船載式AMP電纜卷車控制管理系統研究

劉善斌，吳天裕

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船載式AMP電纜卷車控制管理系統研究

劉善斌，吳天裕

（中海網絡科技股份有限公司，上海200135）

船載式AMP電纜卷車是船舶岸電系統的重要環節之一。本文著重論述船載式AMP電纜卷車的控制原理，首先介紹了電纜卷車系統組成；再通過對系統電纜張力變化的計算分析，結合變頻驅動的技術特點，詳細闡述了船載式AMP卷車扭矩變頻控制管理技術；其次結合系統應用的特點，詳細介紹電纜卷車自身保護及對船舶岸電系統提供的保護功能；最后，本文認為該電纜卷車不僅能最大限度減少電纜損耗延長使用壽命，且方便使用維護。

船舶岸電 AMP電纜卷車 變頻控制電纜張力

0 引言

隨著全球環境的日益惡化，以及人類對生存環境的日益重視，各個領域都在推行節能減排技術。在航運港口領域中，岸電技術的運用可以有效的減少船用柴油機廢氣排放，對港口環境的改善、船員生活質量的提升有著重要貢獻。

岸電技術中，電力供應從岸端到船端依次要通過港口變電站、變頻電源裝置、岸邊供電箱、電纜卷車直至船載設備。船載式AMP動力卷車是岸電技術中的重要環節之一。

電纜卷車及管理系統起到連接船岸兩端供配電設備，實現電力傳輸的重要功能。為實現安全、有效、穩定的電力傳輸功能，電纜卷車不僅需要提供基礎的收放纜功能，還需要可靠、有效的驅動技術來保護供電電纜，減少供電電纜的損耗，以此降低電纜卷車維護成本。

1 系統組成

基于本文技術研制的船載式AMP動力卷車CS-AMPJC-H2，其硬件主要包括：

1）不銹鋼卷筒軀體

卷筒、導纜架、基座、電氣控制箱均采用316不銹鋼制造完成，并且使用高端油漆進行二次防銹保護，以應對腐蝕性更強的海洋及港口環境。

2）變頻電機驅動系統

變頻電機驅動系統由帶矢量控制的變頻器、變頻電機、交直軸減速機等組成。整個系統由PLC及各類傳感器配合控制，不僅實現電纜卷車收放纜的基本功能，還能有效控制電纜張力，以減少電纜損耗。

3）導纜架驅動系統

導纜架靠液壓驅動，驅動系統由電機配合帶雙向電磁閥的油缸組成。導纜架上并排布列了玻璃纖維制的托輥，用于減少電纜線皮的磨損。導纜架配有限位開關用于定位其收放位置。

4）岸電專用電纜及插頭

卷車電纜屬于專用特種電纜，電纜規格為CRCEF6/10kV 3*185＋95＋6*2.5＋6*62.5/125。三芯185 mm2用于電力傳輸，95 mm2為地線，六芯2.5 mm2為控制電纜用于船岸安全連鎖，6芯光纜用于船岸間通信。插頭與岸端插座配套，匹配電纜規格。

5）集電器

集電器由銅環及碳刷組成，每相由兩個銅環組成，地線連接一個銅環，每個銅環上有三個多觸點碳刷，每個碳刷在額定工況下的可達到300A載流量，單相最大電流可達到1800A。

2 卷筒驅動控制系統

除了優質的電纜卷車硬件外，還需要配套完善的驅動管理系統，用以實現電纜卷車對電纜的收放控制功能，同時減少電纜使用損耗并且保證船岸間供電系統通訊及安全連鎖等功能。

卷筒驅動控制系統核心為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）。PLC負責控制信號采集和指令發布工作，通過內部程序，實現電纜卷車的所有控制功能以及岸電通訊及安全連鎖等系統管理功能。

相比于傳統的繼電器邏輯控制回路，采用PLC的優勢在于其擁有更強大邏輯控制功能，而且靈活性遠大于繼電器邏輯控制回路。當系統需要新增或者改變某些功能或屬性時，只需要在PLC中變更程序，就能幫助系統更方便快捷的做出改變，增加系統集成性、容錯率以及效率。

圖1為卷筒驅動控制系統硬件框架圖，系統最終執行機構為導纜架以及電纜卷筒，控制核心為PLC。PLC通過凸輪開關及轉角編碼器判斷卷筒旋轉位置，通過導纜架行程開關判斷導纜架收放位置；變頻器則通過速度編碼器與卷筒電機形成轉速控制閉環控制回路。

2.1 導纜架控制回路

1）硬件組成

導纜架控制回路由導纜架操作箱、PLC、導纜架電機、帶電磁閥的液壓裝置、導纜架以及行程開關組成。導纜架操作箱上設有導纜架使能、導纜架收、導纜架放共3個按鈕以及導纜架電機過載報警指示燈。

2）操作流程

PLC接收到導纜架使能信號后，驅動電機運轉，從而使得液壓裝置儲力。當PLC接收到收或放導纜架信號時，PLC控制對應的電磁閥驅動平衡桿，使得液壓油按照指定方向流動從而產生驅動導纜架動作的壓力。導纜架上下限位都設有行程開關。當導纜架下放并觸發行程開關后，PLC程序中屏蔽“導纜架放”信號，此時導纜架只能收不能放。同理，“導纜架收到位”信號觸發后，導纜架只能放不能收。

3）功能特點

a）由于電纜卷筒放置在戶外甲板上，為不受可能遇到的大雨等潮濕天氣的影響，導纜架操作箱按鈕、指示燈都配置了防水功能，防護等級達到IP56。

b）在控制方式上，為避免因誤觸碰按鈕導致問題發生，PLC內設定了兩段驅動控制模式。一般控制方式沒有使能按鈕，只設有收/放按鈕，如果有人員誤觸碰到按鈕，則會導致導纜架直接被驅動，有可能造成人員危險或設備損傷。而在改進的兩段驅動控制模式，按下導纜架使能按鈕只能使得導纜架電機運行而導纜架不動作，必須再按下導纜架收/放按鈕才能真正驅動導纜架。

c）在導纜架保護方面，還做到了以下兩點：

配置了導纜架過載指示燈。當導纜架電機出現過載故障，供電開關會保護性跳閘，并觸發報警指示燈。

導纜架電機延時操作功能。電機停止時，按下使能按鈕啟動電機，2秒后再次按下使能按鈕，電機停止。若電機啟動后2秒內按下使能按鈕，電機不會停止；若電機啟動后30S內無任何操作，導纜架電機會自動停止。通過這種設定保護電機，一能避免短時間重復啟停而造成故障，二能避免因為操作人員忘記關閉電機而造成故障。

2.2 電纜卷筒控制回路

1）硬件組成

電纜卷筒控制回路由手持操作盒、面板操作按鈕及指示燈、PLC、變頻器、變頻電機、電纜卷筒等設備組成。手持操作盒上有手自動選擇開關、收攬按鈕、放纜按鈕及故障復位按鈕。控制箱面板上則包含急停按鈕、上電指示燈、變頻器就緒指示燈及各類故障指示燈。

2）操作流程

電纜卷筒必須在導纜架下到位的情況下才能運行。卷筒運行分手動/自動兩種模式。手動模式下，操作人員使用手持操作盒收攬/放纜按鈕控制卷筒，卷筒處于恒轉速狀態。當電纜連接到岸端插座箱后，應切換到自動模式，卷筒處于恒轉矩狀態，以此保持懸掛在外的電纜一定張力。卷筒凸輪開關用于保證卷筒電纜不會被完全拉光或者過分收纜，轉速編碼器用于變頻器控制電機轉速，轉角編碼器用于判斷電纜放出的長度。

3）控制策略

變頻電機驅動系統是整個卷筒驅動控制系統核心技術。變頻器及變頻電機則組成了靈活高效且節能的驅動裝置。在不同工況下，變頻器采用不同的模式來驅動電機，其目的是減少卷筒上的供電電纜受損程度，增加電纜的有效使用時間，最終達到減少船舶岸電使用成本的目標。

當岸電系統正常工作時，船舶電纜成為了船岸連接的橋梁。然而，由于潮汐或者大風的影響，船舶電纜的松緊會不斷變化。如果電纜過松，會導致在卷盤內的電纜扭曲變形，當卷車收電纜時，則會因此損傷電纜。如果電纜過緊，則會出現電纜張力過大，增加內損。因此維持合適的張力，使得電纜松緊不受外界影響是電纜卷車面對的最大問題。

傳統的電纜卷車會利用油浸式轉矩調節離合器來實現恒張力。但這種技術的缺陷在于油浸式轉矩調節離合器調節麻煩、成本高而且維護成本高。本方案是用變頻器驅動變頻電機替代傳統電機及油浸式轉矩調節離合器。使用帶矢量控制的變頻器控制變頻電機，可使用轉速控制以及轉矩控制兩種方式來滿足船載式AMP電纜卷車的使用要求。

先介紹一下兩種控制模式：

a)轉速控制

變頻調速在絕大多數情況下，都是通過調節頻率來調節電機轉速的，稱為轉速控制。電機轉速正比于變頻器輸出頻率。啟動時，為盡快達到額定轉速，電機會以最大輸出轉矩運行直至系統達到額定轉速，當達到額定轉速后，電機輸出扭矩會匹配負載扭矩使得電機在額定轉速下勻速轉動。

b)轉矩控制

變頻器設定按固定扭矩輸出，此時電機轉速受系統動態轉矩影響。當負載轉矩小于輸出扭矩時，系統加速；當負載轉矩大于輸出轉矩時，系統轉速。同時，系統必須設置上限頻率，當系統加速至上限頻率對應的轉速時，根據異步電機原理，由于轉子切割磁力線的速度下降，所產生的轉矩也必然下降，直至輸出轉矩等于負載轉矩。

4） 控制原理

a)手動模式

當船舶靠岸后或者離岸前，卷筒需要放出或回收電纜。此時需要電纜以可控的速度收放，電纜卷車需要克服的主要為已經被放出去的，懸掛在空中的電纜的重力。重力是隨著被放出的電纜長度的變化而變化的，故此處選擇以轉速模式控制電機。

轉角編碼器轉軸固定在凸輪限位開關凸輪軸上，根據實際電纜圈數，可以得出從空盤到滿盤，凸輪軸轉過的角度，以此來限定轉角編碼器的讀值范圍。由此可得轉角編碼器的模擬量輸出值I正比于剩余電纜圈數，及正比于當前卷筒半徑R。因此，將轉角編碼器模擬量輸出值傳給PLC，能計算出當前卷筒半徑R。

其中—卷筒線速度；—卷筒半徑；—卷筒轉速。

根據實際需求，為卷筒線速度設定一合理值，在PLC中，通過上公式計算可得到實際需求的卷筒轉速，將卷筒轉速通過模擬量輸出模塊傳輸給變頻器AIN2接口通過P2.2.3.3及P2.2.3.4設定了最小速率及最大速率，變頻器根據AIN2接口輸入值，在最小速率及最大速率間線性變化。實際放纜或收攬時，變頻驅動系統會依據負載自動匹配轉矩來保證速率達到設定的標準。

b)自動模式

當電纜被正常連接到岸端插座箱之后，電纜卷車切換到自動，變頻驅動系統切換到扭矩模式，此時卷車轉矩大小需根據船只情況的不同而設置不同的值。

變頻器扭矩設置是根據最大扭矩的百分比來配置的，此系統中將最小標準扭矩與最大標準扭矩設為同一值。某些系統中，標準扭矩可以根據外幣輸入的AI參數而線性變化。

岸電正常連接工作期間，船岸連接電纜需要保持一定張力，不至于因為太松或太緊而導致電纜損傷。以導纜架電纜支點分析，電纜受到自身向下的重力以及一定的向下張力σ，同時受到卷筒向上的有效拉力，上下拉力平衡=-，需要維持張力處在合理范圍內。：實際電纜拉力；：系統內部阻力（碳刷摩擦力）；：電纜內部張力；：懸掛在外的電纜重力；：卷筒帶電纜當前半徑；：卷筒最小半徑。

根據圖5的受力分析，可得出下列公式

其中：：全部電纜重力；：A、B兩點間電纜重力；：剩余在卷筒上電纜重力；：卷筒電機驅動扭矩；：電纜密度；：電纜截面半徑；：電纜截面積；：當前電纜剩余圈數；：重力加速度。

由上述公式，可得出張力關于扭矩的公式。實際可參考下圖張力力曲線分析圖。圖3 張力曲線分析圖（為卷筒處于自動狀態下，電纜半徑可能變化的范圍），電纜張力σ則表現為拉力與重力的差值。

當卷筒系統切換至自動模式后，電纜半徑的變化范圍在[]之內，因此需滿足在有效區間內的任一位置，及∈[]時，>，及>0。由此得到關于電纜半徑R的不等式。根據現場實際情況，則可得出在∈[]范圍內，滿足不等式條件的最小扭矩值。實際操作中，為增加安全系數，實際輸入至圖4中標準扭矩的值會大于，可參考1.1倍數值，并需通過現場測試，才能真正使用。

3 保護功能詳解

3.1 自保護功能

船載式AMP電纜卷車設置了很多自我保護連鎖功能，以防止誤操作或者其他系統故障如停電等對卷車及電纜造成損害。

1)“滿盤”位置信號指示

當電纜卷車處于“滿盤”位置時，滿盤信號燈亮，此時電纜卷車只能放纜，不能收攬，以防止卷車對插頭的損傷。

2)“倒數第二圈”信號指示

當電纜卷車處于“倒數第二”位置時，倒數第二圈信號燈亮，提醒操作人員，卷盤所剩電纜不足。再放纜半圈，卷筒會自動停機，以防止人員誤操作。

3)“倒數第一圈”信號指示

若電纜卷車被迫轉動至“倒數第一圈”位置，倒數第一圈信號燈亮，同時會觸發緊急信號，向岸電系統報警。

4)導纜架過載指示

若導纜架電機出現堵轉等過載狀況，則控制接觸器會自動斷開，并觸發過載指示燈亮起。

5)卷筒驅動回路過載指示

若卷筒出現故障導致變頻器過載狀況，則驅動接觸器會自動斷開，并觸發過載指示燈亮起。

6)變頻器、變頻電機過熱保護

變頻電機帶有強冷風扇，用于給電機降溫，同時定子上還安裝雙金屬開關，當定子溫度高于指定溫度后，雙金屬開關斷開，觸發變頻器故障停機。變頻器帶有制動電阻過熱保護裝置，外置制動電阻被安裝在一個防水且通風的不銹鋼小箱體內，依靠自然通風降溫，當制動電阻溫度高于額定值時，安裝在制動電阻箱內的雙金屬開關斷開，觸發變頻器故障停機。

7)防抱死功能

當岸電連接后，若卷車突然停電，則拉住懸掛在空中電纜的不再是電機運行轉矩，而是電機制動器。在失電狀態下，為防止電纜墜落或電纜張力過大而受損，電機制動器必須調整在合適的制動力范圍內。現通過計算，將制動扭矩控制在7~9 Nm（正常同功率的電機制動扭矩通常被設置為額定扭矩的三倍，40 Nm左右），此時，電纜被拉住不會自然墜落，同時當電纜張力變大后，電纜會被拽出而不至于受損。

3.2 岸電系統保護功能

電纜卷車通過PLC與上層岸電管理系統進行連接，通過電纜控制及通信控制雙重方式，以增加系統的安全性。

1)急停功能

當船舶岸電系統出現任何緊急狀況，如電纜墜落等，船員可按下控制柜門板上的急停按鈕，按下后，卷車驅動系統停機，依靠電機制動器鎖定放出電纜長度，同時卷車通過通信方式告知上層岸電管理系統，使其做出保護措施，如斷開岸電電源供電回路。

2)“倒數第一圈”報警

當電纜被迫拉至倒數第一圈時，電纜卷車會向上層岸電管理系統發送緊急信號，促使岸電管理系統做出保護措施，如斷開岸電電源供電回路。

4 總結

岸電技術的發展與推廣將是實現綠色港口目標的重要方式，而電纜卷車系統則是岸電系統中承上啟下的重要環節。優秀的電纜卷車產品，不僅需要實現電纜收放這樣的基本功能，還需要做好岸電通信系統的橋梁，同時保護好電纜，減少電纜使用損耗，增加其使用壽命。采用變頻驅動系統，配合先進的管理系統，能很好的實現上述目標，為綠色港口做出貢獻。

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Research on Control Management System of Shipboard-type AMP Cable Reel

Liu Shanbin ,Wu Tianyu

（China Shipping Network Technology Co., Ltd, Shanghai 200135, China）

TM762

A

1003-4862（2016）11-0062-05

2016-07-15

劉善斌（1989-），男，本科。研究方向：船舶電力系統。