有監(jiān)視各斜架車的位置的設備，結合變頻調速和PLC控制。實現(xiàn)船舶在下水過程中船舶舯軸線與滑道零軸線之間的連續(xù)絕對位置偏斜檢測和控制。多臺電機聯(lián)動時主給定為速度給定，即速度給定力矩限制的方式。起升信號和速度由同一開關給定，各個提升機構同時提升。PLC通過總線實時監(jiān)視各個變頻器的電流、電壓、力矩等數(shù)據(jù)。
（2） 對于船舶上、下水時，所用斜架車同步控制系統(tǒng)最終要求達到其中任意兩臺斜架車所帶位置傳感系統(tǒng)在斜坡道上的行程位置范圍內全程實現(xiàn)同步控制后的相對位移差最大不超過350mm。任意相鄰兩臺斜架車相對位移差最大不超過140mm。當相對位移小于100mm同步控制系統(tǒng)不發(fā)出控制指令，當相對位移大于140mm小于250mm時，同步控制系統(tǒng)發(fā)送指令到相應變頻器，調整各電機的速度，實現(xiàn)自動同步、相差值大于250mm時同步控制程序發(fā)送指令到相應變頻器，調整各電機速度同時整個系統(tǒng)的速度下降到比較低的速度，以防止相差值進一步擴大，并發(fā)出預報警信號。當系統(tǒng)調整到相對位移小于100mm時，系統(tǒng)停止調整。當相差值大于500mm時，系統(tǒng)自動停車并報警。運行過程中同時對力矩進行監(jiān)視，當某臺電機的力矩大于人為設定的限制力矩時，控制系統(tǒng)對相應的電機發(fā)出指令調整其力矩或速度。當電機力矩大于危險力矩或力矩過小，控制系統(tǒng)報警并停機，此時需操作人員根據(jù)觸摸屏上的提示進行手動調整。故障排除后系統(tǒng)可自動復位。以上設定的斜架車不同步參數(shù)數(shù)值和力矩參數(shù)數(shù)值均可按照今后調試和試用情況任意調整。
3.3 工控機、PLC控制及故障監(jiān)控系統(tǒng)
（1） 控制系統(tǒng)采用手動、聯(lián)動、自動等控制方式，自動控制方式采用工控機+觸摸屏二級控制操作系統(tǒng)，并預留遠程操作接口。
（2） 由工控機、PLC、變頻器、同步控制設備、負荷保護裝置、各主令控制設備等組成PLC控制的全變頻調速系統(tǒng)。主令控制器功能選擇開關，變頻器內各電器參數(shù)、各保護系統(tǒng)的有關數(shù)據(jù)、各限位開關等信號直送PLC，PLC根據(jù)預編程序，將各種指令送各執(zhí)行機構及調速器，決定各運行機構的速度大小，并對其進行控制調節(jié)。各信息的傳遞都由現(xiàn)場總線完成。
（3） 故障監(jiān)控系統(tǒng)由PLC和操作室內的觸摸屏組成友好的人機界面，通過現(xiàn)場總線直接從PLC中讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息共享，用圖形和文字實時顯示故障的位置及簡單的處理方法，監(jiān)控各主要電器元件運行或停止的狀態(tài)，變頻器運行參數(shù)、各機構位置及流程數(shù)據(jù)等?？蓪崟r監(jiān)控斜架車整機運行情況及各斜架車的狀態(tài)，自動生成運行參數(shù)的報表并具有故障記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。
3.4 手動操作
* 手動操作通過主令控制器進行。對位、歸位和自動運行按鈕無效；?
* 手動操作分兩種狀態(tài)，PLC 參與或不參與。兩種狀態(tài)根據(jù) PLC 是否正常運行自動切換。前者常用于自動運行時對某個斜架車進行人工調整， 而后者常用于 PLC故障時的臨時運行。當 PLC故障（或被切除）時，安裝在第 12臺變頻器上的內部控制卡將自動接管CanOpen網(wǎng)，代替 PLC進行全部變頻器的運行監(jiān)測，確保作業(yè)安全。PLC和內部控制卡的切換只能在斜架車未運行時進行；
* 手動操作時，斜架車的運行速度由主令控制器給出?？蛰d時，可以進入弱磁速度（空載高速運行），帶載后，PLC或內部擴展卡將禁止所有斜架車的弱磁速度運行（通過邏輯量輸出端子和繼電器屏蔽弱磁給定信號）如果變頻器通訊故障被旁路旋鈕屏蔽，PLC或內部擴展卡將不參與運行監(jiān)測。這時手動操作仍可進行，但弱磁速度被徹底禁止（無論斜架車是否帶載），下面介紹的起動速度限幅、力矩監(jiān)控、極限位置整體減速和停車等功能均無法實現(xiàn)，操作員必須特別關注系統(tǒng)運行的安全性；
* 無論 PLC是否參與，變頻器將始終投入；
* 如果PLC參與， 斜架車位置檢測系統(tǒng)將用于屏幕上的斜架車位置顯示； 如果PLC不參與，位置檢測系統(tǒng)將不起作用；
* 參與作業(yè)的斜架車選擇：通過“手動斜架車選擇開關”選擇需要參與作業(yè)的斜架車，被選中的斜架車對應指示燈亮。典型地，可以選中全部 12臺斜架車提放大型船只，也可以只選中 1臺斜架車用于運送工具或材料；
* 斜架車初始位置的對齊方式：?
* 下放作業(yè)： 可以通過主令控制器給出全體上升命令， 選中的斜架車以指定速度上升，分別在上升減速位置自動減速，在停止位置（工藝位置）自動停止；
* 提升作業(yè)：下放斜架車到達大致位置后，對每臺斜架車單獨調整，使其到達工藝要求的實際位置；
* 起動速度限幅：斜架車的運行速度完全由主令控制器的檔位決定，但帶載時，斜架車的運行速度在運行初期將被短時間限幅， 斜架車的速度和位置將在此時間段里得到初步平衡。同時，帶載時弱磁速度被禁止；
* 極限位置整體減速和停車：斜架車的減速和停止由操作員控制。但任一臺斜架車到達旋轉限位開關的上下減速位置時都將引起全部斜架車減速并觸發(fā)報警信號； 任一臺斜架車到達旋轉限位開關的上下停止位置時都將引起全部斜架車緊急停止并觸發(fā)報警信號；
* 力矩監(jiān)測：手動操作時，各斜架車的力矩仍然受到 PLC或內部控制卡的監(jiān)測。力矩大于警戒值或小于極限值將產(chǎn)生報警信號，但系統(tǒng)不會自行停止斜架車的運行；
* 速度監(jiān)測：手動運行時，全部斜架車的給定速度是相同的，一旦出現(xiàn)不同將視為故障。手動操作時如果需要糾偏，只能停止全部斜架車運行后再對某些斜架車進行單動調整；
3.5 自動運行
* 自動運行通過對位、歸位和自動運行按鈕操作，主令控制器無效；
* 參與作業(yè)的斜架車選擇：通過觸摸屏選擇需要參與作業(yè)的斜架車，被選中的斜架車對應指示燈亮。典型地，可以選中全部12臺斜架車提放大型船只，也可以只選中1臺斜架車用于運送工具或材料。手動斜架車選擇開關無效；?
* 系統(tǒng)存在通訊故障時不允許進行自動運行，通訊故障旁路旋鈕無效；
* 斜架車的對位：按下對位按鈕，選中的斜架車以弱磁速度上升，分別在上升減速位置自動減速，在停止位置（工藝位置）自動停止。PLC記錄這時的斜架車實際位置，以此作為各斜架車的原點。要求每次作業(yè)前進行一次對位，以消除原點位置偏差。對位操作只允許在空載時進行，如果帶載，系統(tǒng)將報故障；
* 斜架車的歸位： 斜架車的起始位置在觸摸顯示屏設置， 系統(tǒng)會自動計算相應的減速位置。按下歸位按鈕可以使全部斜架車以弱磁速度進入起始位置。 歸位操作只允許在空載時進行，如果帶載，系統(tǒng)將報故障；
* 斜架車的運行：按下自動運行按鈕后，系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)；
* 運行終點位置在觸摸顯示屏設置，系統(tǒng)自動計算相應的減速位置；
* 自動運行指示燈亮，各斜架車的起始給定速度為調整速度，各斜架車的實際給定速度和位置根據(jù)現(xiàn)場情況通過斜架車的滾輪和滑差特性（力矩均衡功能）進行前期調整；
* 初步調整后，斜架車的基準給定速度上升到額定運行速度，各斜架車的實際給定速度為基準給定速度加減前期調整時獲得的調整值；
* 在升速過程中，系統(tǒng)根據(jù)實際負載和最高帶載速度限幅計算出允許的最高運行速度；
* 在額定運行速度穩(wěn)定運行后，系統(tǒng)繼續(xù)升速到最高運行速度運行；
* 在運行全過程，系統(tǒng)根據(jù)各斜架車的位置偏差不斷進行糾偏處理；
* 任一臺斜架車到達減速位置后，全部斜架車的基準速度給定減速至就位速度；
* 任一臺斜架車到達終點位置后，全部斜架車停止運行，一次作業(yè)完成。如有必要，可對部分斜架車進行手動位置調節(jié)；
* 在運行過程中，如果按下暫停按鈕，斜架車將通過減速斜坡停止運行，自動運行指示燈閃亮。再次按下自動運行按鈕后可恢復自動運行；
* 在運行暫停時切換到 PLC參與監(jiān)測的手動操作， 返回自動運行后可通過自動運行按鈕恢復上次運行。按下歸位、對位按鈕，或再次按下暫停按鈕時，本次自動運行過程結束，自動運行指示燈熄滅。
第4章 系統(tǒng)實現(xiàn)功能特點
* 斜架車非接觸絕對實時位置檢測；
* 同步位置糾偏控制；
* 可指定任意臺斜架車聯(lián)合運行；
* 可實現(xiàn)遠程操作、全程工作記錄、監(jiān)控、過載保護、自鎖、互鎖、互控啟動；
* 可進行遠程、手動和自動功能切換，具有防止誤操作功能；
* 可大大提高船舶上下水的管理水平，在控制臺上就可實時監(jiān)控船體上下水的現(xiàn)場情況；
* 可自動控制卷揚機負荷的運行速度，能及時調整卷揚機鋼絲繩的長度；
* 可以調整整個船體的平衡水平，確保各類船體安全、可靠、平穩(wěn)地上下水；
* 可在水下長期穩(wěn)定運行；
* 操作簡單、可靠，節(jié)省勞動力特點。
第5章 系統(tǒng)應用領域
船舶下水斜架車同步平衡控制系統(tǒng)主要用于梳式滑道機械化船舶下水控制，修船廠上排裝置。
