絞吸式挖泥船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊明，柯常國，陶勇

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絞吸式挖泥船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊明1，柯常國2，陶勇2

（1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，大連 116000；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

隨著疏浚技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)在挖泥船上的應(yīng)用日趨廣泛。本文首先概要的介紹了某絞吸式挖泥船的控制系統(tǒng)方案，然后對設(shè)備選型及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳盡的介紹。

絞吸式挖泥船 變頻器 可編程控制器（PLC） 共直流母線

0 引言

隨著國內(nèi)疏浚業(yè)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了適應(yīng)各種不同運(yùn)行工況的需要和滿足挖泥施工的要求，挖泥船的類型日益繁多。絞吸挖泥船就是應(yīng)用最為廣泛的一種。絞吸式挖泥船主要由絞刀、泥泵、動力系統(tǒng)、定位裝置、船體、吸泥排泥系統(tǒng)等組成[1-2]。

如圖1，絞吸式挖泥船有兩根重型定位鋼樁，施工挖泥時(shí)，利用定位鋼樁保持船位．為保持作業(yè)船位，其中一根鋼樁總是下放在泥里，有的絞吸式挖泥船，在挖泥船中部，配置有定位樁臺車，臺車上的那根定位鋼樁為挖泥時(shí)的主定位樁．利用臺車可挖泥前移，而不需移動主定位樁的位置，在短時(shí)間內(nèi)，亦可下放另一根輔定位樁代替主定位樁。絞吸式挖泥船絞刀通過絞刀架與船體相連接，利用橋架和絞車系統(tǒng)來下放和提升。在泥泵艙室安裝若干臺泥泵，絞吸式挖泥船在絞刀架上安裝水下泥泵，水下泥泵盡可能靠近吸管的吸泥口端。絞刀安裝在吸管吸泥口處，由安裝在絞刀架上端的電動機(jī)通過傳動軸驅(qū)動，或直接由水下電動機(jī)驅(qū)動。而運(yùn)用交流變頻傳動取代液力傳動驅(qū)動各種絞車是目前世界和中國船舶甲板機(jī)械驅(qū)動技術(shù)的主流和發(fā)展趨勢[3-4]。

1 控制系統(tǒng)方案

某4000 m3絞吸式挖泥船電力系統(tǒng)單線圖如圖2所示。系統(tǒng)從船內(nèi)10 kV電站引入3相10 kV交流電，經(jīng)過三個6300 kVA移相變壓器，分別給絞刀、水下泥泵變頻器供電，另一路通過整流器給直流母線供電，橋架絞車、橫移絞車、起錨絞車電機(jī)均通過逆變器掛接在直流母線上。

本系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)控制對象為兩臺絞刀電動機(jī)、兩臺水下泥泵電動機(jī)、兩臺起錨絞車電機(jī)、兩臺橫移絞車電動機(jī)和兩臺橋架絞車電機(jī)。絞車主要由電動機(jī)、減速箱、卷筒裝置及公共底座組成。電動機(jī)可以頻繁啟動、停止。絞車帶機(jī)械制動器，使絞車在不工作時(shí)制動。電氣傳動系統(tǒng)采用Vacon NXP系列水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用恒轉(zhuǎn)速或恒轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制技術(shù)，共直流母線系統(tǒng)采用制動單元帶外部能耗制動電阻。

在疏浚作業(yè)中，橋架絞車、橫移絞車和起錨絞車相對功率較小，且當(dāng)部分機(jī)構(gòu)處于電動運(yùn)行時(shí)另外一些機(jī)構(gòu)處于制動發(fā)電運(yùn)行，這樣發(fā)電運(yùn)行的逆變器再生的電能就可以回饋到公共直流母線中，被處于電動運(yùn)行的變頻器利用，而不像獨(dú)立變頻器的系統(tǒng)要將制動發(fā)電產(chǎn)生的電能通過制動電阻白白消耗掉。這樣不僅具有明顯的節(jié)能效果，而且可以大幅度降低整個傳動系統(tǒng)的發(fā)熱量，減輕密閉船艙內(nèi)的散熱壓力，延長整個傳動系統(tǒng)的使用壽命。

當(dāng)母線系統(tǒng)中的制動發(fā)電功率大于電動功率時(shí)，再生電能就會造成母線電壓的提升，達(dá)到一定的電壓時(shí)必須對多余的電能進(jìn)行釋放。所以本系統(tǒng)在公共直流母線上，附掛有過壓制動斬波裝置和制動電阻。

公共直流母線的整流輸入端采用兩組六脈波三相整流裝置，整流器冗余配置保證系統(tǒng)的工作可靠。通過移相變壓器，副邊形成30o相角差，這樣就形成12脈整流形式，大大降低電站諧波畸變，確保電站供電品質(zhì)和用電設(shè)備安全。

絞刀電機(jī)和泥泵電機(jī)的兩個移相變壓器原邊設(shè)計(jì)15°相角差（各自移相±7.5°），同時(shí)運(yùn)行時(shí)時(shí)將形成虛擬24脈整流，運(yùn)行效果更好。

船級社規(guī)范要求，投入整流變壓器時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落不超過5%。根據(jù)本船發(fā)電機(jī)參數(shù)，計(jì)算出允許的最大沖擊電流，從而計(jì)算出最小阻抗，考慮整流變壓器阻抗參數(shù)，確定是否需要增加預(yù)充磁裝置（預(yù)充磁變壓器或預(yù)充磁電阻）及預(yù)充磁裝置的阻值和容量，通過預(yù)充磁裝置，避免在變壓器投入時(shí)出現(xiàn)大沖擊電流。同時(shí)在整流裝置的前端，設(shè)置有系統(tǒng)充電回路，在系統(tǒng)上電時(shí)先對直流母線進(jìn)行預(yù)充電，將系統(tǒng)上電后的啟動電流幅值控制在額定電流以下。這樣，雖然本絞車變頻控制系統(tǒng)的容量很大，也可以保證系統(tǒng)對船內(nèi)電站無沖擊。

2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)總圖見圖3。系統(tǒng)設(shè)備主要包括有：

圖3 PLC控制系統(tǒng)總圖

1) 駕駛室挖泥控制中心（DCC）；

2) 兩翼的左操縱臺、右操縱臺；

3) PLC控制柜；

4) 各機(jī)構(gòu)變頻器：絞刀變頻柜，泥泵變頻柜，共直流母線變頻柜。

5) 各機(jī)構(gòu)機(jī)旁操縱臺：左起錨機(jī)旁操縱臺，左橫移機(jī)旁操縱臺，橋架機(jī)旁操縱臺，右錨機(jī)旁操縱臺，右橫移機(jī)旁操縱臺，絞刀機(jī)旁操縱臺。

變頻控制系統(tǒng)由一個PLC主站控制，PLC主站完成所有的與上位挖泥控制中心（DCC）和疏浚集成控制系統(tǒng)的通訊，所有變頻系統(tǒng)的啟動都需要滿足既定的聯(lián)鎖條件，PLC主站安裝于PLC控制柜內(nèi)。

PLC控制柜接收船上駕駛室發(fā)來的控制指令，通過I／O硬線和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制各個變頻器按照不同的工作要求驅(qū)動6臺絞車電機(jī)、2臺絞刀電機(jī)、2臺泥泵電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對挖泥船各疏浚設(shè)備的運(yùn)行控制。

PLC控制系統(tǒng)的操作、控制和監(jiān)視由PLC控制柜、各機(jī)旁操縱臺和駕駛室左右操縱臺完成，PLC控制柜包括PLC和I/O接口電路。其中PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，采用西門子S7-300系列PLC。它由輸入、輸出單元和控制單元組成，其中控制單元由微處理器和存儲器組成，與各機(jī)構(gòu)變頻器之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。

PLC控制柜實(shí)現(xiàn)各種機(jī)構(gòu)變頻系統(tǒng)的啟動、停止、操作轉(zhuǎn)換、聯(lián)鎖、控制、保護(hù)以及電機(jī)輔機(jī)的控制監(jiān)測，電機(jī)輔機(jī)包括加熱器和冷卻風(fēng)扇電動機(jī)等設(shè)備。變頻器的根據(jù)PLC指令調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。如圖4所示。

PROFIBUS是一個不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商，開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于制造業(yè)、交通和樓宇自動化領(lǐng)域，并已經(jīng)成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)，使用PROFIBUS，無須特殊接口轉(zhuǎn)換，不同制造商的設(shè)備都可進(jìn)行通訊交互數(shù)據(jù)。PROFIBUS可以用于高速的對時(shí)間要求高的數(shù)據(jù)傳輸和大量復(fù)雜的通訊任務(wù)。本項(xiàng)目中，變頻器采用VACON NX Profibus 現(xiàn)場總線板與上位S7-300進(jìn)行通訊，采用PPO5報(bào)文。變頻器運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)可通過通訊方式送達(dá)挖泥控制中心進(jìn)行顯示、報(bào)警處理。具體數(shù)據(jù)接口見表1、表2。

3 變頻系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)挖泥絞刀的控制，需要實(shí)現(xiàn)多個絞車同時(shí)驅(qū)動、協(xié)同運(yùn)行，這就要求每個變頻器都能夠既實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，也能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。通過PLC的控制指令進(jìn)行“速度/轉(zhuǎn)矩”控制模式轉(zhuǎn)換，每個絞車都可以隨時(shí)按要求實(shí)現(xiàn)恒速控制或者恒張力控制。

因此，我們采用Vacon NXP系列水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)。它具有強(qiáng)大的I／O配置能力、靈活的通訊方式選擇，以及完全相同的P C端工具及應(yīng)用軟件。另一個顯著優(yōu)勢在于功率單元之間的共用性：所有逆變器單元均可兼容兩種不同的前端單元，用戶可自行搭配以滿足不同的要求，因此，對整個項(xiàng)目來說備件的數(shù)量可大大減少。

作為對vacon NX 系列的延伸，Vacon推出了對應(yīng)直流母線系統(tǒng)的全系列產(chǎn)品，它們由獨(dú)立輸入及輸出模塊組成。用于共用直流母線系統(tǒng)的Vacon NX系列產(chǎn)品覆蓋了三種不同種類的單元(包括前端單元、逆變器單元及制動斬波單[5]。

Vacon共用直流母線產(chǎn)品是Vacon NXP系列的延續(xù)，它成功地繼承了后者的諸多特性。

共用直流母線配置特性可產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。當(dāng)系統(tǒng)中包含多臺驅(qū)動器，其中至少一臺制動時(shí)，制動能量將直接通過共用直流母線送至其它驅(qū)動器。特別是絞車變頻系統(tǒng)，因?yàn)榻g車聯(lián)動時(shí)，有些絞車電機(jī)處于電動狀態(tài)，而有些絞車電機(jī)處于制動狀態(tài)，特別適合采用共直流母線系統(tǒng)，并統(tǒng)一配置制動單元。

4 各機(jī)構(gòu)的控制實(shí)現(xiàn)

絞刀系統(tǒng)由變頻器、絞刀電動機(jī)、齒輪箱和絞刀等組成。絞吸式挖泥船挖泥過程是指絞刀垂直方向及水平方向的位移及橫移速度所形成合適切削過程。為此需要控制絞刀三維空間準(zhǔn)確位置和絞刀轉(zhuǎn)速。從而要求具有能使垂直方向、水平方向位移相當(dāng)穩(wěn)定，絞刀切削泥土正常并相應(yīng)前移的四種自動控制功能。即橋架絞車控制、絞刀轉(zhuǎn)速控制、橫移絞車控制、定位樁前移控制。其中定位樁靠液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，不在本文討論之列。

絞刀電動機(jī)拖動系統(tǒng)操作地點(diǎn)有駕駛室右操縱臺和機(jī)旁。在疏浚作業(yè)過程中主要通過駕駛室右操縱臺控制方式工作，機(jī)旁控制方式通常用于裝卸絞刀。在右操縱臺設(shè)有“機(jī)旁/停機(jī)/電機(jī)1/電機(jī)2/聯(lián)動”轉(zhuǎn)換開關(guān)，可進(jìn)行操作轉(zhuǎn)換。

泥泵是絞吸式挖泥船的主要疏浚機(jī)械，在疏浚作業(yè)中起著重要的作用。它利用真空壓力將泥漿從水底吸入，再借助離心力將泥漿泵送至排泥區(qū)。挖泥船上配備了兩臺電動機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動一臺泥泵。泥泵電動機(jī)拖動系統(tǒng)只有在駕駛室左操縱臺進(jìn)行操縱。PLC控制柜實(shí)現(xiàn)各種泥泵控制的啟動、停止、聯(lián)鎖、控制、保護(hù)以及電機(jī)輔機(jī)的控制監(jiān)測，電機(jī)輔機(jī)包括加熱器和冷卻風(fēng)扇電動機(jī)等設(shè)備，變頻器的根據(jù)PLC指令調(diào)節(jié)泥泵電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

橋架絞車分為左橋架絞車和右橋架絞車，控制橋架的起升和落下。由橋架電機(jī)帶動卷筒收放纜索起落橋架，改變絞刀對泥層的切削深度。橋架絞車的控制地點(diǎn)有駕駛室左操縱臺、左橋架機(jī)旁操縱臺、右橋架機(jī)旁操縱臺，在駕駛室左操縱臺設(shè)有“機(jī)旁/停機(jī)/左橋架/右橋架/聯(lián)動”轉(zhuǎn)換開關(guān)，可進(jìn)行切換。

橫移絞車分為左橫移絞車和右橫移絞車，控制橋架的左右橫移。可以單獨(dú)操作，也可以聯(lián)合操作。在挖泥時(shí)，通過聯(lián)合操作可以連續(xù)的收放系于左右錨柄上的纜索，船首就以插入河床中的主定位樁為中心向左或向右擺動，使絞刀能連續(xù)的切削泥土并有一定的開挖寬度。橫移絞車的控制地點(diǎn)有駕駛室左操縱臺、右操縱臺和左（右）機(jī)旁操縱臺。左（右）橫移絞車在駕駛室左（右）操縱臺設(shè)有“機(jī)旁/停機(jī)/駕駛室”轉(zhuǎn)換開關(guān)，可進(jìn)行切換。

起錨絞車分為左起錨絞車和右起錨絞車，控制左右錨的拉起。由起錨電機(jī)帶動絞車，通過纜索、拋錨桿按需要吊起或拋出左右錨，以完成正常的挖泥施工工作。控制地點(diǎn)有駕駛室右操縱臺、左起錨機(jī)旁操縱臺、右起錨機(jī)旁操縱臺。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用變頻控制技術(shù)，大大提升了系統(tǒng)的控制精度和操縱靈活性，且對電網(wǎng)無沖擊，采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)大大簡化了控制接口，降低建造線纜成本和人工成本，自動化程度的提高降低了挖泥作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，市場應(yīng)用前景廣闊。

[1] 高海波，陳輝. 絞吸挖泥船疏浚仿真訓(xùn)練器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡述. 船舶，2004, （6）.

[2] 丁文智，張華祝. 國內(nèi)挖泥船建造、運(yùn)用現(xiàn)狀與發(fā)展初探. 科學(xué)與管理，2008, (4).

[3] 郝木蘭，王剛. 挖泥船絞刀深度實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)的研究. 機(jī)床與液壓，2006, (2).

[4] 任經(jīng)緯. 絞吸式挖泥船疏浚監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建.中國科技博覽，2009, (30).

[5] 李小海. Vacon變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用. 傳動，2004, (6).

Design of Control System of Cutter Suction Dredger

Yang Ming1, Ke Changguo2, Tao Yong2

（1. Naval Representatives Office in Dalian, Dalian 116000, Liaoning, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China）

TM762

A

1003-4862（2013）01-0043-04

2012-12-16

楊明（1973-），男，工程師。研究方向：船舶電氣及其自動化。