论文部分内容阅读
摘 要：拖缆机主要用于拖带没有自航能力或失去自航能力的船舶和海上设施，是救助船舶的重要设备，在历次救助拖带任务中发挥了关键的作用。准确的缆绳张力显示可以直观判断缆绳受力情况，本文主要介绍某轮拖缆机缆绳张力显示故障分析与排查过程，供参考。
关键词：拖缆机;滚筒;缆绳;动态;张力
0 引 言
某专业救助船舶配备了新加坡ZICON公司生产的AHTW-200-200-01型液压拖缆机。该拖缆机有上下双滚筒，各配有2台双速液压马达，能同时或独立工作，额定拉力可达到2 000 kN，刹车力3 600 kN，上下滚筒容绳量分别为Ф70 mm×1 200 m（钢缆）、Ф70 mm×500 m（钢缆）+Ф72 mm×400 m（高分子强力缆）。其控制系统采用以PLC控制器为主，结合继电接触器所组成的一套高度集成化、智能化的控制系统，控制精准、功能强大，可在驾駛台遥控操纵和机旁就地操纵。
1 故障现象
某次拖带作业，在操纵拖缆机上滚筒进行收放缆绳过程中，驾驶台、机旁操纵面板和触摸屏上缆绳张力显示均为零，刹车闭合之后才有张力显示。而操纵下滚筒进行收放缆绳和刹车闭合后的缆绳张力均显示正常。由于上下滚筒缆绳配置不同，正常拖带作业是以上滚筒为主用，这就导致操纵人员无法准确判断收、放拖缆过程中缆绳的受力情况，这极大地影响了接拖、解拖作业安全，必须尽快排查故障。
2 缆绳长度及张力检测原理
该拖缆机控制系统配备了缆绳的张力与长度检测功能，以实现在收放缆绳及拖带过程中对缆绳受力情况的监测，其中张力值又是在缆绳长度的基础上计算得出，缆绳长度及张力检测电气原理如图1所示。
2.1 缆绳长度检测原理
缆绳长度检测传感器采用的是欧姆龙E6F-CWZ5C增量型编码器，安装在由滚筒大齿轮带动的小齿轮轴上，随小齿轮转动，编码器转动时输出脉冲信号，A、B、Z三相，其中A、B两相相差90°，Z相是编码器每转过一圈发出一个脉冲，三相输出至高速计数器单元，计数结果送入CJ2M-CPU15控制器，由控制器计算出小齿轮转动方向、转过圈数及转过角度，再结合厂家预设参数计算出缆绳长度数值，由1#模拟量输出模块输出至缆绳长度显示窗口进显示，以及由通讯模块输出至触摸屏显示。另外，控制器又利用这个长度数值根据滚筒每层的实际缆绳长度计算出缆绳出缆点与滚筒中心距离，为计算缆绳张力提供数据。
2.2 缆绳张力检测原理
缆绳的张力又分为动态张力和静态张力，动态张力指的是缆绳在收放过程中的张力，装在供油管路上的液压油压力传感器将液压压力信号转换为电信号，由2#模拟量输入模块输入至CJ2M-CPU15控制器，控制器结合当前滚筒转速、缆绳出缆点与滚筒中心距离计算得出动态张力数值。静态张力是指滚筒刹车合上滚筒不动，拖带过程中缆绳所受到的张力。这时，张力的测量由装在滚筒刹车机构的一个横向轴销内的应变电阻检测，缆绳受力使得刹车机构产生弹性形变，带动横向轴销里面的应变电阻产生形变，经变送处理单元转换为电信号输出至1#模拟量输入模块再输入至CJ2M-CPU15控制器，控制器根据此电信号大小及当前缆绳出缆点与滚筒中心距离计算出缆绳张力数值。控制器再根据滚筒刹车的状态选择输出动态张力值还是静态张力值进行显示，刹车打开输出动态张力值，刹车闭合输出静态张力值，由1#模拟量输出模块输出至缆绳张力显示窗口显示，以及由通讯模块输出至触摸屏显示。缆绳动态静态张力与动态张力的计算都需要用到缆绳出缆点到滚筒中心距离，而这个距离是通过缆绳放出长度及滚筒每层缆绳实际长度计算得出，所以只有保证缆绳长度测量准确，缆绳张力数值才能准确，如此缆绳长度的检测准确显得尤为重要。
3 故障分析与排查
3.1 故障分析
根据故障现象和缆绳长度及张力检测原理分析可知：动态张力与静态张力在CJ2M-CPU15控制器输出部分是同一电路，只是根据滚筒刹车是否闭合选择输出动态张力值还是静态张力值进行显示，而刹车闭合后的静态张力显示是正常的，那么在CJ2M-CPU15控制器输出电路也应该是正常的，所以故障应该是出现在动态张力压力传感器至CJ2M-CPU15控制器输入电路部分。
根据缆绳动态张力输入端电气原理如图2所示，分析可知：上、下滚筒动态张力在2#模拟量输入模块输出部分是同一电路，而下滚筒的动态张力显示是正常的，那么在2#模拟量输入模块输出电路也应该是正常的，所以可以进一步确定故障应该是出现在上滚筒动态张力压力传感器至2#模拟量输入模块输入电路部分。可能的原因有：
（1）2#模拟量输入模块（上滚筒部分）内部程序错误;
（2）上滚筒动态张力压力传感器故障;
（3）上滚筒压力传感器至2#模拟量输入模块输入电路部分接线松动或接触不良。
3.2 故障排查
在2#模拟量输入模块上，将上、下滚筒动态张力传感器输入的接线A1、A2、A5和B1、B2、B5分别对调，打开滚筒刹车，分别操纵拖缆机上、下滚筒收放缆绳，上滚筒张力有显示，而下滚筒张力无显示，所以基本可以排除可能原因（1）：2#模拟量输入模块（上滚筒部分）内部程序错误。
上滚筒动态张力压力传感器有3根接线，TS+为电源正极，TS-为公共端，AD5+为信号输出端，分别接至电源正极、负极及2#模拟量输入模块的A1输入口。测量传感器电源TS+、TS-两端电压24.5 V正常。将下滚筒压力传感器拆下装至上滚筒，打开滚筒刹车，操纵拖缆机上滚筒收放缆绳，张力无显示，所以基本可以排除可能原因（2）：上滚筒动态张力压力传感器故障。
排除了可能原因（1）和（2），所以基本可以锁定故障的原因是（3）：上滚筒压力传感器至2#模拟量输入模块输入电路部分接线松动或接触不良。查看电路图，动态张力输入端接线如图3所示：压力传感器是先接至一个14针的电缆束接口，再接到PLC控制箱的接线排，最后再接到2#模拟量输入模块的A1输入口。拆下2#模拟量输入模块A1口接线，把接线搭地，再拆下上滚筒压力传感器接线，测量传感器这端接线对地绝缘，如果为0则线路通，无穷大则线路不通，测量结果显示果然线路不通。按此方法又测量了PLC接线排到14针电缆束接头AD5+对应的12号针脚的通断，结果对地绝缘200 kΩ左右;再次插上接头测量传感器到PLC通断，这次结果对地绝缘1 000 kΩ左右，所以应该是14针电缆束接口接触不良导致。仔细观察接口针脚及另一端插口，上面都有一层氧化层，特别12针脚最严重。用细砂纸及电气清洁剂对针脚及插口进行打磨和清洁，装复再测量通断，恢复正常，打开滚筒刹车，操纵拖缆机上滚筒收放缆绳，动态张力显示正常。
本次故障根本原因，应该是该电缆线束接口在拖缆机长期使用过程中发生松动，潮气进去导致个别针脚表面氧化，接触电阻越来越大，直至故障发生。查看该电缆线束里还有控制上滚筒收放的比例电磁阀等接线，若情况继续恶化，有可能引发拖缆机更大故障，也算消除了一次故障隐患。
4 结 语
拖缆机控制整个系统较为复杂，理清其中的逻辑关系及各种功能的实现方法，再结合具体的电气图纸，理解起来就会容易得多，对查找故障往往也能起到事半功倍的效果。在电气故障查找中，远距离的线路传输发生断路是一种常见故障，将线缆一头接地，测量另一头的对地绝缘，以此来判断线路通断，是一种简单快捷的方法。若接线线号缺失或无法辨认，用此方法也可以快速地找到对应接线。
关键词：拖缆机;滚筒;缆绳;动态;张力
0 引 言
某专业救助船舶配备了新加坡ZICON公司生产的AHTW-200-200-01型液压拖缆机。该拖缆机有上下双滚筒，各配有2台双速液压马达，能同时或独立工作，额定拉力可达到2 000 kN，刹车力3 600 kN，上下滚筒容绳量分别为Ф70 mm×1 200 m（钢缆）、Ф70 mm×500 m（钢缆）+Ф72 mm×400 m（高分子强力缆）。其控制系统采用以PLC控制器为主，结合继电接触器所组成的一套高度集成化、智能化的控制系统，控制精准、功能强大，可在驾駛台遥控操纵和机旁就地操纵。
1 故障现象
某次拖带作业，在操纵拖缆机上滚筒进行收放缆绳过程中，驾驶台、机旁操纵面板和触摸屏上缆绳张力显示均为零，刹车闭合之后才有张力显示。而操纵下滚筒进行收放缆绳和刹车闭合后的缆绳张力均显示正常。由于上下滚筒缆绳配置不同，正常拖带作业是以上滚筒为主用，这就导致操纵人员无法准确判断收、放拖缆过程中缆绳的受力情况，这极大地影响了接拖、解拖作业安全，必须尽快排查故障。
2 缆绳长度及张力检测原理
该拖缆机控制系统配备了缆绳的张力与长度检测功能，以实现在收放缆绳及拖带过程中对缆绳受力情况的监测，其中张力值又是在缆绳长度的基础上计算得出，缆绳长度及张力检测电气原理如图1所示。
2.1 缆绳长度检测原理
缆绳长度检测传感器采用的是欧姆龙E6F-CWZ5C增量型编码器，安装在由滚筒大齿轮带动的小齿轮轴上，随小齿轮转动，编码器转动时输出脉冲信号，A、B、Z三相，其中A、B两相相差90°，Z相是编码器每转过一圈发出一个脉冲，三相输出至高速计数器单元，计数结果送入CJ2M-CPU15控制器，由控制器计算出小齿轮转动方向、转过圈数及转过角度，再结合厂家预设参数计算出缆绳长度数值，由1#模拟量输出模块输出至缆绳长度显示窗口进显示，以及由通讯模块输出至触摸屏显示。另外，控制器又利用这个长度数值根据滚筒每层的实际缆绳长度计算出缆绳出缆点与滚筒中心距离，为计算缆绳张力提供数据。
2.2 缆绳张力检测原理
缆绳的张力又分为动态张力和静态张力，动态张力指的是缆绳在收放过程中的张力，装在供油管路上的液压油压力传感器将液压压力信号转换为电信号，由2#模拟量输入模块输入至CJ2M-CPU15控制器，控制器结合当前滚筒转速、缆绳出缆点与滚筒中心距离计算得出动态张力数值。静态张力是指滚筒刹车合上滚筒不动，拖带过程中缆绳所受到的张力。这时，张力的测量由装在滚筒刹车机构的一个横向轴销内的应变电阻检测，缆绳受力使得刹车机构产生弹性形变，带动横向轴销里面的应变电阻产生形变，经变送处理单元转换为电信号输出至1#模拟量输入模块再输入至CJ2M-CPU15控制器，控制器根据此电信号大小及当前缆绳出缆点与滚筒中心距离计算出缆绳张力数值。控制器再根据滚筒刹车的状态选择输出动态张力值还是静态张力值进行显示，刹车打开输出动态张力值，刹车闭合输出静态张力值，由1#模拟量输出模块输出至缆绳张力显示窗口显示，以及由通讯模块输出至触摸屏显示。缆绳动态静态张力与动态张力的计算都需要用到缆绳出缆点到滚筒中心距离，而这个距离是通过缆绳放出长度及滚筒每层缆绳实际长度计算得出，所以只有保证缆绳长度测量准确，缆绳张力数值才能准确，如此缆绳长度的检测准确显得尤为重要。
3 故障分析与排查
3.1 故障分析
根据故障现象和缆绳长度及张力检测原理分析可知：动态张力与静态张力在CJ2M-CPU15控制器输出部分是同一电路，只是根据滚筒刹车是否闭合选择输出动态张力值还是静态张力值进行显示，而刹车闭合后的静态张力显示是正常的，那么在CJ2M-CPU15控制器输出电路也应该是正常的，所以故障应该是出现在动态张力压力传感器至CJ2M-CPU15控制器输入电路部分。
根据缆绳动态张力输入端电气原理如图2所示，分析可知：上、下滚筒动态张力在2#模拟量输入模块输出部分是同一电路，而下滚筒的动态张力显示是正常的，那么在2#模拟量输入模块输出电路也应该是正常的，所以可以进一步确定故障应该是出现在上滚筒动态张力压力传感器至2#模拟量输入模块输入电路部分。可能的原因有：
（1）2#模拟量输入模块（上滚筒部分）内部程序错误;
（2）上滚筒动态张力压力传感器故障;
（3）上滚筒压力传感器至2#模拟量输入模块输入电路部分接线松动或接触不良。
3.2 故障排查
在2#模拟量输入模块上，将上、下滚筒动态张力传感器输入的接线A1、A2、A5和B1、B2、B5分别对调，打开滚筒刹车，分别操纵拖缆机上、下滚筒收放缆绳，上滚筒张力有显示，而下滚筒张力无显示，所以基本可以排除可能原因（1）：2#模拟量输入模块（上滚筒部分）内部程序错误。
上滚筒动态张力压力传感器有3根接线，TS+为电源正极，TS-为公共端，AD5+为信号输出端，分别接至电源正极、负极及2#模拟量输入模块的A1输入口。测量传感器电源TS+、TS-两端电压24.5 V正常。将下滚筒压力传感器拆下装至上滚筒，打开滚筒刹车，操纵拖缆机上滚筒收放缆绳，张力无显示，所以基本可以排除可能原因（2）：上滚筒动态张力压力传感器故障。
排除了可能原因（1）和（2），所以基本可以锁定故障的原因是（3）：上滚筒压力传感器至2#模拟量输入模块输入电路部分接线松动或接触不良。查看电路图，动态张力输入端接线如图3所示：压力传感器是先接至一个14针的电缆束接口，再接到PLC控制箱的接线排，最后再接到2#模拟量输入模块的A1输入口。拆下2#模拟量输入模块A1口接线，把接线搭地，再拆下上滚筒压力传感器接线，测量传感器这端接线对地绝缘，如果为0则线路通，无穷大则线路不通，测量结果显示果然线路不通。按此方法又测量了PLC接线排到14针电缆束接头AD5+对应的12号针脚的通断，结果对地绝缘200 kΩ左右;再次插上接头测量传感器到PLC通断，这次结果对地绝缘1 000 kΩ左右，所以应该是14针电缆束接口接触不良导致。仔细观察接口针脚及另一端插口，上面都有一层氧化层，特别12针脚最严重。用细砂纸及电气清洁剂对针脚及插口进行打磨和清洁，装复再测量通断，恢复正常，打开滚筒刹车，操纵拖缆机上滚筒收放缆绳，动态张力显示正常。
本次故障根本原因，应该是该电缆线束接口在拖缆机长期使用过程中发生松动，潮气进去导致个别针脚表面氧化，接触电阻越来越大，直至故障发生。查看该电缆线束里还有控制上滚筒收放的比例电磁阀等接线，若情况继续恶化，有可能引发拖缆机更大故障，也算消除了一次故障隐患。
4 结 语
拖缆机控制整个系统较为复杂，理清其中的逻辑关系及各种功能的实现方法，再结合具体的电气图纸，理解起来就会容易得多，对查找故障往往也能起到事半功倍的效果。在电气故障查找中，远距离的线路传输发生断路是一种常见故障，将线缆一头接地，测量另一头的对地绝缘，以此来判断线路通断，是一种简单快捷的方法。若接线线号缺失或无法辨认，用此方法也可以快速地找到对应接线。