基于變頻驅(qū)動的錨絞組合機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

毛立峰，董明曦，夏海紅

（中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

基于變頻驅(qū)動的錨絞組合機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

毛立峰，董明曦，夏海紅

（中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

介紹了一種新型錨絞組合機(jī)的原理和設(shè)計(jì)方案。針對錨機(jī)及絞車不同工況下的負(fù)載特性采用變頻調(diào)速的驅(qū)動形式，以S7-300PLC作為控制單元，運(yùn)用恒功率控制、恒張力控制、抱閘控制及智能減速技術(shù)，提高了設(shè)備的自動化水平。投入使用后表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單，具有良好的可靠性。

變頻；錨絞組合機(jī)；恒功率控制；恒張力控制

0 引言

隨著船舶甲板設(shè)備大型化智能化的趨勢，現(xiàn)代船舶錨絞組合機(jī)規(guī)格參數(shù)逐漸朝著大型化和智能化方向發(fā)展。目前大型的錨絞組合機(jī)在驅(qū)動方式上有液壓驅(qū)動和變頻驅(qū)動兩種方式，變頻驅(qū)動技術(shù)具有節(jié)能、控制精度高、調(diào)速平穩(wěn)、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來國外知名的甲板機(jī)械供應(yīng)商 Aker Solutions、Rolls-Royce與TTS均推出了多系列的變頻驅(qū)動甲板機(jī)械設(shè)備。我國的甲板機(jī)械設(shè)備工程技術(shù)水平仍多停留在滿足基本使用需求的層面，尤其在智能化和精細(xì)化設(shè)計(jì)方面與國外先進(jìn)技術(shù)之間存在較大的差距[1]。開展變頻驅(qū)動的錨絞組合機(jī)的設(shè)計(jì)并對恒張力控制和恒功率控制等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究對于提升甲板機(jī)械設(shè)備水平具有重要的工程意義。

本文結(jié)合某所承擔(dān)研制的某型臥式錨絞組合機(jī)項(xiàng)目，對變頻調(diào)速、恒張力控制和恒功率控制等技術(shù)進(jìn)行分析和論述。

1 工況特性分析

1.1 錨機(jī)負(fù)載特性

一般錨機(jī)從啟動到錨鏈完全收入至錨靠緊船殼共經(jīng)歷 4個(gè)階段：即收余鏈、改變懸鏈線、破土起錨、收錨[2]。錨機(jī)起錨過程負(fù)載-時(shí)間特性曲線如圖1所示。

圖1 錨機(jī)負(fù)載特性曲線圖

第Ⅰ階段的錨機(jī)所受的力為將船舶拉向錨泊地的力，收起海底的余鏈，這時(shí)錨機(jī)承受的負(fù)荷即為船舶受到的外部阻力。第Ⅱ階段（BC段）的力主要是由錨鏈全部離地至全部拉直，B點(diǎn)至C點(diǎn)的力增長即為移船力逐漸增加至破土力。第Ⅲ階段（CD段）C點(diǎn)為破土點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)瞬間，當(dāng)拉力增大至破土力時(shí)，錨機(jī)瞬時(shí)過載，使錨破土。第Ⅳ階段（DE段）錨破土之后錨機(jī)負(fù)載迅速減小，D點(diǎn)的力為錨重加上懸掛的錨鏈重，鏈長為拋錨深度。

利用變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制特性，第Ⅱ階段（BC段）與第Ⅲ階段（CD段）負(fù)載大，運(yùn)用變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩使電機(jī)運(yùn)行在額定速度以下，輸出較大的轉(zhuǎn)矩輸出；破土后，在第Ⅳ階段（DE段），負(fù)載減小到額定轉(zhuǎn)矩以內(nèi)，為了提高低負(fù)載下的工作效率，本裝置采用了恒功率控制，可相應(yīng)提高控制速度，使電機(jī)工作在恒功率段，適當(dāng)加快起錨速度。針對當(dāng)錨接近錨鏈孔時(shí)，運(yùn)用位置控制進(jìn)行智能減速控制，設(shè)置編碼器對錨鏈長度進(jìn)行采樣，形成位置閉環(huán)，當(dāng)錨進(jìn)入設(shè)定減速區(qū)時(shí)自動降低變頻輸入頻率實(shí)現(xiàn)智能降速功能。

1.2 絞車負(fù)載特性

大型船舶?？看a頭期間，通常需系帶 6～8根以上纜繩，由于風(fēng)向、風(fēng)力的變化，水流方向和速度的變化，潮汐使主甲板與碼頭相對高度的變化，高效裝卸貨物而引起的吃水迅速變化等，使得各根系泊纜繩張力迅速改變。另外各根纜繩與碼頭的夾角及初始系帶的長度不同，各纜繩張力差異將急劇加大。系泊纜繩張力過大會導(dǎo)致纜繩拉斷甚至導(dǎo)致船舶失控，系泊纜繩過松，使船舶不能緊貼碼頭，將引起船舶前后游動。通過系泊絞車的恒張力控制，可以有效的避免以上情況的發(fā)生[3]。

2 錨絞組合機(jī)系統(tǒng)組成

起錨機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：

系泊絞車主要技術(shù)指標(biāo)：

該型設(shè)備由電氣與機(jī)械兩部分組成，其中電氣部分配置有電氣控制柜、濾波控制柜、變頻控制柜和機(jī)旁操縱臺；機(jī)械部分由錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、系泊絞車、傳動裝置、制動器及離合裝置、安裝支架以及底座裝置等組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

變頻控制柜含變頻調(diào)速器及輔助控制回路，用于驅(qū)動變頻電機(jī)；電氣控制柜含可編程控制器等器件，實(shí)現(xiàn)不同工況下的對變頻驅(qū)動器的上位控制；濾波控制柜含濾波器、斷路器等器件，濾波器可以對整流器前端進(jìn)行諧波二次治理，確保在極端條件下諧波干擾控制指標(biāo)滿足總體設(shè)計(jì)要求，斷路器等器件可以進(jìn)行配電同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)及報(bào)警功能；機(jī)旁操縱臺為操作終端，操作人員可以通過其對整個(gè)裝置進(jìn)行操作控制。

錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由錨鏈輪、鏈輪主軸、開式齒輪、傳動軸、制動輪、錨機(jī)制動裝置、錨機(jī)離合器裝置、編碼器、軸承及錨機(jī)基座等組成；采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器采集錨鏈長度實(shí)現(xiàn)了智能減速功能。系泊絞車由卷筒軸、卷筒、離合器、制動輪、絞纜筒以及支座等組成。傳動裝置主要由變頻電機(jī)、減速器、盤式制動器及相關(guān)附件、聯(lián)軸節(jié)、帶剎車盤聯(lián)軸器等組成。錨絞組合機(jī)安裝于整體底座上，便于船廠進(jìn)行安裝、調(diào)試。底座裝置采用板材焊接工藝拼接而成，整體具有較好的強(qiáng)度及剛度并與船體基座采用螺栓聯(lián)接。

圖2 系統(tǒng)組成圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由一個(gè)中央控制站和兩臺機(jī)旁操作站組成，如圖3所示。機(jī)旁操作站各由一組EM200M分布式模塊組成，從站的I/O模塊接收操作者的操作指令，操作者可以選擇不同工況的操作模式并通過操縱主令操作，同時(shí)功能顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示錨機(jī)（絞車）運(yùn)行速度、錨鏈長度、變頻器狀態(tài)及報(bào)警等相關(guān)信息。集中控制站布置在艙室內(nèi)，由一組S7-300-PLC控制器組成，CPU采用315-2DP主處理器，具有較高的可靠性和通訊擴(kuò)展能力[4][5]。在中央控制站可以直接對執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，并且具有更高的優(yōu)先級。集中控制站和機(jī)旁操縱站之間、集中控制站和變頻控制柜之間通過profibus總線進(jìn)行通訊，集中控制站和機(jī)旁操縱站之間傳輸操作指令、設(shè)備狀態(tài)及傳感器信息，PLC通過不同工況下的控制策略對變頻器進(jìn)行集中控制。

3.1 恒功率控制

當(dāng)錨出水后或絞車空載階段，機(jī)構(gòu)不在額定負(fù)載下工作，為了提高低負(fù)載下的工作效率，本裝置采用了恒功率控制，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖4所示。當(dāng)負(fù)載達(dá)到額定負(fù)載，電機(jī)運(yùn)行在額定速度以下，處于恒轉(zhuǎn)矩特性，即輸出的力矩可以保持恒定，輸出功率取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)負(fù)載小于額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)進(jìn)入恒功率階段，運(yùn)行在額定速度以上，處于恒功率特性，即輸出的功率恒定，輸出力矩隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而減?。豢蛰d時(shí)，操作者可以主令在0～Vmax間進(jìn)行無級調(diào)速操作。

圖3 控制系統(tǒng)圖

圖4 恒功率調(diào)速曲線

3.2 恒張力控制

恒張力控制的物理本質(zhì)是絞車處于系泊狀態(tài)時(shí)由于船舶承載重量的變化造成鋼纜上的張力變化，導(dǎo)致鋼纜上的張力過大會被扯斷，或者張力太小使船舶移位。恒張力控制的作用使絞車根據(jù)鋼纜的張力自動地收纜和放纜，減少人為收放纜的不可靠性，同時(shí)減輕了操作者的工作強(qiáng)度。

本文通過控制變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)恒張力控制要求，變頻電機(jī)驅(qū)動絞車工作時(shí)的受力關(guān)系為：

式中，MTD為纜繩作用在絞車上轉(zhuǎn)矩；D為卷筒直徑；MT電機(jī)轉(zhuǎn)矩；MTD為設(shè)定張力作用在絞車上轉(zhuǎn)矩；MS設(shè)定張力所對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；d為電動機(jī)驅(qū)動軸直徑；Δm為設(shè)定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩差。當(dāng)Δm≤k時(shí)，電動機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)Δm>k時(shí)，PID控制器對轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行處理解算出一個(gè)控制量，上位機(jī)將控制量傳輸?shù)阶冾l器，變頻器根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)方向的運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系纜設(shè)備的恒張力控制。其控制過程原理如圖 5所示。

圖5 恒張力控制原理圖

3.3 抱閘控制

變頻錨機(jī)在帶載起升初始階段如果電機(jī)的初始力矩不夠，在制動器打開后會出現(xiàn)先下墜然后再按操作指令運(yùn)行的現(xiàn)象。為了防止這種溜車現(xiàn)象，必須在制動器打開前使電機(jī)輸出力矩來支持負(fù)載力矩。本裝置的做法是在每次操作完成后，系統(tǒng)記錄停止時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，再次啟動時(shí)變頻器會裝載記錄轉(zhuǎn)矩，并使電機(jī)保持該轉(zhuǎn)矩輸出；同時(shí)運(yùn)用變頻器轉(zhuǎn)矩監(jiān)測功能，當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)制動器打開信號方有效。

在停車時(shí)制動器同樣需要正確控制，制動器動作過快會對電機(jī)和齒輪箱等產(chǎn)生機(jī)械沖擊，造成受力疲勞，影響裝置壽命，同時(shí)會造成剎車片磨損嚴(yán)重；制動器動作過慢會造成負(fù)載失速下墜的風(fēng)險(xiǎn)。本裝置在減速階段設(shè)定全速的3%為抱閘閉合觸發(fā)點(diǎn)；同時(shí)將電機(jī)的去磁時(shí)間設(shè)置在1200ms，確保制動過程的安全可靠。抱閘控制流程如圖6所示。

圖6 抱閘控制流程圖

3.4 智能減速

通常提升設(shè)備和行走機(jī)構(gòu)自動減速設(shè)計(jì)是運(yùn)用行程開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)裝置經(jīng)過行程開關(guān)后，機(jī)構(gòu)以較低的速度進(jìn)入減速區(qū)。為了減少起錨過程中的沖擊，本裝置運(yùn)用位置控制進(jìn)行智能減速，通過增量式編碼器采集錨鏈出鏈長度，當(dāng)錨鏈長度在減速設(shè)定值以內(nèi)時(shí)，錨機(jī)將由ΔS決定運(yùn)行速度，ΔS越大速度越快，隨著收錨過程ΔS減小，錨機(jī)運(yùn)行速度隨之減小，當(dāng)ΔS=0時(shí)速度等于零，即提高了起錨過程的工作效率又減少了操作過程的機(jī)械沖擊。增量式編碼器采用了雙冗余設(shè)計(jì)，保證了其功能可靠性。位置控制的智能減速過程如圖7所示。

圖7 智能減速過程

4 結(jié)論

本文針對錨機(jī)及絞車不同工況下的負(fù)載特性，提出了變頻調(diào)速為驅(qū)動形式的錨絞組合機(jī)設(shè)計(jì)方案。該方案以S7-300-PLC作為控制單元，運(yùn)用恒功率控制、恒張力控制、抱閘控制及智能減速技術(shù)，設(shè)備投入使用后表明運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單，具有良好的可靠性。該裝置的成功研制將顯著提高錨絞組合機(jī)的智能化和精細(xì)化水平，并為其他甲板機(jī)械設(shè)計(jì)提供新的參考思路，具有重要的工程現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 富貴根. 俞志剛. 船舶輔機(jī)前沿技術(shù)研究[J]. 上海造船, 2011(3): 154-160.

[2] 古毅杰. 錨泊力及其變化的估計(jì)[J]. 世界海運(yùn),1996(4): 17-20.

[3] 鄢華林. 一種新型波浪補(bǔ)償系統(tǒng)研究[J]. 中國造船, 2011(3): 154-160.

[4] SIMATIC Programming with STEP 7 V 5.2,Siemens A＆D Company, Edition 2002-12.

[5] 廖常初. S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

中遠(yuǎn)船務(wù)交付全球居住人數(shù)最多海洋生活平臺

今年年初，中遠(yuǎn)投資（新加坡）有限公司發(fā)布公告稱，中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司成功交付半潛式海洋生活平臺“高德1號”。該平臺最多可為990人同時(shí)提供生活居住服務(wù)，是全球迄今為止可居住人數(shù)最多的半潛式海洋生活平臺。中遠(yuǎn)船務(wù)獨(dú)立完成該平臺的詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)，以及所有設(shè)備采購、建造、系統(tǒng)安裝調(diào)試工作。

“高德1號”采用荷蘭GustoMSC-OCEAN500船型設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿足英國北海、墨西哥灣和巴西海域等海況要求，滿足國際海事組織（IMO）船舶噪聲等級規(guī)則以及決議，滿足挪威船級社(DNV)、新加坡海事局（MPA）、國際勞工組織（ILO）、美國海岸警衛(wèi)隊(duì)（USCG）等的相關(guān)規(guī)則、規(guī)范要求。該平臺配備最先進(jìn)的可伸縮式棧橋（TELESCOPIC GANGWAY），實(shí)現(xiàn)生活平臺與生產(chǎn)平臺橫向接載，最大允許平臺傾斜角度為17度，便于大量生產(chǎn)人員的快速往返。當(dāng)鉆井平臺發(fā)生危險(xiǎn)以及海上波浪過大時(shí)，該棧橋可自動斷開與生產(chǎn)平臺的連接，最大程度保護(hù)工作人員的生命安全。

該平臺全長91米，型寬67米，型深27.5米，平臺總高近60米，設(shè)計(jì)吃水20米，配備6臺主機(jī)、6臺推進(jìn)器，最大航速為12節(jié)，配備DP3動力定位系統(tǒng)、AGS電力管理系統(tǒng)、FIFI Ⅱ?qū)ν庀老到y(tǒng)、直升機(jī)平臺、75噸和300噸甲板吊等。在正常情況下，該平臺可供750名船員生活、娛樂、居住，230個(gè)房間均有窗戶，且預(yù)留了240人的生活模塊安裝位置，最多可滿足990人的生活居住要求，餐廳可容納300人同時(shí)用餐。

（王敏剛）

Design and application of anchor windlass combination machine based on variable frequency driving

MAO Li-feng, Xia Hai-hong, Ma Yu-an, DONG Ming-xi
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

This paper introduces a new principle and design project of Anchor windlass combination machine. The Variable frequency driving form is used for windlass and winch load characteristics, In S7-300 PLC as the control unit, the use of constant power control, constant tension control, brake control and intelligent deceleration improved the automation level of equipment. The results indicate that the system is stable, easy to operate and is with good dependability.

variable frequency, anchor windlass combination machine, constant power control, constant tension control

U664.4+2；664.4+4

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.018

毛立峰（1980-），男，工程師。研究方向：船舶、海洋裝備電氣及自動化控制。