摘 要：在現(xiàn)代造船行業(yè)中，艦船的制造過程已經(jīng)從傳統(tǒng)的單一船臺生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟M船臺協(xié)同作業(yè)的模式。這種模式要求各船臺之間的對接精度和穩(wěn)定性達到極高的標準，以確保艦船的整體質(zhì)量和性能。為了滿足這一需求，提出了一種基于Haiwell的多組船臺小車協(xié)同自動對接監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以自動識別船體分段的位置和姿態(tài)，調(diào)整小車的運動軌跡，從而實現(xiàn)船體分段的精確對接；可以實時監(jiān)控船體分段的制造過程，及時發(fā)現(xiàn)并處理出現(xiàn)的問題，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性；可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，靈活調(diào)整小車的運動參數(shù)和對接策略，以滿足不同類型和規(guī)格的艦船制造需求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護和升級，為現(xiàn)代造船業(yè)的自動化、智能化發(fā)展提供了新的思路。

關鍵詞：船臺小車；位姿調(diào)整；協(xié)調(diào)運動；同步控制；海為云組態(tài)軟件；PLC

中圖分類號：TP273+. 4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-00-04＼

0 引 言

在造船行業(yè)中，船廠的船體分段拼接方式主要包括傳統(tǒng)的龍門吊裝以及使用分段拼接設備。傳統(tǒng)的龍門吊裝方式即通過吊車吊運并操控船體分段進行對中拼接，這種方式的缺點明顯，存在安全系數(shù)低、對中精度難以把控、作業(yè)周期長、效率低下等問題。隨著智能制造技術(shù)的迅速發(fā)展，船廠在船體分段拼接方式上也進行了改進，逐步從傳統(tǒng)的龍門吊裝方式轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂梅侄纹唇釉O備進行拼接。分段拼接設備由主缸、副缸、三維小車、小車移動軌道等部分構(gòu)成，其工作原理是利用主缸和副缸托起分段，并通過三維小車進行三個維度、六個自由度的運動，從而精確調(diào)整分段姿態(tài)，實現(xiàn)高效對中。雖然該系統(tǒng)設備較多，安裝調(diào)試較為復雜，但其結(jié)構(gòu)性強、穩(wěn)定性高、定位精度高，因此倍受青睞[1-2]。

針對傳統(tǒng)龍門吊裝對中精度難以把控、效率低下等缺點，本文在分段拼接設備的基礎上，設計了一種基于Haiwell的多組船臺小車協(xié)同自動對接監(jiān)控系統(tǒng)，通過Haiwell組態(tài)軟件建立與下位機之間的通信，并搭建了一個監(jiān)控平臺。每臺小車上均配備了油缸、泵站、控制閥組、檢測元件、過濾器等組件，PLC負責實時采集各項數(shù)據(jù)，并將其上傳至上位機。上位機是基于Haiwell組態(tài)軟件開發(fā)的實時監(jiān)測平臺，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行分析與處理。

1 系統(tǒng)分析

為了使立體分段與基準立體總段達到拼接所要求的精度范圍，操作人員首先需要根據(jù)立體分段的質(zhì)量以及長度選擇合適的小車數(shù)量以及小車間距；然后利用測量儀采集船體上各個測點的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)傳輸至上位機，由上位機對這些數(shù)據(jù)進行處理。上位機通過對數(shù)據(jù)的分析得出此時立體分段的姿態(tài)，通過與立體總段的姿態(tài)進行對比，計算其達到拼接要求時的旋轉(zhuǎn)角度以及位移，再通過逆求解計算出每臺小車的運動量。每臺小車根據(jù)自己的運動量，協(xié)同執(zhí)行立體分段與立體總段的拼接作業(yè)。同時每臺小車的數(shù)據(jù)變化可以由Haiwell監(jiān)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。其流程如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

船臺小車自動對接監(jiān)控系統(tǒng)由一套全面的上位機監(jiān)控系統(tǒng)作為核心，同時每臺小車均配備了一套獨立的分控制系統(tǒng)以及一套高效的動力驅(qū)動系統(tǒng)，共同構(gòu)成了這一先進的監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

2.1 動力驅(qū)動系統(tǒng)

在三維小車的動力供電方面，采用三相五線制的供電方式。小車的動力電纜采用串接的方式進行連接，連接電纜通過重載連接器與每臺小車的動力分線箱進行連接[4]。動力連接原理如圖2所示。

2.2 通信控制

通信功能主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面為主站與從站之間的通信，旨在實現(xiàn)主站對從站的監(jiān)控、控制和數(shù)據(jù)交換；另一方面為主站與上位機之間的通信，負責將主站采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機，以便對數(shù)據(jù)進行管理與監(jiān)控[5]。

2.2.1 主站與從站通信

三維小車控制系統(tǒng)的通信采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)控制方式。通信電纜采用串接的方式進行連接，連接電纜通過PROFINET以太網(wǎng)連接器與每臺三維小車的控制箱進行連接[6-7]。

2.2.2 主站與上位機通信

可編程控制器（PLC）作為應用最廣泛的工業(yè)控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)秀、可在線修改等優(yōu)點。結(jié)合本系統(tǒng)的功能需求，選用西門子系列的PLC來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務。對于上位機，Haiwell的主要功能是讀取PLC所采集的數(shù)據(jù)，同時實時顯示數(shù)據(jù)以實現(xiàn)監(jiān)測和控制。通過通信協(xié)議將PLC與Haiwell云組態(tài)軟件連接在一起，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳送。PLC與Haiwell云組態(tài)軟件的通信方式如圖3所示。

2.3 小車分控制系統(tǒng)

小車分控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，控制液壓系統(tǒng)和動力驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行各項操作。系統(tǒng)中，上位機內(nèi)的大型PLC通過現(xiàn)場總線與各小車的分控制系統(tǒng)進行通信。小車分控制系統(tǒng)具有以下功能：行走控制功能、閥開關控制功能以及油缸運動控制功能。其中，閥開關控制功能以及油缸運動控制功能共同控制立體分段的姿態(tài)調(diào)整，行走控制功能控制各小車的協(xié)同運動。

2.3.1 姿態(tài)調(diào)整

本系統(tǒng)的研究重點在于準確描述待調(diào)整分段的姿態(tài)并據(jù)此實施有效的姿態(tài)調(diào)整策略。通過閥開關控制功能以及油缸運動控制功能的協(xié)同作用，小車能夠精確地完成待調(diào)整分段的姿態(tài)調(diào)整任務。結(jié)合分段的實際形狀，同時為了便于計算，本文使用圓柱體作為分段描述模型。以基準分段圓柱的首端面中心點作為原點構(gòu)建三維坐標系。設基準段左右兩個基準點a和b位于x軸上，且點a位于正半軸，點b位于負半軸；上下兩個基準點c和d位于y軸上，且點c位于正半軸，點d位于負半軸?；鶞识蔚奈蛔嗣枋鋈鐖D4所示。分段與基準段位于同一坐標系，分段前（后）端面四個測量點的定義同上，分段的位姿描述如圖5所示。

將待調(diào)整分段姿態(tài)調(diào)整為基準分段姿態(tài)的過程細分為五個步驟：第一步，分段沿x軸方向平移，使分段中心點到達（y， z）平面；第二步，分段沿y軸方向平移，使分段中心點到達z軸；第三步，分段水平旋轉(zhuǎn)，使分段軸線到達（y， z）平面；第四步，分段垂直旋轉(zhuǎn)，使分段軸線與z軸重合；第五步，分段沿軸線旋轉(zhuǎn)，使分段與基準段方向?qū)蔥8]。

2.3.2 協(xié)同運動

小車行走控制功能控制各小車之間的協(xié)同運動。離拼接段最近的小車為首車，離拼接段最遠的小車為尾車；面向拼接段左邊為主列，面向拼接段右邊為副列；首車到分段首端面的距離為首車距離，當首車在分段前面時，首車距離為正，否則為負，其余小車的距離以此類推，如圖6所示。

處于不同位置小車的水平調(diào)整量為：

（1）

式中：?x為分段首端面的水平調(diào)整量；?xk為處于第k個位置小車的水平調(diào)整量。

處于不同位置小車的垂直調(diào)整量為：

（2）

式中：?y為分段首端面的垂直調(diào)整量；?yk為處于第k個位置小車的垂直調(diào)整量。

當?xk（?yk）的符號為正時，液壓系統(tǒng)的主（輔）軸的運動方向與相應的坐標軸方向一致，否則運動方向相反。

3 Haiwell監(jiān)控系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)使用海為云組態(tài)軟件（Haiwell Cloud SCADA），海為云組態(tài)軟件是基于NET Framework的工業(yè)自動化監(jiān)控管理平臺軟件。海為云組態(tài)的 SCADA 運行端基于最新的技術(shù)打造，可跨平臺，擁有強大的運行性能[9]。

3.1 監(jiān)測界面設計

海為云組態(tài)軟件不僅集成了傳統(tǒng)上位機組態(tài)軟件的所有功能，還提供了更多功能。其具備強大的界面顯示組態(tài)功能，能夠構(gòu)建現(xiàn)場工藝流程的可視化界面，通過界面中的各種圖形元件與點位圖，工作人員可以直觀地掌握小車作業(yè)時的現(xiàn)場情況，實現(xiàn)實時監(jiān)控。工作人員只需點擊設備圖標，便能查看設備的運行狀態(tài)并對其進行遠程控制[10]。PLC采集的現(xiàn)場模擬量信號和數(shù)字量信號，均能在上位機界面中以文字或圖形的方式顯示?；谛≤嚤O(jiān)控系統(tǒng)的設計思想和控制策略，監(jiān)測主界面集成了組車設置功能，工作人員可以根據(jù)待調(diào)整分段的質(zhì)量以及長度，點擊“組車設置”按鈕以選擇合適的小車數(shù)量。此外，點擊“單動”按鈕便可進入所有小車的序號界面，在這個界面中任意點擊一個小車序號，便進入該序號小車的獨立監(jiān)測界面。監(jiān)測主界面如圖7所示。

3.2 獨立小車界面設計

Haiwell云組態(tài)軟件界面功能強大，包含豐富的圖庫、元器件庫，可供隨意選擇。在獨立界面中，工作人員能夠直觀地查看小車的各項數(shù)據(jù)，例如：小車的行走速度、油缸的位置、報警指示燈狀態(tài)等。啟動小車后，工作人員可以通過設置小車的速度，實現(xiàn)對小車行走的精確控制。小車的姿態(tài)調(diào)整由主、副缸協(xié)同實現(xiàn)，每個缸上配有光柵尺，以確保位置的閉環(huán)控制，實現(xiàn)精確定位。主推力油缸的下腔裝有壓力變送器，用于實時監(jiān)測壓力的變化，確保負荷的合理分布。同時，系統(tǒng)管路也裝有壓力變送器，用于對液壓系統(tǒng)工作壓力的監(jiān)測。小車的行走通過交流伺服電機實現(xiàn)，且行走速度連續(xù)可調(diào)，從而實現(xiàn)對小車行走位置的精確控制。系統(tǒng)不僅具備監(jiān)測油缸位置和負荷大小的功能，還能在監(jiān)測到異常情況時觸發(fā)聲光報警。出現(xiàn)異常情況時按下急停按鈕，即可立即中止正在執(zhí)行的動作。小車準備行走時會發(fā)出聲光報警，提醒現(xiàn)場工作人員，保證系統(tǒng)使用安全。此外，系統(tǒng)中還采取了多種抗電磁干擾措施，并對電機及電柜等關鍵部件實施了防水保護，以提升系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。獨立小車監(jiān)測界面如圖8所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)在分段拼接設備的基礎上，進行了一系列的改良及優(yōu)化，配備了多臺可根據(jù)實際情況參與調(diào)控的小車，以適應不同長度的分段拼接需求。通過選取合適的PLC設置參數(shù)，系統(tǒng)較好地滿足了對中誤差絕對值小于0.1 mm的高精度要求。本系統(tǒng)由兩列小車頂舉的平臺支撐船體分段，利用主、副缸電液伺服驅(qū)動和變頻調(diào)速電機精確控制每輛小車在六個自由度方向上的運動，從而調(diào)整船體分段的姿態(tài)。整個控制系統(tǒng)主要由上位機及各臺小車的分控制系統(tǒng)組成，有效簡化了工人的操作流程，減輕了勞動強度，顯著提高了分段拼接的效率和精度。目前，該監(jiān)控系統(tǒng)已投入實際應用，運行狀況良好，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

注：本文通訊作者為邱力。

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