錨機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展綜述

張書忠

(上海宏華海洋油氣裝備有限公司工程設(shè)計(jì)部，上海201206 )

0 引言

錨機(jī)作為海洋工程浮式建筑物（以下簡(jiǎn)稱浮式物）極重要的甲板機(jī)械之一，是必不可缺的，其作用在于保證浮式物安全停泊于水面、系泊于碼頭等位置。

一般錨機(jī)均采用錨鏈為系索。一方面笨重粗大的錨鏈系索難以纏繞在滾筒之上，只有通過(guò)錨鏈輪傳動(dòng)進(jìn)出完成起、收錨的動(dòng)作；另一方面，在起、收錨的過(guò)程中，復(fù)雜的外力（如風(fēng)、海浪，海流等）環(huán)境導(dǎo)致錨及錨鏈的運(yùn)動(dòng)狀況變得復(fù)雜，這給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制帶來(lái)了極大的不便。同時(shí)，隨著近若干年來(lái)海洋石油裝備的日趨大型化和工作深水的逐漸增大，其錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就顯得更加重要，對(duì)錨機(jī)的配置則提出了更高功率、更大的抗外力能力的要求。本文結(jié)合錨機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對(duì)此加以綜合性闡述。為此，下面我們先簡(jiǎn)單了解一下錨機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

1 錨機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般特點(diǎn)

當(dāng)浮式物（如各種船舶及海洋鉆井平臺(tái)等）在水中錨泊時(shí)，必須將錨及錨鏈拋出，讓錨抓進(jìn)水底泥土中，將浮式物固定。在水較淺處，則可拋開(kāi)錨機(jī)制動(dòng)器，依靠錨和錨鏈的自重進(jìn)行重力拋錨。這種方式速度快，靠手動(dòng)帶式制動(dòng)器控制拋錨速度（或采用電液控制制動(dòng)器）；但在水深大于50 m處拋錨，手動(dòng)則難以控制平穩(wěn)，而如果采用電動(dòng)拋錨，電機(jī)則處于再生制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。

而起錨時(shí)，錨機(jī)必須有足夠的力矩克服風(fēng)、浪、水流、錨鏈阻力等才能收起錨鏈。一般地，起錨有正常起錨和應(yīng)急起錨兩種情況。對(duì)于正常起錨，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程按照拉力的變化特性可分為五個(gè)階段，各階段的力的作用情況均不相同，力矩與錨鏈長(zhǎng)度之間呈典型的非線性關(guān)系。而所謂應(yīng)急起錨，是指當(dāng)水深大于錨鏈的長(zhǎng)度時(shí)，錨拋不到海底，錨機(jī)應(yīng)能將懸于水中的錨及錨鏈?zhǔn)掌饋?lái)。這種情況工作繁重，安全可靠性要求高。關(guān)于錨機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步定性定量分析，讀者可以查閱更多的關(guān)于甲板機(jī)械、外舾裝內(nèi)容的手冊(cè)或文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[1]和[2]。

2 目前錨機(jī)電驅(qū)動(dòng)基本概況和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為了實(shí)現(xiàn)前述錨機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行控制，以前國(guó)內(nèi)的錨機(jī)控制系統(tǒng)大都采用機(jī)電液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式[1,3,4,5,6,7]，速度控制為交流雙速和交流三速兩種類型。傳統(tǒng)的交流雙速和三速驅(qū)動(dòng)方式主要由總電源斷路器、接觸器、熱繼電器、凸輪開(kāi)關(guān)、時(shí)間繼電器和其它輔助器件構(gòu)成。其中,凸輪開(kāi)關(guān)主要作用是為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以及低、中、高三速的運(yùn)行方式。更詳細(xì)的繼電邏輯動(dòng)作說(shuō)明參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。這種傳統(tǒng)的繼電邏輯控制雖然價(jià)格低廉也能實(shí)現(xiàn)基本控制功能的要求，但機(jī)械故障率相對(duì)較高，可靠性差。近年來(lái)，隨著有關(guān)設(shè)備機(jī)械性能的加大，水深尺度的增加，常規(guī)的交流雙速和三速驅(qū)動(dòng)很難達(dá)到使用要求，設(shè)備發(fā)生故障的幾率增多，達(dá)不到設(shè)備運(yùn)行要求，,設(shè)備維護(hù)、維修工作加重。我們知道，近二十多年來(lái)，PLC和交流變頻調(diào)速技術(shù)得到極大發(fā)展，是當(dāng)前自動(dòng)化控制領(lǐng)域比較成熟的技術(shù)和技術(shù)產(chǎn)品，很多領(lǐng)域的繼電邏輯控制均被以PLC為核心控制器的程序控制所代替。目前，我國(guó)在錨機(jī)自動(dòng)化控制方面，一類情況是用PLC實(shí)現(xiàn)繼電邏輯的升級(jí)，其它基本不作太大的設(shè)計(jì)改變，電機(jī)調(diào)速還保留傳統(tǒng)的雙速或三速，非無(wú)級(jí)調(diào)速形式；另一類情況則是采用PLC為控制核心，交流變頻調(diào)速器進(jìn)行速度控制，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；這后一種情況目前已經(jīng)逐漸成為主流。較之以往產(chǎn)品，這兩類產(chǎn)品都大幅度提高了安全可靠性，維護(hù)維修工作大幅度減少，操作更加人性化。下面分別對(duì)這兩類設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)品給與介紹。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]以及有關(guān)設(shè)備商提供的有關(guān)資料，經(jīng)過(guò)新的技術(shù)改造后其電氣線路主要部分如圖1所示。

從圖1我們可以看出經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后的電氣線路大大簡(jiǎn)化，并且PLC本身具有很高的無(wú)故障率，提高了系統(tǒng)的安全可靠性，維護(hù)查找故障也非常方便。但這種形式的技術(shù)改造還不是很徹底，只是在部分邏輯和功能上予以了簡(jiǎn)化。更先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想則是將有關(guān)的檢測(cè)、顯示參數(shù)以及與采用變頻調(diào)速綜合起來(lái)考慮，同時(shí)結(jié)合實(shí)際檢測(cè)控制參數(shù)并輔以智能控制算法的實(shí)時(shí)控制。如海洋石油941、 981項(xiàng)目均使用變頻調(diào)速系統(tǒng)，這樣充分發(fā)揮變頻調(diào)速器本身的多功能調(diào)速特點(diǎn)，在硬件線路上較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了雙速、三速調(diào)節(jié)。而讀取有關(guān)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、電流、電壓等也變得極為方便。

圖1 改造后的主控線路

根據(jù)有關(guān)規(guī)定和便于操作，錨機(jī)控制系統(tǒng)必須要有電流、電壓、運(yùn)行 /停止指示燈、帶剎位置指示、電機(jī)抱閘位置指示、離合位置指示、故障指示和報(bào)警，并能顯示錨鏈長(zhǎng)度、張力、錨鏈運(yùn)動(dòng)速度等的功能。相應(yīng)的傳感器將有關(guān)檢測(cè)信號(hào)送 PLC處理后可以方便的傳到有關(guān)顯示終端設(shè)備上去。國(guó)內(nèi)比較典型的設(shè)計(jì)思想基本如文獻(xiàn)[8]和[9]所介紹，所采用的傳感器也基本上是編碼器、限位開(kāi)關(guān)、接近式開(kāi)關(guān)等設(shè)備。在此需特別指出的是錨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在功能上一定要有超速自動(dòng)剎車、溜錨自動(dòng)剎車的功能，對(duì)深水錨、大型錨尤其如此。否則，在發(fā)生超速、溜錨是很危險(xiǎn)的事情，易造成事故。

南海-5號(hào)是我國(guó)較早的最為典型的半潛式海洋鉆井平臺(tái)，其為8點(diǎn)錨泊系統(tǒng)，在實(shí)際使用過(guò)程中由于存在較多的不便和問(wèn)題，文獻(xiàn) [9]介紹，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)智能化技術(shù)改造后不但自動(dòng)化程度和工作效率得到提高，而且可以極為方便的實(shí)現(xiàn)集中控制。該系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖如圖2所示。

顯然，這種思想屬于局部系統(tǒng)的集中控制，是一個(gè)完整的帶有SCADA/HMI的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；如果該系統(tǒng)納入全船集中控制，只需要增加部分必要的設(shè)備，變更一下有關(guān)檢測(cè)終端設(shè)備相互連接方式，改變安裝位置就可以實(shí)現(xiàn)與全船集中自動(dòng)化控制的無(wú)縫連接。該系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急釋放功能。所謂應(yīng)急釋放是船舶或鉆井平臺(tái)在遇到臺(tái)風(fēng)、大浪等惡劣天氣或其它緊急情況時(shí)，錨機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)急措施，釋放過(guò)程要求以最短時(shí)間釋放錨鏈以使平臺(tái)進(jìn)行定位。前文已經(jīng)介紹過(guò)其含義，其關(guān)鍵應(yīng)急釋放邏輯如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖

圖3 應(yīng)急釋放邏輯

這種應(yīng)急邏輯功能作為錨機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是非常有必要的，以達(dá)到應(yīng)急狀態(tài)下系統(tǒng)可能需要的基本功能。

目前，國(guó)內(nèi)錨機(jī)系統(tǒng)控制最先進(jìn)的應(yīng)當(dāng)是上海復(fù)興船務(wù)劉希滬、姜偉在文獻(xiàn)[10]中介紹的用于其公司內(nèi)部無(wú)人駁船的錨機(jī)控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)增加了無(wú)線功能，錨機(jī)系統(tǒng)作業(yè)幾乎達(dá)到了無(wú)人化的程度，幾乎完全改變了傳統(tǒng)錨機(jī)作業(yè)的方式。而進(jìn)行無(wú)線技術(shù)性能的擴(kuò)展，在設(shè)備投資追加上并沒(méi)有增加太多；使用和維護(hù)上也沒(méi)有增加太多的復(fù)雜度和工作量。當(dāng)然，截止目前在國(guó)內(nèi)海洋石油鉆井平臺(tái)上尚未見(jiàn)到此種技術(shù)水平的錨機(jī)控制系統(tǒng)；鑒于海洋石油平臺(tái)作業(yè)的復(fù)雜性以及作業(yè)的安全可靠性，這種采用交流變頻加無(wú)線技術(shù)的控制思想是值得推廣和進(jìn)一步發(fā)展的。

通過(guò)筆者多方考察了解，目前國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)錨機(jī)控制系統(tǒng)大致上如下所述：

主控以PLC、交流變頻調(diào)速器為主，根據(jù)實(shí)際需要可以采用單變頻調(diào)速器直接接線方式或共用直流母線方式。由于采用變頻調(diào)速裝置，其帶來(lái)一定程度的諧波污染，這樣在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)就必須考慮采取措施，如增加電抗，有源濾波器等設(shè)備部件，以減小降低諧波污染程度。采用直流共母線接線方式，在非定位工作狀態(tài)下，可以針對(duì)有關(guān)生產(chǎn)狀況，投入運(yùn)行相關(guān)變頻調(diào)速器去驅(qū)動(dòng)其它與定位無(wú)關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備做到最大化的發(fā)揮變頻調(diào)速器裝置的效能，這種思想完全可行的；當(dāng)然，對(duì)于船舶或海洋平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)安全可靠是最重要的,所以采用這種控制方式和共用變頻調(diào)速器時(shí)要特別注意變頻裝置的性能技術(shù)指標(biāo)問(wèn)題，在此筆者不作詳述。

上位機(jī)一般是就地安裝在操作臺(tái)上，可以采用一般的文本顯示器或觸摸顯示終端（此類情況較多）或IPC；這樣便于操作和監(jiān)視有關(guān)設(shè)備技術(shù)參數(shù)等。這種情況目前較多。

另外一種情形就是在遠(yuǎn)端中央控制室（ECR）進(jìn)行有關(guān)的操作與監(jiān)視，室內(nèi)設(shè)獨(dú)立的上位機(jī)設(shè)備，跟VMS或DCS系統(tǒng)整合在一起，便于統(tǒng)一的管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙功能。這種遠(yuǎn)端設(shè)置上位機(jī)的工作方式不是必要的卻是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

上位機(jī)與下位機(jī)大多數(shù)技術(shù)參數(shù)采用通訊方式（本文例子采用RS485通訊接口實(shí)現(xiàn)，但這并不意味著實(shí)際設(shè)備僅僅采用單一的通訊接口方式去實(shí)現(xiàn)，一般由系統(tǒng)設(shè)備制造商所選擇的PLC及變頻調(diào)速器通訊接口來(lái)決定的，如CC-LINK,PROFIBUS, CANBUS等）傳遞。

而無(wú)線控制功能作為就地操作功能的一部分，在實(shí)際的操錨時(shí)用到，這樣可以省去常規(guī)的插接式柔性拖拉主令控制板。這種無(wú)線遙控操作形式目前也越來(lái)越多。

就經(jīng)濟(jì)性方面考慮，采用變頻調(diào)速和 PLC等智能化為核心的部件設(shè)計(jì)制造的系統(tǒng)無(wú)疑要大于一般常規(guī)的繼電邏輯系統(tǒng)。但對(duì)深水，大功率錨機(jī)控制來(lái)說(shuō)，一般的繼電邏輯并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)可言。綜合考慮性能價(jià)格比，采用變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)明顯。目前，行業(yè)內(nèi)多數(shù)用戶對(duì)深水和大功率錨機(jī)的控制都傾向于采用PLC+變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

以下是筆者為某自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目擬定的系統(tǒng)主要配置情況 ：

● 控制柜4套（每套含1臺(tái)變頻調(diào)速器）

● PLC控制器一套（含無(wú)線發(fā)射單元）

● 操作單元文本顯示器或觸摸顯示終端4套

● 上位計(jì)算機(jī)或顯示終端1套

● 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4套（每套含編碼器 1套，接近式開(kāi)關(guān) 2只或限位開(kāi)關(guān) 4只，張力傳感器 4套）

● 無(wú)線控制終端1套，備用控制終端1套

● 就地操作臺(tái) 4套（即無(wú)線系統(tǒng)不用時(shí)也可以進(jìn)行相關(guān)技術(shù)操作，同時(shí)也起到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試維修時(shí)的方便）

由于控制系統(tǒng)的安裝位置和船舶或海洋平臺(tái)空間的有限性，同時(shí)考慮設(shè)備操作的便利性，上面給出的配置方案沒(méi)有考慮對(duì)變頻調(diào)速器采用直流共母線集中組柜方式，仍然采用獨(dú)立的變頻驅(qū)動(dòng)柜分散布置安裝方式。

3 結(jié)論

錨機(jī)作為海洋船舶或海洋平臺(tái)等海洋浮式結(jié)構(gòu)物上較為獨(dú)立的一個(gè)控制系統(tǒng)，其在實(shí)現(xiàn)上并不十分復(fù)雜，但要真正達(dá)到良好的設(shè)備運(yùn)行效果，必須提高其產(chǎn)品自動(dòng)化控制方面的技術(shù)含量，完善其功能，并充分采用較新的智能化自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)品設(shè)備部件。

采用PLC、變頻調(diào)速器、智能化顯示終端、傳感器等構(gòu)成的錨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)小型自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較為獨(dú)立特點(diǎn)，但同時(shí)又易于接入到完整的大VMS或DCS系統(tǒng)中去，這種具有良好控制性能與實(shí)時(shí)監(jiān)控功能的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是目前錨機(jī)自動(dòng)控制的主流思想，也是大發(fā)展方向。

[1]馬偉明, 張曉峰等. 中國(guó)電氣工程大典, 第12卷（船舶卷）中國(guó)電力出版社, 2009.

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