毛立峰，董明曦，夏海紅

（中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

基于變頻驅(qū)動的錨絞組合機設計與應用

毛立峰，董明曦，夏海紅

（中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

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

變頻；錨絞組合機；恒功率控制；恒張力控制

0 引言

隨著船舶甲板設備大型化智能化的趨勢，現(xiàn)代船舶錨絞組合機規(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)動技術具有節(jié)能、控制精度高、調(diào)速平穩(wěn)、維護方便等諸多優(yōu)點，近年來國外知名的甲板機械供應商 Aker Solutions、Rolls-Royce與TTS均推出了多系列的變頻驅(qū)動甲板機械設備。我國的甲板機械設備工程技術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化設計方面與國外先進技術之間存在較大的差距[1]。開展變頻驅(qū)動的錨絞組合機的設計并對恒張力控制和恒功率控制等先進技術進行研究對于提升甲板機械設備水平具有重要的工程意義。

本文結(jié)合某所承擔研制的某型臥式錨絞組合機項目，對變頻調(diào)速、恒張力控制和恒功率控制等技術進行分析和論述。

1 工況特性分析

1.1 錨機負載特性

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

圖1 錨機負載特性曲線圖

第Ⅰ階段的錨機所受的力為將船舶拉向錨泊地的力，收起海底的余鏈，這時錨機承受的負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點至C點的力增長即為移船力逐漸增加至破土力。第Ⅲ階段（CD段）C點為破土點實際上是一個瞬間，當拉力增大至破土力時，錨機瞬時過載，使錨破土。第Ⅳ階段（DE段）錨破土之后錨機負載迅速減小，D點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）負載大，運用變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩使電機運行在額定速度以下，輸出較大的轉(zhuǎn)矩輸出；破土后，在第Ⅳ階段（DE段），負載減小到額定轉(zhuǎn)矩以內(nèi)，為了提高低負載下的工作效率，本裝置采用了恒功率控制，可相應提高控制速度，使電機工作在恒功率段，適當加快起錨速度。針對當錨接近錨鏈孔時，運用位置控制進行智能減速控制，設置編碼器對錨鏈長度進行采樣，形成位置閉環(huán)，當錨進入設定減速區(qū)時自動降低變頻輸入頻率實現(xiàn)智能降速功能。

1.2 絞車負載特性

大型船舶?？看a頭期間，通常需系帶 6～8根以上纜繩，由于風向、風力的變化，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致纜繩拉斷甚至導致船舶失控，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 錨絞組合機系統(tǒng)組成

起錨機主要技術指標：

系泊絞車主要技術指標：

該型設備由電氣與機械兩部分組成，其中電氣部分配置有電氣控制柜、濾波控制柜、變頻控制柜和機旁操縱臺；機械部分由錨機執(zhí)行機構、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；電氣控制柜含可編程控制器等器件，實現(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行諧波二次治理，確保在極端條件下諧波干擾控制指標滿足總體設計要求，斷路器等器件可以進行配電同時實現(xiàn)安全保護及報警功能；機旁操縱臺為操作終端，操作人員可以通過其對整個裝置進行操作控制。

錨機執(zhí)行機構由錨鏈輪、鏈輪主軸、開式齒輪、傳動軸、制動輪、錨機制動裝置、錨機離合器裝置、編碼器、軸承及錨機基座等組成；采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器采集錨鏈長度實現(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、減速器、盤式制動器及相關附件、聯(lián)軸節(jié)、帶剎車盤聯(lián)軸器等組成。錨絞組合機安裝于整體底座上，便于船廠進行安裝、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)設計

控制系統(tǒng)由一個中央控制站和兩臺機旁操作站組成，如圖3所示。機旁操作站各由一組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，同時功能顯示模塊可以實時顯示錨機（絞車）運行速度、錨鏈長度、變頻器狀態(tài)及報警等相關信息。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展能力[4][5]。在中央控制站可以直接對執(zhí)行結(jié)構進行控制，并且具有更高的優(yōu)先級。集中控制站和機旁操縱站之間、集中控制站和變頻控制柜之間通過profibus總線進行通訊，集中控制站和機旁操縱站之間傳輸操作指令、設備狀態(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行集中控制。

3.1 恒功率控制

當錨出水后或絞車空載階段，機構不在額定負載下工作，為了提高低負載下的工作效率，本裝置采用了恒功率控制，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關系如圖4所示。當負載達到額定負載，電機運行在額定速度以下，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轉(zhuǎn)速；當負載小于額定轉(zhuǎn)矩，電機進入恒功率階段，運行在額定速度以上，處于恒功率特性，即輸出的功率恒定，輸出力矩隨著電機轉(zhuǎn)速的升高而減小；空載時，操作者可以主令在0～Vmax間進行無級調(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)時由于船舶承載重量的變化造成鋼纜上的張力變化，導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，同時減輕了操作者的工作強度。

本文通過控制變頻電機的輸出轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)恒張力控制要求，變頻電機驅(qū)動絞車工作時的受力關系為：

式中，MTD為纜繩作用在絞車上轉(zhuǎn)矩；D為卷筒直徑；MT電機轉(zhuǎn)矩；MTD為設定張力作用在絞車上轉(zhuǎn)矩；MS設定張力所對應的電機轉(zhuǎn)矩；d為電動機驅(qū)動軸直徑；Δm為設定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩差。當Δm≤k時，電動機處于停止狀態(tài)；當Δm>k時，PID控制器對轉(zhuǎn)矩偏差進行處理解算出一個控制量，上位機將控制量傳輸?shù)阶冾l器，變頻器根據(jù)指令進行相應方向的運動，進而實現(xiàn)系纜設備的恒張力控制。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

變頻錨機在帶載起升初始階段如果電機的初始力矩不夠，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輸出力矩來支持負載力矩。本裝置的做法是在每次操作完成后，系統(tǒng)記錄停止時電機的輸出轉(zhuǎn)矩，再次啟動時變頻器會裝載記錄轉(zhuǎn)矩，并使電機保持該轉(zhuǎn)矩輸出；同時運用變頻器轉(zhuǎn)矩監(jiān)測功能，當變頻器輸出轉(zhuǎn)矩達到設定值時制動器打開信號方有效。

在停車時制動器同樣需要正確控制，制動器動作過快會對電機和齒輪箱等產(chǎn)生機械沖擊，造成受力疲勞，影響裝置壽命，同時會造成剎車片磨損嚴重；制動器動作過慢會造成負載失速下墜的風險。本裝置在減速階段設定全速的3%為抱閘閉合觸發(fā)點；同時將電機的去磁時間設置在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

通常提升設備和行走機構自動減速設計是運用行程開關，當觸發(fā)裝置經(jīng)過行程開關后，機構以較低的速度進入減速區(qū)。為了減少起錨過程中的沖擊，本裝置運用位置控制進行智能減速，通過增量式編碼器采集錨鏈出鏈長度，當錨鏈長度在減速設定值以內(nèi)時，錨機將由ΔS決定運行速度，ΔS越大速度越快，隨著收錨過程ΔS減小，錨機運行速度隨之減小，當ΔS=0時速度等于零，即提高了起錨過程的工作效率又減少了操作過程的機械沖擊。增量式編碼器采用了雙冗余設計，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

本文針對錨機及絞車不同工況下的負載特性，提出了變頻調(diào)速為驅(qū)動形式的錨絞組合機設計方案。該方案以S7-300-PLC作為控制單元，運用恒功率控制、恒張力控制、抱閘控制及智能減速技術，設備投入使用后表明運行穩(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的智能化和精細化水平，并為其他甲板機械設計提供新的參考思路，具有重要的工程現(xiàn)實意義。

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

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

[3] 鄢華林. 一種新型波浪補償系統(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應用技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

中遠船務交付全球居住人數(shù)最多海洋生活平臺

今年年初，中遠投資（新加坡）有限公司發(fā)布公告稱，中遠船務工程集團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人同時提供生活居住服務，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。中遠船務獨立完成該平臺的詳細設計、生產(chǎn)設計，以及所有設備采購、建造、系統(tǒng)安裝調(diào)試工作。

“高德1號”采用荷蘭GustoMSC-OCEAN500船型設計，結(jié)構設計可滿足英國北海、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（USCG）等的相關規(guī)則、規(guī)范要求。該平臺配備最先進的可伸縮式棧橋（TELESCOPIC GANGWAY），實現(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。當鉆井平臺發(fā)生危險以及海上波浪過大時，該棧橋可自動斷開與生產(chǎn)平臺的連接，最大程度保護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，設計吃水20米，配備6臺主機、6臺推進器，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個房間均有窗戶，且預留了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。