多傳動變頻技術在科考絞車系統上的應用

王晨星，李欣一，陳 浩，毛立峰

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

0 引言

在大型科考船上，最早的主流驅動技術是液壓驅動。然而，當今世界甲板機械驅動技術的主流逐漸變成了交流變頻驅動[1]。相比于液壓傳動驅動，交流變頻傳動更能夠節省設備所占的空間，也能降低整個絞車系統的成本。

常規大型科考船上的絞車設備不止1臺，涉及到多臺絞車的多個電機的協同作業，優先采用多傳動變頻技術[2]。由于整個絞車系統共用公共直流母線，每個電機的變頻器無需單獨配套三相整流器和制動斬波單元，而只需要共用1個公共整流器和制動斬波單元，其容量總和都要比每個變頻器的總和要小得多，而且整個系統結構更加簡單，也較大幅度的降低系統的成本[3]。上海船舶設備研究所于2019年下半年開始啟動某大型科考船的3型絞車系統的設計，整個絞車電控系統采用多傳動變頻控制系統，經過前期設計、CCS設計檢驗、制造、后期調試和CCS檢驗等階段，于2020年5月份向船廠交付了3個不同型號用途的絞車，目前這3型絞車在科考船上運行功能均正常。

圖1 多傳動變頻控制系統單線連接圖

圖2 第一排變頻驅動柜體布置結構

圖3 第二排變頻驅動柜體布置結構

圖4 水冷制動電阻

1.2 VaconNX變頻器應用

絞車的運行控制，變頻器主要控制絞車的正向和反向旋轉、運轉過程中的加減速、高速穩定和精度控制、大轉矩的精度和動態快速性能的一些要求。變頻器能夠頻繁切換于4象限工作狀態之間，對變頻器的性能提出了高要求。根據實用經驗，通過考察評估，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）范圍內全面面向感應電機和永磁電機驅動應用，是目前復雜應用場合中較為經濟的變頻器。變頻器也通過了CCS等船級社的認證，在船舶上可以放心地應用。

VaconNX系列變頻器能提供給用戶5個用于擴展I/O、現場總線與功能安全板的內置擴展槽，、無需使用額外模塊，選件板緊湊且可隨時隨地輕松安裝。用戶靈活設置內部功能組件，還可以根據船上作業需求靈活應用。變頻器的電壓范圍也十分廣泛，能夠正常工作在380～690 V，對于船內電壓波動較大有很好的適應性特點。變頻系統模塊設計經過優化，無需額外改造，機柜空間減小，總成本降低。

在絞車系統中，由于要實現整個絞車的2個牽引驅動的同步運轉、儲纜絞車驅動的恒轉矩運行、整個絞車不同驅動的同步性運轉，那么每個變頻器都需要具備速度控制和恒轉矩控制2種運行方式。

對于用戶提出的這些特殊運行需求，VaconNX系列變頻器都能應付自如：各個變頻器都采用速度閉環控制方式，PLC的CPU通過Profinet總線控制的方式，驅動12臺絞車變頻電機在同一時間按照不同的工作需求來連續運轉。

整個系統中的公共直流母線上掛著12個變頻器的主輸入電路。VaconNX系列變頻器能對用戶開放內部直流端子，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。

電抗器裝置設置在變頻器的輸出端與電機輸入端中間，對系統輸出的交流電具有相應程度的濾波而且可以有效降低dV/dt指標，也減輕了電機繞組絕緣的電應力，可靠地保證電機絕緣能夠長時間運行，也降低了電機電纜對外輻射的干擾，可以在一定程度上使變頻驅動系統和PLC系統以及船內其他控制系統擁有好的兼容性。

1.3 絞車控制系統部分構成

控制部分的PLC是整個電控系統正常運行的控制核心，PLC控制器CPU型號為西門子1513-1 PN，同時配置有與1500系列配套的數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、高速計數器模塊和接口模塊。PLC以及外圍傳感器電源采用2路具有隔離功能的24VDC開關電源，使控制器的供電純凈無干擾，穩定性得到提升。PLC控制系統網絡圖如圖5所示。

圖5 PLC控制系統網絡圖

PLC控制器主要對3臺絞車總共12個主電機的變頻器進行控制，包括控制相應電機的啟停和運轉方向，控制電機的速度和轉矩以及整個絞車系統的安全制動控制。同時PLC控制用于采集絞車系統各個部位的傳感器信號，并提供絞車系統的報警信息。

1.3.1 絞車電機變頻器的控制

絞車變頻器的操控，主要通過外部控制器作為IO輸入傳輸到PLC，PLC控制器運算處理后通過通信Profinet總線輸出到各個電機變頻器。外部控制器可以由多個操作方式來實現，分別為：本地操縱臺、遠程操縱臺和便攜式遙控器。

在PLC與變頻器的控制通信接口協議上，設置有“速度或轉矩”的控制模式，恒速控制或者恒張力控制都可以隨時隨地按作業要求進行切換。

電機的控制方式主要采用速度閉環控制模式，能夠很好地保證控制精度，無論是恒速控制，還是恒轉矩（恒張力）控制模式下都能夠實現。

網絡的控制方案主要應用在整個變頻控制系統里，尤其是Profinet網絡控制方法。PLC控制單元通過Profinet網絡和各個變頻器相通信，通過Profinet網絡實現對各個變頻器的控制。PLC控制器也可以通過Profinet網絡來設置所有變頻器的主要控制參數、實時獲取每個變頻器的運行狀態、參數設置和故障診斷信息。

1.3.2 變頻器對電機剎車的控制

每臺絞車的排纜電機采用的是電磁剎車裝置，牽引絞車電機減速機和儲纜絞車電機減速機的齒輪傳動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來協同進行控制。

PLC將絞車的啟動運行信號通過網絡傳送到絞車變頻控制系統，變頻器接收到指令后立即輸出開閘信號、同時對應的抱閘裝置打開抱閘。同樣PLC也傳輸絞車停止運行信號到絞車變頻控制系統，變頻器立即停止抱閘、同時對應的抱閘裝置關閉抱閘。

1.3.3 保護在變頻系統的設置

內部保護信息如欠壓、過壓、短路、缺相和過流保護等都有在變頻系統里設置，外部保護信息如編碼器故障、電機超速等也在變頻系統里設置。如果這些內部或外部保護被觸發時，變頻器通過網絡傳輸到PLC，迅速讓PLC控制器發出剎車抱閘的指令，停止輸出電壓到電機，同時把故障代碼保護信息等通過Profinet網絡通信向船上的信息顯示系統提供。

1.3.4 Profinet通信網絡

PLC、交換機、12個變頻器、工控機、觸摸屏和遙控器等構成了絞車控制系統內部的Profinet通信控制網絡。其中，12個變頻器、工控機、觸摸屏、遙控器分別連接到交換機上，通過交換機與PLC控制單元進行通信，構成內部網絡。主從式控制方式主要用于Profinet網絡，網絡主站為PLC控制器CPU，其他網絡下的設備均為從站。PLC的CPU向各個從站發送指令，各個從站設備收到主站指令進行響應并發回數據包。

在各個變頻器內部系統，通過Profinet網絡PLC的CPU與各個變頻器進行通信和數據交換，從而實現對各個變頻器的指令控制，也可以通過Profinet網絡來設置變頻器的主要參數、獲取每個變頻器的所有工作情況、參數設置和故障診斷信息。

2 工程化設計

船舶電力系統是一個小容量的供電系統，電磁兼容在整個變頻系統中是需要首先解決的一個大問題。如果不解決，將會干擾到整個絞車控制系統以及整船的通信系統。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。針對現場作業的要求，用戶可以配置合適的電磁兼容元件。精細、合理、嚴格的布線以及接線工藝也可以讓電磁兼容滿足要求。

其次，用戶有時需要查看各個變頻器的運行狀態和搜索具體的控制參數，因此專門對每個變頻器都設置一個液晶顯示面板，安裝在變頻柜的表面。此外，用戶需要遠程觀察變頻系統的運行狀態，就需要通過Profinet總線向駕駛室和監控室傳輸詳細的變頻系統運行狀態和故障診斷信息。操作人員很方便地在駕駛室和監控室觀察整個變頻系統的工作情況，不用特意走到變頻艙內去查看。

3 結論

本科考絞車系統是國內首次進行全海深作業需求的深海絞車系統的研制工作，提出了很高的要求，設備技術度復雜，技術覆蓋面廣。多傳動變頻技術在科考絞車系統上的成功應用標志著我國已經具備深海絞車變頻控制系統的自主可控研發和制造能力。該絞車變頻控制系統為自主可控，具備同類進口設備不可比擬的價格優勢；能夠很好地控制成本，培訓周期和培訓費用大大較少，產品維護成本和維護周期也大大降低，售后服務也能夠快速及時地響應；同時，完全按照用戶需求裁減或增加設備相應的功能，適當改變產品結構、外形尺寸。

絞車變頻系統的設計方案合理、先進，具有廣闊的應用前景，可廣泛用于船舶科考支撐系統絞車系統的多個變頻器驅動，也可以拓展到其他領域的同類場合，達到國內領先水平。