基于PLC的大型海工電動(dòng)絞車電氣控制設(shè)計(jì)

，，，，

(1.海軍工程大學(xué) a.振動(dòng)噪聲研究所；b.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050；3．湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

隨著國內(nèi)海洋工程裝備需求的增加，海工電動(dòng)變頻絞車相關(guān)技術(shù)得到快速發(fā)展，國內(nèi)船用大型變頻電機(jī)[1]、新型錨泊絞車控制系統(tǒng)研發(fā)[2- 3]與國外Rolls-Royce絞車系泊系統(tǒng)產(chǎn)品[4]相比，在驅(qū)動(dòng)功率、輕量化設(shè)計(jì)和安全監(jiān)控設(shè)計(jì)方面，還有一定差距。借鑒國外同負(fù)荷等級(jí)大型絞車設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行電動(dòng)絞車開發(fā)。絞車位于半潛式起重生活服務(wù)海洋平臺(tái)甲板上，布置在右舷艏部和左舷艉部，由變頻電機(jī)、變檔減速器、開式齒輪組和滾筒等組成，2臺(tái)絞車可單獨(dú)操作。絞車電控系統(tǒng)對(duì)各種安全保護(hù)裝置進(jìn)行監(jiān)控和狀態(tài)報(bào)警，確保絞車安全可靠運(yùn)行。

1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，絞車電機(jī)傳動(dòng)過程為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)多檔減速器，減速器按已設(shè)定的檔位，通過離合器及齒輪副驅(qū)動(dòng)滾筒，減速器按二檔三速實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制要求

2.1 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)及配置

2.1.1 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)

額定功率：355 kW，額定電流：577 A。

恒轉(zhuǎn)矩：3 360 N·m，0～900 r/min。

恒功率：355 kW，3 360～1 120 N·m，900～1 800 r/min。

極數(shù)：8。絕緣等級(jí)：F。防護(hù)等級(jí)：IP56。電制：AC440 V，60 Hz，3相。

注：調(diào)速范圍為2 000～3 000 r/min時(shí)，電機(jī)過載能力為額定工況的1.5倍。

2.1.2 電機(jī)配置附件

2)繞阻帶空間加熱器。加熱器電源為220 V/60 Hz，起加熱防冷凝的作用。

3)熱敏電阻。繞阻中帶2組PTC，其中1組作為備件。

4)強(qiáng)制風(fēng)冷。

5)超速開關(guān)(不超過2倍額定速度的115%，額定速度為1 780 r/min)。

2.2 調(diào)速性能及控制要求

絞車運(yùn)行在減速箱二檔三速工況下，滾筒上第1層和第13層鋼絲繩拉力與速度關(guān)系見表1。

表1 鋼絲繩拉力與速度關(guān)系

變頻器根據(jù)矢量控制算法改變電源頻率，使電動(dòng)機(jī)在2倍額定速度內(nèi)(即0～120 Hz)無級(jí)調(diào)速，運(yùn)行過程中具有如下性能。

1)2臺(tái)絞車同時(shí)工作運(yùn)行時(shí)，諧波量不超過海洋平臺(tái)電站電力輸送容量的5%(ABS要求)。

2)從0～2倍額定轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)速過程中，絞車運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)及嘯叫。

3)絞車額定負(fù)載下，能在機(jī)旁與駕駛室遠(yuǎn)程變頻調(diào)速控制上升和下降。

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制系統(tǒng)及組成

2臺(tái)絞車使用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行分布式控制，駕駛室內(nèi)設(shè)有集中控制臺(tái)。電氣控制系統(tǒng)由變頻起動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、絞車?yán)|繩張力檢測(cè)系統(tǒng)3大部分組成。其中，絞車?yán)|繩張力檢測(cè)系統(tǒng)為備選配置，電氣控制系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 絞車電氣控制系統(tǒng)組成

各部分基本功能設(shè)計(jì)如下。

1)變頻起動(dòng)柜。變頻起動(dòng)柜安裝有PLC、變頻器(VFD)、制動(dòng)單元、主斷路器、主電機(jī)接觸器、中間繼電器等電器元件。PLC選用Siemens公司S7-300系列PLC，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采集和控制處理，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。變頻起動(dòng)柜安裝在機(jī)艙，是系統(tǒng)主站，也是調(diào)試工作站。

2)制動(dòng)電阻柜。制動(dòng)電阻柜主要用于消耗電機(jī)下放負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電能，帶有溫控開關(guān)和散熱風(fēng)扇。制動(dòng)電阻柜選用國產(chǎn)產(chǎn)品。

3)機(jī)旁操作臺(tái)。機(jī)旁控制臺(tái)安裝在甲板上，根據(jù)環(huán)境要求，選擇防護(hù)等級(jí)IP56。為了保證調(diào)速控制質(zhì)量，選用專用船用主令操作臺(tái)(防護(hù)等級(jí)IP66)，帶主令控制手柄和急停開關(guān)。同時(shí)，操作臺(tái)帶有電壓和電流顯示表，顯示主電機(jī)的工作電壓和電流。

4)機(jī)旁控制箱。機(jī)旁控制箱用于絞車機(jī)旁本地控制，包括監(jiān)控變頻器、棘輪制動(dòng)器、離合器、帶式制動(dòng)器、水冷制動(dòng)器、閘瓦制動(dòng)器。纜繩張力與長度通過數(shù)顯表顯示(備選)。機(jī)旁控制箱防護(hù)等級(jí)為IP56。隨機(jī)便攜式操作盒，通過水密插頭和機(jī)旁控制箱的插座連接，實(shí)現(xiàn)各種制動(dòng)器、離合器的控制和卷筒的收放纜控制(此時(shí)收放速度為恒定低速)。便攜式操作盒帶有緊急停機(jī)按鈕，可以實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)功能。

5)駕駛室集中控制臺(tái)。駕駛室集中控制臺(tái)采用單立琴式操作臺(tái)，控制面板為嵌入式結(jié)構(gòu)，采用4 mm厚硬鋁板制作。通過調(diào)速手柄，控制絞車的收放纜。通過面板上的控制開關(guān)，控制棘輪、閘瓦、帶式剎車、水冷等制動(dòng)器及離合器開閉。控制臺(tái)配有8寸觸摸屏，可實(shí)時(shí)顯示絞車狀態(tài)。駕駛室集中控制臺(tái)防護(hù)等級(jí)為IP23。

3.2 安全保護(hù)及失效分析

整個(gè)絞車系統(tǒng)具有完備的安全保護(hù)功能，急停及閘瓦控制設(shè)計(jì)為失效安全型，結(jié)合安裝應(yīng)用位置，對(duì)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇，具體配置見表2。

表2 安全保護(hù)功能配置表

4 選型計(jì)算及技術(shù)要求

4.1 驅(qū)動(dòng)變頻器選型計(jì)算

絞車處于提升工況，連續(xù)工作過程中，纜繩處于最外層時(shí)，電機(jī)會(huì)有短時(shí)1.1倍過載，變頻器選型相關(guān)計(jì)算如下。

1)變頻器額定電流計(jì)算

IN≥Imax=I1×K×K1

(1)

2)變頻器額定輸出功率計(jì)算

PCN≥1.732×U1×I1×K×K1

(2)

式中：PCN為額定輸出功率；U1為電機(jī)額定電壓；I1為電機(jī)額定電流；IN為變頻器額定電流；Imax為電機(jī)最大工作電流；K為電流波形修正系數(shù)(PWM調(diào)制方式為1.1)；K1為電機(jī)電流的過載倍數(shù)。

輸入?yún)?shù)：U1=440 V，I1=577 A，K=1.1，K1=1.1。

計(jì)算結(jié)果為Imax=698.2 A，PCN=532 kW。

變頻器的選型必須同時(shí)滿足以上2個(gè)條件。

通常情況下，抑制變頻器產(chǎn)生諧波的方法是在變頻器主回路中加電抗器[3]。但不同配置方法，性能價(jià)格相差較大。綜合性能價(jià)格進(jìn)行比較，選擇配有內(nèi)置交流電抗器的變頻器，能滿足ABS船級(jí)社規(guī)范諧波含量要求，由變頻器配套廠家出具諧波計(jì)算書和試驗(yàn)報(bào)告。

4.2 制動(dòng)電阻選型計(jì)算

絞車處于主動(dòng)放錨工況，放錨所產(chǎn)生的能量全部由制動(dòng)電阻吸收，以熱能形式消耗。錨的重力250 kN，鋼絲繩直徑76.2 mm，鋼絲繩總長2 000 m，計(jì)算重力為720 kN，負(fù)載下放最大速度為10 m/min，所以放錨過程所產(chǎn)生的制動(dòng)功率為：

Pe=Gm×Vm×10-3

(3)

Pw=Pe×(1-η)×10-3

(4)

式中：Pe為下降勢(shì)能產(chǎn)生的功率，kW；Pw為制動(dòng)功率，kW；Gm為最大下降重力，N；Vm為最快下降速度，m/s；η為主電機(jī)和絞車變頻器的內(nèi)耗功率系數(shù)，一般為15%～20%。

計(jì)算得到Pe=162 kW，Pw=140 kW。

當(dāng)變頻器放電電流等于電動(dòng)機(jī)工作額定電流的一半時(shí)，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩[4- 5]。因此，變頻器制動(dòng)電阻最大值近似計(jì)算為

(5)

式中：UD為制動(dòng)電壓；IMN為電機(jī)的額定電流。

為避免變頻器受到損壞，變頻器處于電機(jī)額定電流狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)電阻不能小于該阻值，因此，變頻器制動(dòng)電阻最小值近似計(jì)算為

(6)

綜上所述，制動(dòng)電阻的阻值選擇范圍為

(7)

440 V變頻器的直流母線UD=620 V，因此得：RBmin=1.074 5 Ω，RBmax=2.149 0 Ω。

制動(dòng)電阻的阻值應(yīng)為2 Ω，實(shí)際選擇3臺(tái)總阻值為6 Ω，功率為60 kW的制動(dòng)電阻柜并聯(lián)使用。

4.3 變頻器及制動(dòng)電阻柜技術(shù)要求

根據(jù)工況，進(jìn)一步分析變頻器相關(guān)技術(shù)要求，具體如下。

1)絞車起拋錨過程(提升類負(fù)載)，每個(gè)工作周期內(nèi)電機(jī)1.1倍過載，運(yùn)行時(shí)間不低于25 min；電機(jī)1.5倍過載，運(yùn)行時(shí)間不低于2 min。電機(jī)變頻調(diào)速范圍為0～120 Hz，在0～60 Hz范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在60～120 Hz內(nèi)為恒功率調(diào)速，屬弱磁調(diào)速[8]。

2)每個(gè)工作周期內(nèi)，絞車進(jìn)行位能負(fù)載下放，變頻器工作在制動(dòng)工況，連續(xù)制動(dòng)功率為162 kW，制動(dòng)時(shí)間大于30 min。

3)船舶電站供電變壓器參數(shù)為：原邊電壓6 000 V，額定容量3 000 kW，短路容量55.68 kA，額定阻抗6%。變頻器在工作期間產(chǎn)生的諧波污染數(shù)據(jù)應(yīng)滿足單臺(tái)變頻器產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波電壓不大于3%的技術(shù)指標(biāo)。

4)變頻器帶電機(jī)PTC保護(hù)功能，接收電機(jī)的PTC信號(hào)。故障時(shí)輸出無源閉合信號(hào)給PLC，具有故障復(fù)位功能接口。

“電子商務(wù)概論”涉及計(jì)算機(jī)、法律、商務(wù)管理、物流、市場(chǎng)營銷等方面，知識(shí)面廣且不深入。目前，教師多是以傳統(tǒng)的講授方式上課，按部就班地為學(xué)生介紹，不能將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地相結(jié)合，也不能最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

5)變頻器采用風(fēng)冷冷卻方式，自帶散熱風(fēng)扇。

根據(jù)工況要求分析，進(jìn)一步提出制動(dòng)電阻柜相關(guān)技術(shù)要求，具體如下。

1)電阻柜箱體外形尺寸必須滿足船舶機(jī)艙安裝空間、外形尺寸及防護(hù)要求。

2)柜體采用2 mm冷扎鋼板制作，柜門采用不小于2.5 mm冷軋鋼板制作。柜體側(cè)面、背面均沖有百葉窗(滿布)，當(dāng)變頻器制動(dòng)發(fā)熱時(shí)，噴塑油漆不會(huì)發(fā)生明顯變化。

3)柜體配置安裝底座，采用100 mm的槽鋼制作，底座與柜體之間可拆卸。柜體發(fā)生垂直方向10°范圍內(nèi)傾斜時(shí)，柜體不會(huì)變形或損壞。

4)柜體有接地螺栓，柜門與柜體之間有4 mm2的接地黃綠線連接。

5)柜體頂部設(shè)置排氣風(fēng)扇，但必須保證整個(gè)柜體防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP23。排氣風(fēng)扇設(shè)置溫控開關(guān)，能根據(jù)溫度高低自動(dòng)起停，并輸出高溫報(bào)警信號(hào)。起動(dòng)溫度、停止溫度、報(bào)警溫度可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

5 PLC控制流程設(shè)計(jì)

PLC程序中，絞車變頻器運(yùn)行控制及上升下降控制流程見圖3、圖4所示。

圖3 變頻器運(yùn)行控制流程

圖4 變頻器上升下降控制流程

其中圖4中未畫出集中控制臺(tái)控制流程，因?yàn)楸镜貦C(jī)旁控制流程最全，電機(jī)上升下降控制流程與集中控制臺(tái)該部分功能的控制流程完全重復(fù)。

6 結(jié)束語

通過絞車現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，并在船臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)完成船廠首次海工平臺(tái)大型絞車負(fù)載試驗(yàn)，避免在試航區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，大幅降低了試驗(yàn)成本。開發(fā)過程積累的有益經(jīng)驗(yàn)可供后續(xù)設(shè)計(jì)參考。

1)電氣控制系統(tǒng)廠內(nèi)試驗(yàn)后應(yīng)盡量減少總裝現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作量?，F(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)電控系統(tǒng)的控制功能和行業(yè)要求[7]的工藝性參數(shù)。

2)船舶駕控室遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，突發(fā)情況難以掌控，應(yīng)在絞車現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合絞車運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)，合理選取觀測(cè)點(diǎn)，安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3)考慮到絞車工作過程及后續(xù)檢修維護(hù)的安全性，對(duì)于離合器、制動(dòng)器等動(dòng)作機(jī)構(gòu)應(yīng)安裝行程限位開關(guān)，進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用觀測(cè)，甲板部分電控柜，盡量使用316不銹鋼材質(zhì)，增強(qiáng)箱體抗鹽霧腐蝕能力。線纜舾裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)本體內(nèi)側(cè)，盡量減少機(jī)電液組裝調(diào)試過程中對(duì)其的損傷。

5)由于整個(gè)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，絞車錨泊電控系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)時(shí)，遠(yuǎn)距離工作站間通信，總線傳輸速率必須相對(duì)下降[8]。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控時(shí)，應(yīng)充分考慮通信數(shù)據(jù)量及控制的實(shí)時(shí)性。

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