基于PLC的大型海工電動絞車電氣控制設計

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(1.海軍工程大學 a.振動噪聲研究所；b.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430033；2.武漢船舶職業技術學院，武漢 430050；3．湖北工業大學，武漢 430068)

隨著國內海洋工程裝備需求的增加，海工電動變頻絞車相關技術得到快速發展，國內船用大型變頻電機[1]、新型錨泊絞車控制系統研發[2- 3]與國外Rolls-Royce絞車系泊系統產品[4]相比，在驅動功率、輕量化設計和安全監控設計方面，還有一定差距。借鑒國外同負荷等級大型絞車設計及使用經驗，進行電動絞車開發。絞車位于半潛式起重生活服務海洋平臺甲板上，布置在右舷艏部和左舷艉部，由變頻電機、變檔減速器、開式齒輪組和滾筒等組成，2臺絞車可單獨操作。絞車電控系統對各種安全保護裝置進行監控和狀態報警，確保絞車安全可靠運行。

1 傳動結構

傳動結構如圖1所示，絞車電機傳動過程為：電機驅動多檔減速器，減速器按已設定的檔位，通過離合器及齒輪副驅動滾筒，減速器按二檔三速實現傳動。

圖1 傳動系統結構示意

2 總體結構參數及控制要求

2.1 主驅動電機性能參數及配置

2.1.1 主驅動電機性能參數

額定功率：355 kW，額定電流：577 A。

恒轉矩：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：8。絕緣等級：F。防護等級：IP56。電制：AC440 V，60 Hz，3相。

注：調速范圍為2 000～3 000 r/min時，電機過載能力為額定工況的1.5倍。

2.1.2 電機配置附件

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)強制風冷。

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

2.2 調速性能及控制要求

絞車運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系見表1。

表1 鋼絲繩拉力與速度關系

變頻器根據矢量控制算法改變電源頻率，使電動機在2倍額定速度內(即0～120 Hz)無級調速，運行過程中具有如下性能。

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

2)從0～2倍額定轉速無級調速過程中，絞車運行平穩，電機不會產生異常振動及嘯叫。

3)絞車額定負載下，能在機旁與駕駛室遠程變頻調速控制上升和下降。

3 電氣系統設計

3.1 電氣控制系統及組成

2臺絞車使用現場總線進行分布式控制，駕駛室內設有集中控制臺。電氣控制系統由變頻起動調速控制系統、PLC控制系統、絞車纜繩張力檢測系統3大部分組成。其中，絞車纜繩張力檢測系統為備選配置，電氣控制系統組成見圖2。

圖2 絞車電氣控制系統組成

各部分基本功能設計如下。

1)變頻起動柜。變頻起動柜安裝有PLC、變頻器(VFD)、制動單元、主斷路器、主電機接觸器、中間繼電器等電器元件。PLC選用Siemens公司S7-300系列PLC，負責整個系統的信號采集和控制處理，是整個控制系統的核心。變頻起動柜安裝在機艙，是系統主站，也是調試工作站。

2)制動電阻柜。制動電阻柜主要用于消耗電機下放負載時產生的電能，帶有溫控開關和散熱風扇。制動電阻柜選用國產產品。

3)機旁操作臺。機旁控制臺安裝在甲板上，根據環境要求，選擇防護等級IP56。為了保證調速控制質量，選用專用船用主令操作臺(防護等級IP66)，帶主令控制手柄和急停開關。同時，操作臺帶有電壓和電流顯示表，顯示主電機的工作電壓和電流。

4)機旁控制箱。機旁控制箱用于絞車機旁本地控制，包括監控變頻器、棘輪制動器、離合器、帶式制動器、水冷制動器、閘瓦制動器。纜繩張力與長度通過數顯表顯示(備選)。機旁控制箱防護等級為IP56。隨機便攜式操作盒，通過水密插頭和機旁控制箱的插座連接，實現各種制動器、離合器的控制和卷筒的收放纜控制(此時收放速度為恒定低速)。便攜式操作盒帶有緊急停機按鈕，可以實現緊急停機功能。

5)駕駛室集中控制臺。駕駛室集中控制臺采用單立琴式操作臺，控制面板為嵌入式結構，采用4 mm厚硬鋁板制作。通過調速手柄，控制絞車的收放纜。通過面板上的控制開關，控制棘輪、閘瓦、帶式剎車、水冷等制動器及離合器開閉。控制臺配有8寸觸摸屏，可實時顯示絞車狀態。駕駛室集中控制臺防護等級為IP23。

3.2 安全保護及失效分析

整個絞車系統具有完備的安全保護功能，急停及閘瓦控制設計為失效安全型，結合安裝應用位置，對保護裝置的結構形式進行選擇，具體配置見表2。

表2 安全保護功能配置表

4 選型計算及技術要求

4.1 驅動變頻器選型計算

絞車處于提升工況，連續工作過程中，纜繩處于最外層時，電機會有短時1.1倍過載，變頻器選型相關計算如下。

1)變頻器額定電流計算

IN≥Imax=I1×K×K1

(1)

2)變頻器額定輸出功率計算

PCN≥1.732×U1×I1×K×K1

(2)

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

輸入參數：U1=440 V，I1=577 A，K=1.1，K1=1.1。

計算結果為Imax=698.2 A，PCN=532 kW。

變頻器的選型必須同時滿足以上2個條件。

通常情況下，抑制變頻器產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，性能價格相差較大。綜合性能價格進行比較，選擇配有內置交流電抗器的變頻器，能滿足ABS船級社規范諧波含量要求，由變頻器配套廠家出具諧波計算書和試驗報告。

4.2 制動電阻選型計算

絞車處于主動放錨工況，放錨所產生的能量全部由制動電阻吸收，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，計算重力為720 kN，負載下放最大速度為10 m/min，所以放錨過程所產生的制動功率為：

Pe=Gm×Vm×10-3

(3)

Pw=Pe×(1-η)×10-3

(4)

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

計算得到Pe=162 kW，Pw=140 kW。

當變頻器放電電流等于電動機工作額定電流的一半時，電動機制動轉矩達到電動機額定轉矩[4- 5]。因此，變頻器制動電阻最大值近似計算為

(5)

式中：UD為制動電壓；IMN為電機的額定電流。

為避免變頻器受到損壞，變頻器處于電機額定電流狀態時，制動電阻不能小于該阻值，因此，變頻器制動電阻最小值近似計算為

(6)

綜上所述，制動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。

制動電阻的阻值應為2 Ω，實際選擇3臺總阻值為6 Ω，功率為60 kW的制動電阻柜并聯使用。

4.3 變頻器及制動電阻柜技術要求

根據工況，進一步分析變頻器相關技術要求，具體如下。

1)絞車起拋錨過程(提升類負載)，每個工作周期內電機1.1倍過載，運行時間不低于25 min；電機1.5倍過載，運行時間不低于2 min。電機變頻調速范圍為0～120 Hz，在0～60 Hz范圍內為恒轉矩調速，在60～120 Hz內為恒功率調速，屬弱磁調速[8]。

2)每個工作周期內，絞車進行位能負載下放，變頻器工作在制動工況，連續制動功率為162 kW，制動時間大于30 min。

3)船舶電站供電變壓器參數為：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生的諧波污染數據應滿足單臺變頻器產生的電網諧波電壓不大于3%的技術指標。

4)變頻器帶電機PTC保護功能，接收電機的PTC信號。故障時輸出無源閉合信號給PLC，具有故障復位功能接口。

“電子商務概論”涉及計算機、法律、商務管理、物流、市場營銷等方面，知識面廣且不深入。目前，教師多是以傳統的講授方式上課，按部就班地為學生介紹，不能將理論教學和實踐教學有機地相結合，也不能最大限度地調動學生的學習積極性，更無法培養學生的創新意識和創新能力。

5)變頻器采用風冷冷卻方式，自帶散熱風扇。

根據工況要求分析，進一步提出制動電阻柜相關技術要求，具體如下。

1)電阻柜箱體外形尺寸必須滿足船舶機艙安裝空間、外形尺寸及防護要求。

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。柜體側面、背面均沖有百葉窗(滿布)，當變頻器制動發熱時，噴塑油漆不會發生明顯變化。

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。柜體發生垂直方向10°范圍內傾斜時，柜體不會變形或損壞。

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)柜體頂部設置排氣風扇，但必須保證整個柜體防護等級達到IP23。排氣風扇設置溫控開關，能根據溫度高低自動起停，并輸出高溫報警信號。起動溫度、停止溫度、報警溫度可進行手動調整。

5 PLC控制流程設計

PLC程序中，絞車變頻器運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控制流程，因為本地機旁控制流程最全，電機上升下降控制流程與集中控制臺該部分功能的控制流程完全重復。

6 結束語

通過絞車現場安裝調試，并在船臺現場完成船廠首次海工平臺大型絞車負載試驗，避免在試航區進行試驗，大幅降低了試驗成本。開發過程積累的有益經驗可供后續設計參考。

1)電氣控制系統廠內試驗后應盡量減少總裝現場安裝調試工作量。現場聯調試驗，主要檢驗電控系統的控制功能和行業要求[7]的工藝性參數。

2)船舶駕控室遠離現場，突發情況難以掌控，應在絞車現場，結合絞車運動控制特點，合理選取觀測點，安裝視頻監控系統。

3)考慮到絞車工作過程及后續檢修維護的安全性，對于離合器、制動器等動作機構應安裝行程限位開關，進行聯鎖保護。

4)根據現場使用觀測，甲板部分電控柜，盡量使用316不銹鋼材質，增強箱體抗鹽霧腐蝕能力。線纜舾裝在機械結構本體內側，盡量減少機電液組裝調試過程中對其的損傷。

5)由于整個海洋平臺結構的非對稱性，絞車錨泊電控系統采用分布式設計時，遠距離工作站間通信，總線傳輸速率必須相對下降[8]。設計數據采集監控時，應充分考慮通信數據量及控制的實時性。

[1] 王全勝，楊建華，陳記春.海洋鉆井平臺絞車用變頻調速異步電動機：104682644A[P]. 2015- 06- 03.

[2] 趙延明，劉德順，黃良沛，等.海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統及控制方法：104495672A[P]. 2015- 04- 08.

[3] 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 傅德源.實用起重機電氣技術手冊(第2版)[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5] 劉元剛.臺達變頻器制動電阻設計[J].電機與控制應用，2007,34(7):38- 39.

[6] 李發海.電機與拖動基礎(第4版)[M].北京：清華大學出版社，2012.

[7] 中國國家標準化管理委員會.遠洋船用拖拽絞車：GB/T 11869—2007[S].北京：中國標準出版社,2008.

[8] 廖常初.S7- 300/400PLC應用教程[M].北京：機械工業出版社，2009.