小型系留气球地面锚泊系统综述
喻庐荣
摘要：地面锚泊系统是影响系留气球升空和回收的关键要素，直接关系到系留气球系统作为空中平台的可靠性。本文在介绍锚泊系统功能和设计原则的基础上，同时对其组成部分及相关原理进行阐述。
关键词：系留气球；锚泊系统；升空回收
0 引言
系留气球作为一种新兴的空中载荷平台，具有滞空时间长、使用成本低、能源消耗少、操作维护简单、易于架设拆收等特点，广泛应用于预警、侦察、通信、安防等相关领域。地面锚泊系统作为系留气球平台的重要组成部分，使得气球在牵引绞盘，系留缆绳的牵引下实现升空、下降、空中系泊等所需的状态，从而满足任务系统在空中工作的需要。
1 地面锚泊系统的功能与设计原则
地面锚泊系统的主要功能是将系留气球升至高空进行稳定的工作，以及不工作时的回收系留，或者根据任务需要长期停留在某一高度进行滞空。锚泊系统通过系留缆绳对系留气球实现空中定点系泊，保证其在空中工作的稳定性；另外，通过若干拉索对气球实施地面系留系固，方便技术人员对球体及球上设备进行维护或修理。在设计系留气球地面锚泊系统时，需要充分考虑以下几点：
第一，三点系留。系留气球通过球体头部的系留点和中部左右两处系留点对气球进行地面系留，因此地面锚泊系统应根据需要设置三部绞盘。系留时，将头部绞盘拉索、左右绞盘拉索分别接入头部机械绞盘和锚泊车两侧（侧臂）的左右机械绞盘，并由三台绞盘共同牵引球体到达地面系留位置；气球解系过程中，由三台机械绞盘同时控制系留气球，直至主缆绳受力，绞盘拉索完全放出，对其实现脱系。三点系留的设计可以有效克服常规浮空器工作时需要大量地面人员的间题，一定程度上降低了系留气球的使用成本。
第二，缆绳系泊。系留气球在收、放过程及滞空状态下，系留缆绳起拴系及牵引系留气球的作用，保证气球平台搭载任务载荷能够升至一定高度进行稳定工作；同时，系留缆绳也能起到电能传输、数据通讯、雷电泄放等功能。因此，地面锚泊系统应配备缆绳收放装置来实现对缆绳的牵引控制。
第三，快速收放。考虑到系留气球系统对恶劣气象环境的快速响应需要，地面锚泊设备应设计若干速度档位，以满足不同收放速度的要求，使得系留气球能够在恶劣天气来临之前快速回收至地面系留，保障装备的整体安全。
2 地面锚泊系统的组成及说明
系留气球地面锚泊系统的作用是确保系留气球能够进行可靠的升空和回收，并在指定的高度上正常工作以及地面的安全系留。地面錨泊系统主要由配电系统、缆绳收放装置、绞盘系留装置、电气控制系统、操控台几大部分组成，通过对主缆绳的收放完成系留气球的上升、下降以及滞空工作，通过对机械绞盘的操作，实现系留拉索的放线或收线，从而完成系留气球的解系和系留。
2.1 配电系统
配电系统主要由若干断路器、熔断器、保护开关以及电源检测装置构成，其主要功能是将输入的380V/50Hz三相五线交流电进行安全合理的分配，为后端机电动力设备和以220V/50Hz工作的空调、照明设施、控制系统等提供电力支持，并在输人出现过欠压或相序错误时能自动切断输入。
2.2 缆绳收放装置
系留气球缆绳收放装置安装于锚泊车的设备舱内，通过对系留缆绳的收放实现球体的放飞、回收和空中系泊。缆绳收放装置主要由牵引装置，收排线装置两部分组成。
2.2.1 牵引装置
牵引装置是收放系统的主驱动装置，提供收放缆绳所需要的牵引力和制动力，并且可以按照相应的收放速度指令进行缆绳的收线或放线。
牵引电机选用变频调速三相异步电机，配合变频器控制实现电机调速功能，且在2～50Hz范围内调速时具有恒转矩特性，即球体放飞和回收过程可实现不同速度下的恒转矩收放。牵引电机为牵引装置的动力源，并通过减速器将牵引电机的高转速小扭矩变换成低转速大扭矩驱动牵引齿轮，牵引轮依靠摩擦传力收放缆绳来完成球体的上升和下降，同时液压制动器保证了气球在滞空期间的可靠制动。
牵引轮共有两个，两轮都采用带有一定数量的半圆环槽的不锈钢轮，系留缆绳嵌在牵引轮的轮槽内，使其具有释放从气球侧进入的系留缆绳张力的功能。牵引轮各级轮槽通过静摩擦力将缆绳入口端的巨大载荷衰减为较小载荷，确保进入到收排线处的缆绳张力减小到某一设定值的范围，以利于收卷和排线装置将缆绳缠绕在储缆卷筒上，起到保护缆绳的作用。
2.2.2 收排线装置
收排线装置主要承担系留缆绳的存储及收放线过程中的排缆功能，保证从牵引装置引入的缆绳能整齐地排列收纳在储缆盘上，并提供足够的缆绳尾张力，使其与主牵引装置以相同的线速度运行。
缆绳收卷或放卷时，储缆卷筒盘径会发生变化，此时要保证缆绳收放的线速度和张力恒定，这就要求收卷电机具有恒功率特性。收卷力矩电机的力矩控制采用直接力矩控制方式，通过设定控制电压来确定力矩的大小，后经过减速器带动储缆盘跟随牵引装置收放缆绳同步运动。
排线装置包含变频电机、减速机、丝杆、导向杆以及支撑底座等构成，它能够将不同线径的缆绳整齐均匀地排列在储缆盘的表面。整套排线机构采用变频电机通过减速器驱动丝杆转动，从而带动排线轮沿导向杆做直线运动，保证储缆卷筒旋转一圈时，能够带动排线轮沿缆绳卷筒轴向移动一个缆绳直径的长度。在支架两端安装有换向开关，当排线轮触碰到换向开关时，排线电机逆向旋转，排线轮便反向运动，最终使得缆绳能够整齐均匀地排列在储缆盘上。
2.3 绞盘系留装置
绞盘系留装置主要由三台机械绞盘组成，绞盘的结构、指标均相同，包括绞盘电机、制动器、减速器、卷筒、排线器及支撑底座。三台绞盘分别布置于系留塔和锚泊车的左右两侧支臂，用以牵引头锥机械索具和左右机械索具，主要作用是在放缆初期和收缆后期辅助系留气球的放飞、回收及地面系留。其中绞盘电机经过减速器驱动卷筒来缠绕或释放机械拉索，同时卷筒通过链轮链条带动排线器排线。排线器的丝杆为双线丝杆，可自动实现换向；机械绞盘电机采用交流变频调速，具有高速和低速两种运行速度，方便不同场合操作的需要，并且电机带有刹车装置，可提供足够的制动力，保证气球的地面系留。
2.4 电气控制系统
电气控制系统接收来自操控台的控制信号，通过系统内部的电路完成缆绳收放装置、绞盘系留装置中各电气设备的联动控制，从而实现主缆绳、绞盘拉索的收线或放线，并同时完成相关反馈数据和报警信息的采集。电气控制系统由电机驱动调速、数据采集模块、故障报警模块、通信模块组成。
2.4.1 电机驱动调速
电机驱动调速采用变频器控制方式，控制回路主要由继电器、接触器、变频器、制动电阻等电气元件构成。
操控台内部PLC（可编程逻辑控制模块）在接收面板开关的操作指令输入后，处理器按照预先设置的程序，使得PLC数字量模块输出电压信号触发继电器触点动作，给出变频器相应的运行信号，同时PLC模拟量模块输出0～10V调速信号对应变频器相应的输出频率，从而实现电机的变频调速功能；停机操作时，运行信号复位，调速信号输出0V，切断变频器输出，电机停止工作。
2.4.2 数据采集模块
数据采集模块包括模拟量的采集，开关量的采集及从变频器中读取有关数据。数据源主要由编码器、拉力传感器、限位开关、接近开关等组成，分别采集缆绳张力、缆绳放出长度、储缆卷筒转速以及各电机变频器的运行反馈、排线机构的换向等信号。其中放缆长度由主牵引齿轮上的接近开关测量脉冲个数换算得出；缆绳张力由牵引装置前端人口处的拉力传感器采集并换算；储缆卷筒转速由储缆盘联动轴处的编码器测出；排线机构的换向信号由导杆两侧的限位开关触发并送至操控臺进行判断。
2.4.3 故障报警模块
通过对收放系统工作状态的监控，当系统出现运行错误时，报警模块将故障报警信号传送至上位机进行实时显示。报警信息类型主要包括主牵引变频器故障、主牵引制动器故障、力矩电机制动器故障、排线变频器故障、左中右绞盘变频器故障等。
2.4.4 通信模块
采用RS485总线将操控台内部的上位机、PLC和电气控制系统中的变频器、各传感器连接起来。通过编写可视化好、操作方便的上位机监控软件提高整个收放系统的自动化程度，既完成对收放设备的控制，也起到实时显示反馈数据和报警信息的功能。
2.5 操控台
2.5.1 硬件
操控台用来完成对缆绳收放装置、绞盘系留装置等设备的控制。操控台台面安装有笔记本计算机作为上位机，内部装有气球监控软件；台面布置相应的操作按钮和指示灯，其内部包含了可编程逻辑控制器（PLC）模块、继电器、保护开关等器件。
2.5.2 软件
操控台选用PLC（可编程逻辑控制器）作为控制核心，PLC扩展了数字量模块和模拟量模块，用来增加相应的数字量I/O接口和模拟量I/O接口；PLC采用梯形图语言编程，在STEP7 MICRO-WIN4.0集成开发环境下编写程序和调试；PLC程序分为主程序、初始化子程序、缆绳收放子程序、机械绞盘控制子程序等。
3 结束语
本文在分析系留气球地面锚泊系统组成结构的基础上，进一步阐述了电控系统的控制方式及有关原理。作为系留气球平台的重要组成部分，锚泊系统的设计必须依据系留气球系统总体设计方案，同时兼顾系留气球的使用模式和相关技术，从而提高整套装备外场应用的可靠性和使用效率。
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