南极磷虾捕捞加工船拖网绞车控制系统设计.pdf

51GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究作者简介：王彦朋（1981-），男，高级工程师，主要从事船舶电气设计工作。收稿日期：2022-12-07南极磷虾捕捞加工船拖网绞车控制系统设计王彦朋（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510725）摘 要：本文以某南极磷虾捕捞加工船（以下简称“南极磷虾船”）拖网绞车控制系统为例，剖析了用于现代远洋渔船的拖网绞车自动控制的基本原理、功能和人机对话界面，提出了拖网绞车自动控制的设计原理，为同类型拖网渔船的拖网绞车控制系统设计奠定技术基础。关键词：南极磷虾捕捞加工船；拖网绞车；自动控制中图分类号：S972.7+31 文献标识码：ATrawl Winch Control System Design and Research of Krill Factory Trawler WANG Yanpeng(CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited,Guangzhou 510725)Abstract:Taking the design and application of the trawl winch control system of the Antarctic krill factory trawler as an example,this paper introduces in detail the basic control principle,function and human-computer conversation interface for the modern deep-sea fishing boats,proposes the design principle of the automatic control of the trawl winch and masters the auto-control skill in association with lifting&releasing fishing nets.All this would lay down the technical basis for the design of the trawl winch control system of the similar type of fishing boats.Key words:Krill Factory Trawler;Trawl Winch;Auto-Control1 前言2012 年，国家制订和发布了发展海洋强国的战略，我国远洋渔业和远洋渔船正式进入快速发展阶段1。在南极磷虾捕捞加工船建造方面，中船黄埔文冲船舶有限公司取得突破性进展，建造并交付了一艘专业南极磷虾捕捞加工船。在此之前，国内企业参与南极磷虾等深远捕捞的大型渔船，都是由进口国外二手拖网渔船改造而成，技术装备落后。针对适应南极磷虾海洋环境、渔业管理、生物特性等的专业探测技术、连续式生态高效捕捞技术的相关研究，是从“十二五”才起步，除适用于传统拖网作业的网具开发有所突破外，连续式吸虾泵系统、全天候变水层连续捕捞、起放网协调自动控制技术等都没有实现船载应用，存在捕捞产量与加工能力不匹配，装备集成化、自动化和专业化程度低，配套设备不齐全，可靠性差等问题，捕捞装备系统技术差距明显。本文基于某南极磷虾捕捞加工船的设计、建造和试验，通过对南极磷虾捕捞加工船的捕捞作业流程分析、拖网绞车控制原理、拖网绞车调速控制系统分析，提出可用于现代拖网远洋渔船的拖网绞车自动控制的设计原理，以掌握起放网协调自动控制技术，提高拖网作业的协调性、可靠性和自动化水平，为构建全天候变水层连续捕捞的现代渔业作业模式奠定技术基础。2 捕捞作业流程分析以某南极磷虾捕捞加工船为例，该船集成双舷泵吸式连续捕捞和艉滑道网板式传统捕捞两种渔法，具有效率高、可靠性高等特点。作业工序由下网、拖网和上网组成，当使用双舷泵吸式连续捕捞模式52 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究时，作业流程为放网下泵拖网收泵起网卷网；当使用艉滑道网板式传统捕捞模式时，作业流程为放网拖网起网起获（重复上一次）卷网。因此，拖网作业是两种渔法的核心，为变水层中层拖网作业。该船的甲板面左、右舷各配置一台拖网绞车。捕捞渔船慢速前进并将网具投入水中，通过网板或拖网横杆连接到曳纲上，进行曳纲的零位标定；当网具投入水中后，渔船进行拖网作业，船上可通过拖网绞车控制系统调节曳纲长度、拖速来保持网具在不同水层位置；起网时，渔船慢速前进，通过拖网绞车收绞曳纲，将网板或拖网横杆与曳纲分离后，继续由卷网绞车收绞网具。根据实践经验，对于捕捞南极磷虾，曳纲放出的长度一般为水深的 35 倍，拖网速度一般为 5 kn/h，此时网效最高，适合定速下拖网。从作业流程上看，上网和下网需要根据不同的环境情况进行控制，因此实现自动化目前尚不具备条件也没必要；而拖网过程主要在水下，肉眼无法观测，但动作相对下网和上网比较规律，具备实现自动化控制的条件。3 拖网绞车控制基本原理 通过上述捕捞作业流程分析，拖网绞车的操作控制主要分三个阶段：放网过程、拖网过程、收网过程。为实现自动化控制，重点考虑拖网作业。在拖网作业过程中，风、浪、涌、船舶转向变化以及障碍物等都可能引起拖网曳纲张力波动，对绞车的寿命具有较大的影响。另外，张力波动过大也会对捕捞装置的位置、状态等发生重大影响，比如网口扩张、网具变形等，从而影响网具的效能，因此拖网绞车配置张力自动控制系统。通过拖网绞车控制系统 PLC 模块，自动采集绞车油路压力信号，经过转换成绞车曳纲或缆绳张力，动态张力与预设张力对比，通过比例积分、微分运算，输出控制信号，调整溢流阀压力，开始收放缆动作，保证动态张力与预设张力偏差较小，使曳纲或缆绳在一定长度变化范围内保持张力恒定；绞车配置编码器，放缆长度通过编码器来测量，编码器信号通过 PLC 中Profibus DP 通讯传输数据，程序中经过钢丝直径、层系数、圈数计算公式计算，在操作界面上可以转换成放缆长度，作为张力控制的反馈信号。拖网绞车控制流程见图 1。图 1 拖网绞车控制流程图4 拖网绞车调速控制系统设计4.1 拖网绞车无级调速原理在恒压比例泵控液压系统基础，拖网配置电磁换向阀，通过绞车控制手柄触点控制电磁换向阀，实现远程控制拖网绞车的动作；液压泵站各液压泵为恒压比例变量泵，内置比例阀以及比例放大板，通过绞车控制手柄推拉角度输出信号给 PLC 模块，PLC 程序将信号转换为010 V 模拟量提供给比例放大板，比例放大板驱动电磁阀控制电磁开度，调整主动力泵组的输出流量，从而实现对绞车无级速度。无级调速原理图，见图 2 2。图 2 拖网绞车无级调速原理4.2 拖网绞车控制手柄选型拖网绞车控制手柄一般有 2 种规格：一种是电位器型式，控制手柄输出 05 k 电阻信号给 PLC,通过PLC 控制程序转换为 010 V 信号输出给比例放大板，进而驱动比例电磁阀；另一种为电流型式，控制手柄输出 420 mA 信号给 PLC,通过 PLC 控制程序转换为010 V信号输出给比例放大板，进而驱动比例电磁阀。考虑电流型控制手柄在电源出现故障时，绞车控制手柄将无法正常使用，因此本船拖网绞车选用更为安全53GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究可靠的电位器式控制手柄。4.3 拖网绞车调速模式设计实际捕捞作业过程中，拖网绞车使用工况复杂，不但包括放网、拖网、收网等，还需要考虑网具调遣等甲板作业。作业工况不同，速度需求不同，其相应液压流量需求也不同，故从操作安全和节能角度考虑，将拖网绞车速度设置为低速、中速、高速 3 档，在绞车控制板设置 3 个速度调整按键，通过按键启动相关主动力泵。4.4 拖网绞车操纵位置设计在南极磷虾船捕捞作业过程中，为了提高捕捞作业效率，确保捕捞作业操作过程中的安全性，在网具准备、放网、收网、拖网等作业过程中，拖网绞车需要在特定位置由人员进行操作。根据拖网绞车操纵位置，控制方式和控制功能也需要进行分别设置。在网具准备、放网、收网、渔获整理作业过程中，甲板作业以现场操作为主，因此拖网绞车在甲板面需要配置就地操纵控制箱，内含拖网操纵手柄、速冻控制按钮以及应急停止按钮。作业过程中，通过甲板作业人员和绞车操纵人员的通力配合，完成收/放网过程中一系列辅助操作。拖网绞车操纵人员在甲板作业人员指挥下，通过现场配置的拖网绞车操作箱，完成对拖网绞车进行收、放操纵；拖网绞车就地操作箱安装位置要求比较高，需要视野开阔，以便及时接收甲板作业人员现场指令，并能够俯瞰相关区域的甲板作业情况下，及时收、放缆；在渔船拖网作业过程中，拖网绞车以驾驶室监视和控制为主，同时需在驾驶室配置拖网绞车远程控制手柄。5 拖网绞车自动控制功能设计5.1 拖网绞车控制模式设计拖网绞车作为南极磷虾捕捞作业过程中最关键设备，其控制系统设计至关重要，直接决定捕捞作业效率、捕捞作业安全可靠性。根据捕捞作业工况特点及捕捞作业流程，拖网绞车设有手动控制和自动控制：（1）手动控制模式根据拖网绞车作业需求，在前航行台、后捕捞控制台均设置了操纵手柄，在甲板面配置拖网绞车现场操纵手柄。甲板作业人员或捕捞作业人员可以在甲板板或驾驶室，通过操纵手柄完成曳纲收、放操作。（2）自动控制模式为减少作业人员劳动强度，提高收网、放网、拖网过程中安全可靠性，拖网绞车设置自动控制模式。通过控制系统，可以实现一键快速放网、一键快速收网以及拖网自动控制，在前航行控制台、后捕捞控制台均配置触摸屏。5.2 拖网绞车自动控制模式设计5.2.1 拖网绞车自动控制模式设计拖网绞车自动控制设置了四种模式：快速放网模式、拖网模式、一键收网模式、一键停止模式。（1）一键快速放网模式通过控制界面设置一键快速自动放网功能。通过界面按键输入放网长度，然后点击快速放网按键，拖网绞车液压泵自动起动，在拖网绞车操纵面板选定绞车速度，拖网绞车控制系统将按照选定速度自动放网，当放网长度到达设定长度拖网绞车自动进入拖网模式。为进一步提高绞车操作安全可靠性，通过控制界面可以设定放网长度报警值，并自动降低拖网绞车速度至低速档，以便提醒操作人员；当放网长度达到放网设定值时，系统自动进入拖网模式；当放网长度到达报警值时，拖网绞车速度自动调整至低速档，以便控制模式从一键快速放网自动切换至拖网模式；从一键快速放网模式自动切换至拖网模式时，绞车速度自动切换至中速档或自动切换至设定档位。（2）拖网模式通过点击自动拖网模式按键，拖网绞车自动进入拖网模式。通过控制界面设定拖网曳纲长度自动补偿限定值及拖网曳纲自动补偿报警值，当放网长度达到自动补偿限定值时自动开始收网；当放网长度超过自动补偿报警值时进行报警显示，提醒操作人员介入；通过控制界面设置左、右拖网曳纲最大允许差值，当左、右拖网曳纲差值超过设定值时进行报警；拖网模式下可以设定多台液压泵组作为备用液压泵组，以便满足应急收、放网操作需求；在自动控制过程中拖网绞车处于停止模式或拖网模式，当需要一键快速放网或一键收网模式时，控制系统将按照设定数量，自动起动相应的液压泵。（3）一键自动收网模式本船设置一键快速自动收网功能。通过点击快速收网按键液压泵自动起动，在拖网绞车操纵泵选定绞车速度，拖网绞车将按照选定速度自动收网；当收网54 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究长度到达设定长度时，拖网绞车自动停止收网。通过控制界面设定收网报警值以及收网限定值，当拖网曳纲长度达到报警值时进行报警提醒，并自动降低拖网绞车速度至低速档；当收网钢丝绳度达到收网限定值时停止收网，并自动进入停止模式；当收网长度到达报警值时，拖网绞车速度自动调整至低速档，从一键收网自动切换至停止模式；收网作业时，当拖网绞车液压油压力高并延时6 s 时，拖网绞车自动启动备用液压泵。（4）一键停止模式在快速放网、一键自动收网、拖网过程中，遇到突发状况可一键重置所有模式，起动拖网绞车刹车，液压泵站保持运行状态，确保操纵人员可以及时介入进行应急操纵。在自动控制过程中，拖网绞车处于停止模式；当需要一键快速放网或一键收网模式时，控制系统将按照设定数量自动起动相应的液压泵；在一键快速放网、拖网、一键收网模式中，如果发生以下报警，拖网控制系统将自动切换至停止模式：拖网绞车液压泵停止运行；拖网绞车控制权限不在驾驶室；通讯故障。5.2.2 拖网绞车监控控制界面设计为了实现对拖网绞车自动控制，每台拖网绞车配置编码器，PLC模块自动采集编码器信号，经过换算，计算出拖网曳纲长度；通过控制界面，在放网、拖网、收网过程中，拖网曳纲长度、左/右拖网曳纲偏差值及拖网绞车动态张力以柱状图或数字形式在控制界面中进行监控显示，控制界面实时显示液压油温、操纵过程中报警信息、拖网绞车液压油压、绞车选定速度档位、拖网曳纲偏差报警、拖网绞车张力报警，让操作人员可以很清晰监视整个拖网状态。同时，控制系统为电缆绞车液压油压力、拖网绞车拖网曳纲长度、拖网绞车动态张力参数提供历史趋势图，通过不同颜色曲线形式，在同一界面同时进行显示。6 结语随着世界性传统渔业资源的逐渐衰竭和人口增加，我国的近海渔业资源也逐渐减少，开发深远洋渔业资源意义重大，特别是极地渔业资源。为此，对国内捕捞设备的大型化、自动化、智能化和安全可靠提出了更高要求。通过对南极磷虾船拖网绞车控制系统的设计研究，有助于我们掌握长期被海洋强国垄断的远洋捕捞技术；通过自动控制系统设计和应用，提高拖网绞车操作安全性、可靠性和国产化率；利用自动化技术提高网具和环境的自动映射和匹配，达到提高网具效能的最优化，进一步提升拖网捕捞作业效率，践行国家发展规划，寻找出开发南极磷虾产业甚至远洋水产品产业的关键路径。参考文献1胡庆松、王曼、陈雷雷、李俊.我国远洋渔船现状及发展策略J。上海，渔业现代化，2016（43）4.2 王志勇、汤涛林.渔船拖网绞车张力自动控制系统设计及试验 J。农业工程学报，2017（1）.