船載式AMP電纜卷車控制管理系統(tǒng)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(tǒng)研究

劉善斌，吳天裕

（中海網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的重要環(huán)節(jié)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(tǒng)組成；再通過對系統(tǒng)電纜張力變化的計算分析，結(jié)合變頻驅(qū)動的技術(shù)特點，詳細(xì)闡述了船載式AMP卷車扭矩變頻控制管理技術(shù)；其次結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用的特點，詳細(xì)介紹電纜卷車自身保護(hù)及對船舶岸電系統(tǒng)提供的保護(hù)功能；最后，本文認(rèn)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(hù)。

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

岸電技術(shù)中，電力供應(yīng)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(shè)備。船載式AMP動力卷車是岸電技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)之一。

電纜卷車及管理系統(tǒng)起到連接船岸兩端供配電設(shè)備，實現(xiàn)電力傳輸?shù)闹匾δ?。為實現(xiàn)安全、有效、穩(wěn)定的電力傳輸功能，電纜卷車不僅需要提供基礎(chǔ)的收放纜功能，還需要可靠、有效的驅(qū)動技術(shù)來保護(hù)供電電纜，減少供電電纜的損耗，以此降低電纜卷車維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)組成

基于本文技術(shù)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(dǎo)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(jìn)行二次防銹保護(hù)，以應(yīng)對腐蝕性更強的海洋及港口環(huán)境。

2）變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)

變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)由PLC及各類傳感器配合控制，不僅實現(xiàn)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(dǎo)纜架驅(qū)動系統(tǒng)

導(dǎo)纜架靠液壓驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)由電機配合帶雙向電磁閥的油缸組成。導(dǎo)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(dǎo)纜架配有限位開關(guān)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(guī)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(guī)格。

5）集電器

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

2 卷筒驅(qū)動控制系統(tǒng)

除了優(yōu)質(zhì)的電纜卷車硬件外，還需要配套完善的驅(qū)動管理系統(tǒng)，用以實現(xiàn)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(tǒng)通訊及安全連鎖等功能。

卷筒驅(qū)動控制系統(tǒng)核心為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）。PLC負(fù)責(zé)控制信號采集和指令發(fā)布工作，通過內(nèi)部程序，實現(xiàn)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(tǒng)管理功能。

相比于傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制回路，采用PLC的優(yōu)勢在于其擁有更強大邏輯控制功能，而且靈活性遠(yuǎn)大于繼電器邏輯控制回路。當(dāng)系統(tǒng)需要新增或者改變某些功能或?qū)傩詴r，只需要在PLC中變更程序，就能幫助系統(tǒng)更方便快捷的做出改變，增加系統(tǒng)集成性、容錯率以及效率。

圖1為卷筒驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件框架圖，系統(tǒng)最終執(zhí)行機構(gòu)為導(dǎo)纜架以及電纜卷筒，控制核心為PLC。PLC通過凸輪開關(guān)及轉(zhuǎn)角編碼器判斷卷筒旋轉(zhuǎn)位置，通過導(dǎo)纜架行程開關(guān)判斷導(dǎo)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(zhuǎn)速控制閉環(huán)控制回路。

2.1 導(dǎo)纜架控制回路

1）硬件組成

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

2）操作流程

PLC接收到導(dǎo)纜架使能信號后，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，從而使得液壓裝置儲力。當(dāng)PLC接收到收或放導(dǎo)纜架信號時，PLC控制對應(yīng)的電磁閥驅(qū)動平衡桿，使得液壓油按照指定方向流動從而產(chǎn)生驅(qū)動導(dǎo)纜架動作的壓力。導(dǎo)纜架上下限位都設(shè)有行程開關(guān)。當(dāng)導(dǎo)纜架下放并觸發(fā)行程開關(guān)后，PLC程序中屏蔽“導(dǎo)纜架放”信號，此時導(dǎo)纜架只能收不能放。同理，“導(dǎo)纜架收到位”信號觸發(fā)后，導(dǎo)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(dǎo)纜架操作箱按鈕、指示燈都配置了防水功能，防護(hù)等級達(dá)到IP56。

b）在控制方式上，為避免因誤觸碰按鈕導(dǎo)致問題發(fā)生，PLC內(nèi)設(shè)定了兩段驅(qū)動控制模式。一般控制方式?jīng)]有使能按鈕，只設(shè)有收/放按鈕，如果有人員誤觸碰到按鈕，則會導(dǎo)致導(dǎo)纜架直接被驅(qū)動，有可能造成人員危險或設(shè)備損傷。而在改進(jìn)的兩段驅(qū)動控制模式，按下導(dǎo)纜架使能按鈕只能使得導(dǎo)纜架電機運行而導(dǎo)纜架不動作，必須再按下導(dǎo)纜架收/放按鈕才能真正驅(qū)動導(dǎo)纜架。

c）在導(dǎo)纜架保護(hù)方面，還做到了以下兩點：

配置了導(dǎo)纜架過載指示燈。當(dāng)導(dǎo)纜架電機出現(xiàn)過載故障，供電開關(guān)會保護(hù)性跳閘，并觸發(fā)報警指示燈。

導(dǎo)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(nèi)按下使能按鈕，電機不會停止；若電機啟動后30S內(nèi)無任何操作，導(dǎo)纜架電機會自動停止。通過這種設(shè)定保護(hù)電機，一能避免短時間重復(fù)啟停而造成故障，二能避免因為操作人員忘記關(guān)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(shè)備組成。手持操作盒上有手自動選擇開關(guān)、收攬按鈕、放纜按鈕及故障復(fù)位按鈕?？刂葡涿姘迳蟿t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(dǎo)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(zhuǎn)速狀態(tài)。當(dāng)電纜連接到岸端插座箱后，應(yīng)切換到自動模式，卷筒處于恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，以此保持懸掛在外的電纜一定張力。卷筒凸輪開關(guān)用于保證卷筒電纜不會被完全拉光或者過分收纜，轉(zhuǎn)速編碼器用于變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)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(qū)動系統(tǒng)是整個卷筒驅(qū)動控制系統(tǒng)核心技術(shù)。變頻器及變頻電機則組成了靈活高效且節(jié)能的驅(qū)動裝置。在不同工況下，變頻器采用不同的模式來驅(qū)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(dá)到減少船舶岸電使用成本的目標(biāo)。

當(dāng)岸電系統(tǒng)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(fēng)的影響，船舶電纜的松緊會不斷變化。如果電纜過松，會導(dǎo)致在卷盤內(nèi)的電纜扭曲變形，當(dāng)卷車收電纜時，則會因此損傷電纜。如果電纜過緊，則會出現(xiàn)電纜張力過大，增加內(nèi)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(tǒng)的電纜卷車會利用油浸式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)離合器來實現(xiàn)恒張力。但這種技術(shù)的缺陷在于油浸式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)離合器調(diào)節(jié)麻煩、成本高而且維護(hù)成本高。本方案是用變頻器驅(qū)動變頻電機替代傳統(tǒng)電機及油浸式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)離合器。使用帶矢量控制的變頻器控制變頻電機，可使用轉(zhuǎn)速控制以及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制

變頻調(diào)速在絕大多數(shù)情況下，都是通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的，稱為轉(zhuǎn)速控制。電機轉(zhuǎn)速正比于變頻器輸出頻率。啟動時，為盡快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，電機會以最大輸出轉(zhuǎn)矩運行直至系統(tǒng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機輸出扭矩會匹配負(fù)載扭矩使得電機在額定轉(zhuǎn)速下勻速轉(zhuǎn)動。

b)轉(zhuǎn)矩控制

變頻器設(shè)定按固定扭矩輸出，此時電機轉(zhuǎn)速受系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩影響。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于輸出扭矩時，系統(tǒng)加速；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于輸出轉(zhuǎn)矩時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。同時，系統(tǒng)必須設(shè)置上限頻率，當(dāng)系統(tǒng)加速至上限頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，根據(jù)異步電機原理，由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的速度下降，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也必然下降，直至輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

4） 控制原理

a)手動模式

當(dāng)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(jīng)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(zhuǎn)速模式控制電機。

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

其中—卷筒線速度；—卷筒半徑；—卷筒轉(zhuǎn)速。

根據(jù)實際需求，為卷筒線速度設(shè)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(zhuǎn)速，將卷筒轉(zhuǎn)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(shè)定了最小速率及最大速率，變頻器根據(jù)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(qū)動系統(tǒng)會依據(jù)負(fù)載自動匹配轉(zhuǎn)矩來保證速率達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。

b)自動模式

當(dāng)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(qū)動系統(tǒng)切換到扭矩模式，此時卷車轉(zhuǎn)矩大小需根據(jù)船只情況的不同而設(shè)置不同的值。

變頻器扭矩設(shè)置是根據(jù)最大扭矩的百分比來配置的，此系統(tǒng)中將最小標(biāo)準(zhǔn)扭矩與最大標(biāo)準(zhǔn)扭矩設(shè)為同一值。某些系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)扭矩可以根據(jù)外幣輸入的AI參數(shù)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(dǎo)致電纜損傷。以導(dǎo)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(nèi)。：實際電纜拉力；：系統(tǒng)內(nèi)部阻力（碳刷摩擦力）；：電纜內(nèi)部張力；：懸掛在外的電纜重力；：卷筒帶電纜當(dāng)前半徑；：卷筒最小半徑。

根據(jù)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(qū)動扭矩；：電纜密度；：電纜截面半徑；：電纜截面積；：當(dāng)前電纜剩余圈數(shù)；：重力加速度。

由上述公式，可得出張力關(guān)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(tài)下，電纜半徑可能變化的范圍），電纜張力σ則表現(xiàn)為拉力與重力的差值。

當(dāng)卷筒系統(tǒng)切換至自動模式后，電纜半徑的變化范圍在[]之內(nèi)，因此需滿足在有效區(qū)間內(nèi)的任一位置，及∈[]時，>，及>0。由此得到關(guān)于電纜半徑R的不等式。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，則可得出在∈[]范圍內(nèi)，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(shù)，實際輸入至圖4中標(biāo)準(zhǔn)扭矩的值會大于，可參考1.1倍數(shù)值，并需通過現(xiàn)場測試，才能真正使用。

3 保護(hù)功能詳解

3.1 自保護(hù)功能

船載式AMP電纜卷車設(shè)置了很多自我保護(hù)連鎖功能，以防止誤操作或者其他系統(tǒng)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(dāng)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(shù)第二圈”信號指示

當(dāng)電纜卷車處于“倒數(shù)第二”位置時，倒數(shù)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(shù)第一圈”信號指示

若電纜卷車被迫轉(zhuǎn)動至“倒數(shù)第一圈”位置，倒數(shù)第一圈信號燈亮，同時會觸發(fā)緊急信號，向岸電系統(tǒng)報警。

4)導(dǎo)纜架過載指示

若導(dǎo)纜架電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等過載狀況，則控制接觸器會自動斷開，并觸發(fā)過載指示燈亮起。

5)卷筒驅(qū)動回路過載指示

若卷筒出現(xiàn)故障導(dǎo)致變頻器過載狀況，則驅(qū)動接觸器會自動斷開，并觸發(fā)過載指示燈亮起。

6)變頻器、變頻電機過熱保護(hù)

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

7)防抱死功能

當(dāng)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(zhuǎn)矩，而是電機制動器。在失電狀態(tài)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(diào)整在合適的制動力范圍內(nèi)?，F(xiàn)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(shè)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(dāng)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(tǒng)保護(hù)功能

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

1)急停功能

當(dāng)船舶岸電系統(tǒng)出現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)，使其做出保護(hù)措施，如斷開岸電電源供電回路。

2)“倒數(shù)第一圈”報警

當(dāng)電纜被迫拉至倒數(shù)第一圈時，電纜卷車會向上層岸電管理系統(tǒng)發(fā)送緊急信號，促使岸電管理系統(tǒng)做出保護(hù)措施，如斷開岸電電源供電回路。

4 總結(jié)

岸電技術(shù)的發(fā)展與推廣將是實現(xiàn)綠色港口目標(biāo)的重要方式，而電纜卷車系統(tǒng)則是岸電系統(tǒng)中承上啟下的重要環(huán)節(jié)。優(yōu)秀的電纜卷車產(chǎn)品，不僅需要實現(xiàn)電纜收放這樣的基本功能，還需要做好岸電通信系統(tǒng)的橋梁，同時保護(hù)好電纜，減少電纜使用損耗，增加其使用壽命。采用變頻驅(qū)動系統(tǒng)，配合先進(jìn)的管理系統(tǒng)，能很好的實現(xiàn)上述目標(biāo)，為綠色港口做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張燕賓. 變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能及應(yīng)用[J].電氣時代，2005，(2):84-86.

[2] 張池,楊琳. 基于PLC與變頻器的造紙機張力控制系統(tǒng)[J].中國造紙,2010,29(9):53-55.

[3] 劉珍,張輝輝,周新剛,王昭. 基于加速度和電纜張力識別遇卡段研究[J].電子測試，2011，(12):20-22.

[4] 張海燕. 電線電纜張力測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].價值工程，2014，(24):29-30.

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(tǒng)。