浅析船舶锚绞机控制系统的设计应用
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摘 要：随着船舶工程技术的不断发展，锚绞机对船舶的安全是非常至关重要的，本文笔者对锚绞机的控制方式和系统功能进行了分析，以供读者参考。
关键词：锚绞机；船舶；功能环节
1.变频调速
三速锚绞机控制系统采用的是感应式交流电机，本系统的调速方案是变频器调速。有电机学知识可知，异步电动机同步转速，即旋转磁场转速位：
式中，f1 为供电电源平频率，p 为电机极对数。异步电动机轴转速为：
式中，s 为异步电动机的转差率。
单从上式可以看出改变电动机的供电电源频率f1，即可实现电机的速度调节。事实上，只改变f1 并不能实现正常的调速。在实际应用的案例中，不仅要求转速调节，还要求调速系统要满足生产工艺要求的接卸特性和调速性能指标。
式中， E 为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值（V）；N1为定子每相绕组串联匝数； N1 K 为电动机基波绕组系数； m 为电动机气隙中每极合成主磁通（Wb）；Tc为电磁转矩（N.m）；I2 为转子电流折算到定子一侧的电流有效值（A）； 2 cos 为转子电流各相功率因数。
由式（7）、（8）可以看出，改变供电电源频率1 f ，会引起 E 、m 等一些其他物理量的变化，因此，变频调速是通过改变定子电动势和定子频率来调节的。
2.变频器控制电路
锚绞机的锚机状态和绞车状态是两种不同的工艺，锚机状态需要变频器工作在v/f 模式下，而恒张力绞车状态需要是变频器工作在带传感器的矢量控制模式下。因此在进行变频器的参数设定时，本文通过Drive Monitor 变频器参数设定软件对该变频器设置了两组参数，KM12 就是控制这两种参数的切换。此功能的具体参数设置如下：
P0703（Function of digital input 3）= 99 （EnableBICO parameterization）
P0810（BI：CDS bit 0）=722.2 P0820（BI：DDS bit 0）=722.2
变频器外部接线图如图1 所示。本系统通过变频器来控制锚绞机电机。KM1 和KM2 控制电机的正、反转；KM3、KM4和KM5 控制变频器给定电机的频率值，设定三种不同的频率来控制锚绞机的转速；KM12 锚绞机来进行恒张力控制。
3.PLC 设计
控制电路运用可编程逻辑控制器，应用通用逻辑模块，运用PLC 的开关量I/O 以达到系统保护、连锁、控制的目的；运用模拟量输入输出来进行系缆设备的恒张力控制。其PLC外部接线如图2 所示。
图2 PLC 外部接线图
4.恒张力控制
锚绞机恒张力的本质是绞车由于突然受到外力（风、浪、流）作用的影响，钢缆上的张力变化，造成钢缆上的张力过大会被扯断，或者张力太小船舶移位。恒张力控制的作用就是使绞车根据钢缆的张力自动地进行收缆和放缆操作，减少人为收放缆的不可靠性，同时也减轻了值班人员的工作量。
为了实现对本系统的恒张力控制，本文主要通过控制电动机的输出转矩来实现恒张力控制要求。根据绞车的受力关系，可得如下公式：
式中TD M 为缆绳作用在电动机上的转矩， SD M 为设定张力作用在电动机上的转矩，m为设定张力作用在电动机上的转矩和实时张力作用在电动机上的转矩差； T M 为张力转矩；S M 为设定张力所对应的转矩， D M 为电动机输出转矩， D为卷筒直径，d 为电动机驱动轴直径，当m为零时，电动机处于停止状态；不为零时，PID 控制器需要对这个转矩偏差量进行处理获得一个控制量，STEP7 程序将该控制量转换成变频器可识别的量传送给牵引变频器，牵引变频器牵引电动机进行转矩的控制，进而可实现系缆设备的恒张力控制。
5.锚绞机主要功能环节
锚绞机在运行的过程中，会出现一些诸如过电流，过载等问题，因此就需要设计一些针对性的保护环节，保护环节分为硬件保护和软件保护。
过载保护：每个变频器都有过载保护功能，因此不需要硬件来进行过载保护。
经济电阻R2：系统制动器的制动线圈不得电，电动机处于刹车制动状态，制动线圈得电，电动机可以自由运转。制动器需要比较大的电流才能吸动制动器的定片，但保持定片的吸动状态只需要很小的电流，且制动线圈不能长时间的通过大电流，因此保持的时候加入经济电阻R2 减小通过制动线圈的电流。程序设计刹车接触器KM7 接通，同时接通K2，此时通过线圈的电流很大，K2 延时一秒断开接入R2，此时通过线圈的电流很小，满足吸动电流大，吸持电流小的要求。
防潮加热：锚绞机的作业环境比较潮湿，加上运行的时候电机温度高，停止后温度冷却产生凝露，系统绝缘性下降，材料易腐蚀，降低系统使用寿命。电动机和电控箱内设置防潮加热装置，使系统尽可能的干爽，延长使用寿命。
二、结语
采用PLC 控制的三速锚绞机系统，其速度调节、转向控制、制动控制以及故障报警都得到了精确的控制。系统安全可靠，灵活性高，使用寿命长，维修方便，同时可按客户要求在不改变主电路的基础上来改变控制方案。随着船舶辅机行业的快速发展，船舶自动化技术越来越受到关注，且朝着自动化、智能化和集中控制遥控化方向发展。