張書忠

(上海宏華海洋油氣裝備有限公司工程設計部，上海201206 )

0 引言

錨機作為海洋工程浮式建筑物（以下簡稱浮式物）極重要的甲板機械之一，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，只有通過錨鏈輪傳動進出完成起、收錨的動作；另一方面，在起、收錨的過程中，復雜的外力（如風、海浪，海流等）環(huán)境導致錨及錨鏈的運動狀況變得復雜，這給系統(tǒng)的驅動控制帶來了極大的不便。同時，隨著近若干年來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)的設計選型對于整個系統(tǒng)來說就顯得更加重要，對錨機的配置則提出了更高功率、更大的抗外力能力的要求。本文結合錨機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對此加以綜合性闡述。為此，下面我們先簡單了解一下錨機機械運動的特點。

1 錨機機械運動的一般特點

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

而起錨時，錨機必須有足夠的力矩克服風、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急起錨兩種情況。對于正常起錨，整個運動過程按照拉力的變化特性可分為五個階段，各階段的力的作用情況均不相同，力矩與錨鏈長度之間呈典型的非線性關系。而所謂應急起錨，是指當水深大于錨鏈的長度時，錨拋不到海底，錨機應能將懸于水中的錨及錨鏈收起來。這種情況工作繁重，安全可靠性要求高。關于錨機機械運動的進一步定性定量分析，讀者可以查閱更多的關于甲板機械、外舾裝內(nèi)容的手冊或文獻，如文獻[1]和[2]。

2 目前錨機電驅動基本概況和技術發(fā)展趨勢

為了實現(xiàn)前述錨機運動特點的設備運行控制，以前國內(nèi)的錨機控制系統(tǒng)大都采用機電液聯(lián)合驅動方式[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動方式主要由總電源斷路器、接觸器、熱繼電器、凸輪開關、時間繼電器和其它輔助器件構成。其中,凸輪開關主要作用是為了實現(xiàn)電動機的正反轉，以及低、中、高三速的運行方式。更詳細的繼電邏輯動作說明參見文獻[7]。這種傳統(tǒng)的繼電邏輯控制雖然價格低廉也能實現(xiàn)基本控制功能的要求，但機械故障率相對較高，可靠性差。近年來，隨著有關設備機械性能的加大，水深尺度的增加，常規(guī)的交流雙速和三速驅動很難達到使用要求，設備發(fā)生故障的幾率增多，達不到設備運行要求，,設備維護、維修工作加重。我們知道，近二十多年來，PLC和交流變頻調(diào)速技術得到極大發(fā)展，是當前自動化控制領域比較成熟的技術和技術產(chǎn)品，很多領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，我國在錨機自動化控制方面，一類情況是用PLC實現(xiàn)繼電邏輯的升級，其它基本不作太大的設計改變，電機調(diào)速還保留傳統(tǒng)的雙速或三速，非無級調(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)速器進行速度控制，能夠實現(xiàn)無級調(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，維護維修工作大幅度減少，操作更加人性化。下面分別對這兩類設計思想的產(chǎn)品給與介紹。

根據(jù)文獻[5]以及有關設備商提供的有關資料，經(jīng)過新的技術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)過技術改造后的電氣線路大大簡化，并且PLC本身具有很高的無故障率，提高了系統(tǒng)的安全可靠性，維護查找故障也非常方便。但這種形式的技術改造還不是很徹底，只是在部分邏輯和功能上予以了簡化。更先進的設計思想則是將有關的檢測、顯示參數(shù)以及與采用變頻調(diào)速綜合起來考慮，同時結合實際檢測控制參數(shù)并輔以智能控制算法的實時控制。如海洋石油941、 981項目均使用變頻調(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，在硬件線路上較為簡單的實現(xiàn)了雙速、三速調(diào)節(jié)。而讀取有關的設備運行參數(shù)，如轉速、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)有關規(guī)定和便于操作，錨機控制系統(tǒng)必須要有電流、電壓、運行 /停止指示燈、帶剎位置指示、電機抱閘位置指示、離合位置指示、故障指示和報警，并能顯示錨鏈長度、張力、錨鏈運動速度等的功能。相應的傳感器將有關檢測信號送 PLC處理后可以方便的傳到有關顯示終端設備上去。國內(nèi)比較典型的設計思想基本如文獻[8]和[9]所介紹，所采用的傳感器也基本上是編碼器、限位開關、接近式開關等設備。在此需特別指出的是錨機監(jiān)控系統(tǒng)在功能上一定要有超速自動剎車、溜錨自動剎車的功能，對深水錨、大型錨尤其如此。否則，在發(fā)生超速、溜錨是很危險的事情，易造成事故。

南海-5號是我國較早的最為典型的半潛式海洋鉆井平臺，其為8點錨泊系統(tǒng)，在實際使用過程中由于存在較多的不便和問題，文獻 [9]介紹，該系統(tǒng)經(jīng)過智能化技術改造后不但自動化程度和工作效率得到提高，而且可以極為方便的實現(xiàn)集中控制。該系統(tǒng)基本構成框圖如圖2所示。

顯然，這種思想屬于局部系統(tǒng)的集中控制，是一個完整的帶有SCADA/HMI的自動化網(wǎng)絡系統(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備，變更一下有關檢測終端設備相互連接方式，改變安裝位置就可以實現(xiàn)與全船集中自動化控制的無縫連接。該系統(tǒng)在功能上實現(xiàn)了應急釋放功能。所謂應急釋放是船舶或鉆井平臺在遇到臺風、大浪等惡劣天氣或其它緊急情況時，錨機系統(tǒng)的應急措施，釋放過程要求以最短時間釋放錨鏈以使平臺進行定位。前文已經(jīng)介紹過其含義，其關鍵應急釋放邏輯如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)基本構成框圖

圖3 應急釋放邏輯

這種應急邏輯功能作為錨機系統(tǒng)自動控制的一個標準應該是非常有必要的，以達到應急狀態(tài)下系統(tǒng)可能需要的基本功能。

目前，國內(nèi)錨機系統(tǒng)控制最先進的應當是上海復興船務劉希滬、姜偉在文獻[10]中介紹的用于其公司內(nèi)部無人駁船的錨機控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)增加了無線功能，錨機系統(tǒng)作業(yè)幾乎達到了無人化的程度，幾乎完全改變了傳統(tǒng)錨機作業(yè)的方式。而進行無線技術性能的擴展，在設備投資追加上并沒有增加太多；使用和維護上也沒有增加太多的復雜度和工作量。當然，截止目前在國內(nèi)海洋石油鉆井平臺上尚未見到此種技術水平的錨機控制系統(tǒng)；鑒于海洋石油平臺作業(yè)的復雜性以及作業(yè)的安全可靠性，這種采用交流變頻加無線技術的控制思想是值得推廣和進一步發(fā)展的。

通過筆者多方考察了解，目前國內(nèi)的絕大多數(shù)錨機控制系統(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，其帶來一定程度的諧波污染，這樣在系統(tǒng)設計應用時就必須考慮采取措施，如增加電抗，有源濾波器等設備部件，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，可以針對有關生產(chǎn)狀況，投入運行相關變頻調(diào)速器去驅動其它與定位無關的生產(chǎn)設備做到最大化的發(fā)揮變頻調(diào)速器裝置的效能，這種思想完全可行的；當然，對于船舶或海洋平臺系統(tǒng)來說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)速器時要特別注意變頻裝置的性能技術指標問題，在此筆者不作詳述。

上位機一般是就地安裝在操作臺上，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)視有關設備技術參數(shù)等。這種情況目前較多。

另外一種情形就是在遠端中央控制室（ECR）進行有關的操作與監(jiān)視，室內(nèi)設獨立的上位機設備，跟VMS或DCS系統(tǒng)整合在一起，便于統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)無人機艙功能。這種遠端設置上位機的工作方式不是必要的卻是技術發(fā)展的趨勢。

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

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

就經(jīng)濟性方面考慮，采用變頻調(diào)速和 PLC等智能化為核心的部件設計制造的系統(tǒng)無疑要大于一般常規(guī)的繼電邏輯系統(tǒng)。但對深水，大功率錨機控制來說，一般的繼電邏輯并沒有優(yōu)勢可言。綜合考慮性能價格比，采用變頻調(diào)速的優(yōu)勢明顯。目前，行業(yè)內(nèi)多數(shù)用戶對深水和大功率錨機的控制都傾向于采用PLC+變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計思想。

以下是筆者為某自升式鉆井平臺項目擬定的系統(tǒng)主要配置情況 ：

● 控制柜4套（每套含1臺變頻調(diào)速器）

● PLC控制器一套（含無線發(fā)射單元）

● 操作單元文本顯示器或觸摸顯示終端4套

● 上位計算機或顯示終端1套

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

● 無線控制終端1套，備用控制終端1套

● 就地操作臺 4套（即無線系統(tǒng)不用時也可以進行相關技術操作，同時也起到現(xiàn)場設備調(diào)試維修時的方便）

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

3 結論

錨機作為海洋船舶或海洋平臺等海洋浮式結構物上較為獨立的一個控制系統(tǒng)，其在實現(xiàn)上并不十分復雜，但要真正達到良好的設備運行效果，必須提高其產(chǎn)品自動化控制方面的技術含量，完善其功能，并充分采用較新的智能化自動化驅動控制產(chǎn)品設備部件。

采用PLC、變頻調(diào)速器、智能化顯示終端、傳感器等構成的錨機自動控制系統(tǒng)實際是一個小型自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)具有較為獨立特點，但同時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時監(jiān)控功能的自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)，是目前錨機自動控制的主流思想，也是大發(fā)展方向。

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

[2]中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設計實用手冊·舾裝卷.北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[3]中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設計實用手冊·電氣卷.北京:國防工業(yè)出版社, 1997.

[4]李海瀛.《海洋石油工程電氣技術》石油大學出版社,1998.

[5]楊慶堂. PLC在船用三速錨機控制系統(tǒng)中的應用.中國科技信息, 2008, 11(24).

[6]繆駿驊. 對三速錨機電動機電氣控制電路的分析科技情報開發(fā)與經(jīng)濟, 2007, 17(3).

[7]蔣文娟. 淺談三速電動錨機的電氣控制原理. 科技資訊, 2008, (19).

[8]廖騰勇, 周文飛. 特殊環(huán)境下自動收放系統(tǒng)的設計.船舶電子工程 2009, (9).

[9]鄭麗華, 于方濤, 馮競, 李東華, 郭全. 海上平臺錨機監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實現(xiàn). 自動化儀表, 2009.

[10]劉希滬, 姜偉. 無人駁的錨機遙控系統(tǒng)研制及應用。船舶設計通訊, 2008, 6(1).