王晨星，李欣一，陳 浩，毛立峰

（1. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200031）

0 引言

在大型科考船上，最早的主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)是液壓驅(qū)動(dòng)。然而，當(dāng)今世界甲板機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主流逐漸變成了交流變頻驅(qū)動(dòng)[1]。相比于液壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，交流變頻傳動(dòng)更能夠節(jié)省設(shè)備所占的空間，也能降低整個(gè)絞車系統(tǒng)的成本。

常規(guī)大型科考船上的絞車設(shè)備不止1臺(tái)，涉及到多臺(tái)絞車的多個(gè)電機(jī)的協(xié)同作業(yè)，優(yōu)先采用多傳動(dòng)變頻技術(shù)[2]。由于整個(gè)絞車系統(tǒng)共用公共直流母線，每個(gè)電機(jī)的變頻器無(wú)需單獨(dú)配套三相整流器和制動(dòng)斬波單元，而只需要共用1個(gè)公共整流器和制動(dòng)斬波單元，其容量總和都要比每個(gè)變頻器的總和要小得多，而且整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，也較大幅度的降低系統(tǒng)的成本[3]。上海船舶設(shè)備研究所于2019年下半年開(kāi)始啟動(dòng)某大型科考船的3型絞車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)絞車電控系統(tǒng)采用多傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)前期設(shè)計(jì)、CCS設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、制造、后期調(diào)試和CCS檢驗(yàn)等階段，于2020年5月份向船廠交付了3個(gè)不同型號(hào)用途的絞車，目前這3型絞車在科考船上運(yùn)行功能均正常。

圖1 多傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)單線連接圖

圖2 第一排變頻驅(qū)動(dòng)柜體布置結(jié)構(gòu)

圖3 第二排變頻驅(qū)動(dòng)柜體布置結(jié)構(gòu)

圖4 水冷制動(dòng)電阻

1.2 VaconNX變頻器應(yīng)用

絞車的運(yùn)行控制，變頻器主要控制絞車的正向和反向旋轉(zhuǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的加減速、高速穩(wěn)定和精度控制、大轉(zhuǎn)矩的精度和動(dòng)態(tài)快速性能的一些要求。變頻器能夠頻繁切換于4象限工作狀態(tài)之間，對(duì)變頻器的性能提出了高要求。根據(jù)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)考察評(píng)估，VaconNX系列變頻器最終被選用[4]。

VaconNX系列變頻器在全功率（0.55～2.2 MW）和電壓（380～690 V）范圍內(nèi)全面面向感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，是目前復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合中較為經(jīng)濟(jì)的變頻器。變頻器也通過(guò)了CCS等船級(jí)社的認(rèn)證，在船舶上可以放心地應(yīng)用。

VaconNX系列變頻器能提供給用戶5個(gè)用于擴(kuò)展I/O、現(xiàn)場(chǎng)總線與功能安全板的內(nèi)置擴(kuò)展槽，、無(wú)需使用額外模塊，選件板緊湊且可隨時(shí)隨地輕松安裝。用戶靈活設(shè)置內(nèi)部功能組件，還可以根據(jù)船上作業(yè)需求靈活應(yīng)用。變頻器的電壓范圍也十分廣泛，能夠正常工作在380～690 V，對(duì)于船內(nèi)電壓波動(dòng)較大有很好的適應(yīng)性特點(diǎn)。變頻系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，無(wú)需額外改造，機(jī)柜空間減小，總成本降低。

在絞車系統(tǒng)中，由于要實(shí)現(xiàn)整個(gè)絞車的2個(gè)牽引驅(qū)動(dòng)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)、儲(chǔ)纜絞車驅(qū)動(dòng)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、整個(gè)絞車不同驅(qū)動(dòng)的同步性運(yùn)轉(zhuǎn)，那么每個(gè)變頻器都需要具備速度控制和恒轉(zhuǎn)矩控制2種運(yùn)行方式。

對(duì)于用戶提出的這些特殊運(yùn)行需求，VaconNX系列變頻器都能應(yīng)付自如：各個(gè)變頻器都采用速度閉環(huán)控制方式，PLC的CPU通過(guò)Profinet總線控制的方式，驅(qū)動(dòng)12臺(tái)絞車變頻電機(jī)在同一時(shí)間按照不同的工作需求來(lái)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

整個(gè)系統(tǒng)中的公共直流母線上掛著12個(gè)變頻器的主輸入電路。VaconNX系列變頻器能對(duì)用戶開(kāi)放內(nèi)部直流端子，因而把直流輸入端接入快速熔斷器再直接接入到公共直流母線上。

電抗器裝置設(shè)置在變頻器的輸出端與電機(jī)輸入端中間，對(duì)系統(tǒng)輸出的交流電具有相應(yīng)程度的濾波而且可以有效降低dV/dt指標(biāo)，也減輕了電機(jī)繞組絕緣的電應(yīng)力，可靠地保證電機(jī)絕緣能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，也降低了電機(jī)電纜對(duì)外輻射的干擾，可以在一定程度上使變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)以及船內(nèi)其他控制系統(tǒng)擁有好的兼容性。

1.3 絞車控制系統(tǒng)部分構(gòu)成

控制部分的PLC是整個(gè)電控系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制核心，PLC控制器CPU型號(hào)為西門子1513-1 PN，同時(shí)配置有與1500系列配套的數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊和接口模塊。PLC以及外圍傳感器電源采用2路具有隔離功能的24VDC開(kāi)關(guān)電源，使控制器的供電純凈無(wú)干擾，穩(wěn)定性得到提升。PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

PLC控制器主要對(duì)3臺(tái)絞車總共12個(gè)主電機(jī)的變頻器進(jìn)行控制，包括控制相應(yīng)電機(jī)的啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)方向，控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩以及整個(gè)絞車系統(tǒng)的安全制動(dòng)控制。同時(shí)PLC控制用于采集絞車系統(tǒng)各個(gè)部位的傳感器信號(hào)，并提供絞車系統(tǒng)的報(bào)警信息。

1.3.1 絞車電機(jī)變頻器的控制

絞車變頻器的操控，主要通過(guò)外部控制器作為IO輸入傳輸?shù)絇LC，PLC控制器運(yùn)算處理后通過(guò)通信Profinet總線輸出到各個(gè)電機(jī)變頻器。外部控制器可以由多個(gè)操作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別為：本地操縱臺(tái)、遠(yuǎn)程操縱臺(tái)和便攜式遙控器。

在PLC與變頻器的控制通信接口協(xié)議上，設(shè)置有“速度或轉(zhuǎn)矩”的控制模式，恒速控制或者恒張力控制都可以隨時(shí)隨地按作業(yè)要求進(jìn)行切換。

電機(jī)的控制方式主要采用速度閉環(huán)控制模式，能夠很好地保證控制精度，無(wú)論是恒速控制，還是恒轉(zhuǎn)矩（恒張力）控制模式下都能夠?qū)崿F(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)的控制方案主要應(yīng)用在整個(gè)變頻控制系統(tǒng)里，尤其是Profinet網(wǎng)絡(luò)控制方法。PLC控制單元通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)和各個(gè)變頻器相通信，通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)變頻器的控制。PLC控制器也可以通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)置所有變頻器的主要控制參數(shù)、實(shí)時(shí)獲取每個(gè)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置和故障診斷信息。

1.3.2 變頻器對(duì)電機(jī)剎車的控制

每臺(tái)絞車的排纜電機(jī)采用的是電磁剎車裝置，牽引絞車電機(jī)減速機(jī)和儲(chǔ)纜絞車電機(jī)減速機(jī)的齒輪傳動(dòng)上采用的是液壓剎車裝置，這2種剎車方式都由絞車變頻控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)同進(jìn)行控制。

PLC將絞車的啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到絞車變頻控制系統(tǒng)，變頻器接收到指令后立即輸出開(kāi)閘信號(hào)、同時(shí)對(duì)應(yīng)的抱閘裝置打開(kāi)抱閘。同樣PLC也傳輸絞車停止運(yùn)行信號(hào)到絞車變頻控制系統(tǒng)，變頻器立即停止抱閘、同時(shí)對(duì)應(yīng)的抱閘裝置關(guān)閉抱閘。

1.3.3 保護(hù)在變頻系統(tǒng)的設(shè)置

內(nèi)部保護(hù)信息如欠壓、過(guò)壓、短路、缺相和過(guò)流保護(hù)等都有在變頻系統(tǒng)里設(shè)置，外部保護(hù)信息如編碼器故障、電機(jī)超速等也在變頻系統(tǒng)里設(shè)置。如果這些內(nèi)部或外部保護(hù)被觸發(fā)時(shí)，變頻器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC，迅速讓PLC控制器發(fā)出剎車抱閘的指令，停止輸出電壓到電機(jī)，同時(shí)把故障代碼保護(hù)信息等通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)通信向船上的信息顯示系統(tǒng)提供。

1.3.4 Profinet通信網(wǎng)絡(luò)

PLC、交換機(jī)、12個(gè)變頻器、工控機(jī)、觸摸屏和遙控器等構(gòu)成了絞車控制系統(tǒng)內(nèi)部的Profinet通信控制網(wǎng)絡(luò)。其中，12個(gè)變頻器、工控機(jī)、觸摸屏、遙控器分別連接到交換機(jī)上，通過(guò)交換機(jī)與PLC控制單元進(jìn)行通信，構(gòu)成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。主從式控制方式主要用于Profinet網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)主站為PLC控制器CPU，其他網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備均為從站。PLC的CPU向各個(gè)從站發(fā)送指令，各個(gè)從站設(shè)備收到主站指令進(jìn)行響應(yīng)并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)包。

在各個(gè)變頻器內(nèi)部系統(tǒng)，通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)PLC的CPU與各個(gè)變頻器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)變頻器的指令控制，也可以通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)置變頻器的主要參數(shù)、獲取每個(gè)變頻器的所有工作情況、參數(shù)設(shè)置和故障診斷信息。

2 工程化設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)小容量的供電系統(tǒng)，電磁兼容在整個(gè)變頻系統(tǒng)中是需要首先解決的一個(gè)大問(wèn)題。如果不解決，將會(huì)干擾到整個(gè)絞車控制系統(tǒng)以及整船的通信系統(tǒng)。VaconNX系列變頻器能提供配套的各種電磁兼容元件，比如線路端的電抗器、安裝在輸入端的濾波器、EMI濾波器和線路電抗器等；直流回路中的RFI濾波器、正弦濾波器和輸出端的電抗器等。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求，用戶可以配置合適的電磁兼容元件。精細(xì)、合理、嚴(yán)格的布線以及接線工藝也可以讓電磁兼容滿足要求。

其次，用戶有時(shí)需要查看各個(gè)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和搜索具體的控制參數(shù)，因此專門對(duì)每個(gè)變頻器都設(shè)置一個(gè)液晶顯示面板，安裝在變頻柜的表面。此外，用戶需要遠(yuǎn)程觀察變頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，就需要通過(guò)Profinet總線向駕駛室和監(jiān)控室傳輸詳細(xì)的變頻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷信息。操作人員很方便地在駕駛室和監(jiān)控室觀察整個(gè)變頻系統(tǒng)的工作情況，不用特意走到變頻艙內(nèi)去查看。

3 結(jié)論

本科考絞車系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行全海深作業(yè)需求的深海絞車系統(tǒng)的研制工作，提出了很高的要求，設(shè)備技術(shù)度復(fù)雜，技術(shù)覆蓋面廣。多傳動(dòng)變頻技術(shù)在科考絞車系統(tǒng)上的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備深海絞車變頻控制系統(tǒng)的自主可控研發(fā)和制造能力。該絞車變頻控制系統(tǒng)為自主可控，具備同類進(jìn)口設(shè)備不可比擬的價(jià)格優(yōu)勢(shì)；能夠很好地控制成本，培訓(xùn)周期和培訓(xùn)費(fèi)用大大較少，產(chǎn)品維護(hù)成本和維護(hù)周期也大大降低，售后服務(wù)也能夠快速及時(shí)地響應(yīng)；同時(shí)，完全按照用戶需求裁減或增加設(shè)備相應(yīng)的功能，適當(dāng)改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形尺寸。

絞車變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案合理、先進(jìn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛用于船舶科考支撐系統(tǒng)絞車系統(tǒng)的多個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)，也可以拓展到其他領(lǐng)域的同類場(chǎng)合，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。