智能化電纜輸送系統在船舶岸電中的應用

張健鵬，葉小松，王傳斌

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智能化電纜輸送系統在船舶岸電中的應用

張健鵬，葉小松，王傳斌

（江蘇鎮安電力設備有限公司，江蘇鎮江 212000）

電纜輸送系統助力岸電電纜上船，打造智能化港口，以西門子PLC為主控，以液壓系統為傳動，以PID控制為依托，采用變力矩的方法，實現電纜恒張力控制，智能化電纜輸送系統的設計，為船舶岸電系統中上船電纜的使用和管理提供了典型范例。

電纜上船 恒張力 液壓系統 變力矩

0 引言

隨著經濟快速發展，帶動船舶航運的迅猛增加，然而船舶靠港后，輔機工作對環境污染問題相當嚴重，隨著綠色港口、智能港口概念的提出，船舶靠港后關停輔機，由岸電給船舶供電必將是未來發展的一種趨勢。大容量低壓岸電電纜上船難的問題，一直阻礙著岸電推動與發展，電纜提升裝置智能化系統能夠很好的解決岸電電纜上船這一難題，可將單獨一根或多根電纜同時或分別由岸邊輸送至船舶岸電接口位置，并能夠隨著潮漲潮落、船舶晃動，控制系統能夠實現電纜自收自放，實現恒張力控制，避免電纜出現耷拉狀態，實現岸電電纜智能管理，高效上船，降低人工成本。

1 系統設計

電纜提升系統由液壓系統、夾持機構、輸送裝置、主控系統等組成，液壓系統現實設備的旋轉控制、伸縮控制、變幅控制等功能，來滿足不同船型停靠碼頭后角度要求、高度要求以及伸出長度要求。夾持機構的設計，既要滿足電纜與驅動輪之間存在必要摩擦系數，還要避免電纜被壓產生形變問題。通過輸送裝置來驅動滾動輪，當驅動電纜力較卷盤電纜收緊力時，電纜將被放出，實現電纜輸送。

主控系統由西門子200SMART系列PLC、變頻器、無線遙控器、編碼器等電氣自動化設備組成，PLC作為主控制器主要負責信號采集、數據處理以及對其他執行機構進行自動化控制，具體系統圖如圖1所示。

控制系統最主要的一個功能就要實現電纜的恒張力控制，確保在供電模式下，隨著潮漲潮落、船舶波動，能夠實現電纜自收自發。PLC作為主控制器，具備數據處理快，響應時間短，滿足隨時調整系統運行狀態、達到穩定控制電纜張力的要求。

圖1 控制系統結構圖

1.1 系統工作過程

將電纜由岸送上船的過程中，電纜提升系統主要分三個階段進行控制。

1）送纜階段

當船舶靠岸后，將電纜送到船舶指定位置。此過程是提升系統驅動裝置將電纜線從繞線盤上拉出，此時電纜線受力較小，變頻電機只給予繞線盤一個很小的力矩，以克服在放纜過程中繞線盤在電纜線的拉動下產生的慣性，避免繞線盤快速放纜方向轉動而使電纜線松散。

2）收纜階段

當對船舶供電結束時，將電纜提升裝置將電纜線收入繞線盤。此時根據電纜盤上電纜所處于的直徑，由PLC計算出所需要的收卷力矩來實現恒張力控制。

3）供電階段

在對船舶進行供電時，主要由于潮漲潮落，引起電纜線的松緊。該階段為恒張力控制的主要階段。此時在影響恒張力參數不光是電纜盤上電纜所處于的直徑，而且要克服電纜提升裝置伸縮臂至船舶之間電纜線的重量。通過PLC計算出所需要的力矩來實現恒張力控制。此時的張力是變化的張力，是克服電纜提升裝置的伸縮臂至船舶之間電纜線重量所需要的張力，此段電纜線越長，所需的張力就越大。同時，為避免電纜線長期受較大張力的影響，設定了一個靜止狀態，當連續5秒鐘繞線盤不動（即無收纜也無放纜）時，減小張力至克服提升裝置的伸縮臂至船舶之間電纜線的重量所需的張力，同時也延時5秒鐘后恢復原有張力，或者產生放纜時重新計算的張力。如5秒后仍無放纜或收纜動作，繼續處于靜止狀態，再恢復減小的張力，以此類推。

1.2 張力控制

根據公式可看出（其中為電纜張力，為卷筒收卷轉矩，為卷盤的收卷半徑），如果能根據卷徑變化調整卷盤收卷轉矩，即可實現電纜張力恒定控制，為實現精準的張力控制，需要對以下參數進行設置：

1）電纜線直徑以毫米為單位。

2）電纜線重量以k為單位。

3）繞線盤的內徑以毫米為單位。

4）繞線盤上繞電纜線長度以毫米為單位。

5）減速箱速比。

圖2 電纜卷盤

1.2.1電纜卷盤上電纜線所處的直徑計算

電纜卷盤上設有編碼器，用來檢測繞線盤上所剩電纜線的圈數。則繞線盤上電纜線所處的直徑D=D+(2n-1)d，而所剩電纜線長度＝

1.2.2轉矩計算

控制張力是通過控制繞線盤的轉動力矩來實現的，將變頻器設置為變力矩控制方式，通過PLC檢測到的數據計算出所需要的力矩。所需張力原則上是克服電纜線的重量所需的力。

拉出電纜線即為繞線盤上繞電纜線總長度減去繞線盤上剩余電纜線，則為毫米，則所需張力即為克服此長度電纜線重量，(h-L)m/1000(單位：k)，故所需力矩為100021100010(單位：N)。此數據為理想數據，根據設備存在固有靜止轉矩特性，故實際所需力矩為，換算到變頻器輸出力矩為，數據需在現場調試時進行調整。

1.3 液壓系統

電纜提升裝置液壓系統主要控制設備水平角度旋轉、電纜提升臂架幅角以及電纜提升臂架伸縮長度。目前設計旋轉角度范圍在0度到180度，在角度極限位置分別配有電氣限位與機械限位的雙重保護，旋轉角度的設計：一是依據碼頭現場實際工況，二是主要考慮主動力電纜從進線填料函至卷盤滑環箱這段電纜在回轉機構內避免發生扭纜情況。

整個回轉機構由液壓馬達、行星齒輪減速機、驅動齒輪、回轉支承以及電磁閥等組成，變幅機構由油缸、伸縮臂架等組成，通過變幅油缸的伸縮來推動伸縮臂的升降。液壓系統控制方式方便簡單，與電機傳動相比，大大降低了設備本身走線排布以及接線繁瑣的工作，液壓系統管路采用硬管與軟件結合的鋪設方式，鋪設簡單而且美觀。

1.4 主電纜的配置

目前岸電較多的還是采用低壓上船的方式給船舶供電，當靠港船舶噸位較大時，用電負荷需求較高，或者某些特種物品運輸船舶需要加熱等特殊要求的話，需要的用電負荷就更高，這樣的話往往一根低壓電纜線經無法滿足實際需求，就需要多跟電纜同時供電，亦或者根據現場停靠船舶要求單獨輸送一根或者多跟電纜供電。圖3為單根300 m2電纜提升輸送裝置現場供電圖。

現在我們公司設計的電纜提升裝置設備可以依據現場客戶的需求，設計兩盤電纜或者更多，實現多跟電纜同時輸送上船或者單根電纜分別送上船的需求，這樣優質化的設計，能夠滿足不同靠港船舶用電負荷不定的要求。

圖3 單根300 m2電纜提升輸送裝置現場供電圖

2 結束語

節能減排、控制污染、綠色港口的建設，岸電上船必將是趨勢所在，電纜提升裝置大大降低了人工與時間，高效便捷的將電纜輸送上船，在未來的岸電系統中，電纜提升系統必將是岸電上船的重要組成部分，本套電纜提升裝置系統在華潤常熟電廠碼頭和鎮江索普危化品碼頭投入使用，打通了岸電上船“最后一公里”。

[1] 江蘇鎮安電力設備有限公司. 液壓式多電纜提升輸送裝置[p]: 201710333133.4.

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

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

Application of an Intelligent Cable Transport System in Ship Shore Power System

Zhang Jianpeng, Ye Xiaosong, Wang Chuanbin

（Jiangsu Zhen'an Power Equipment Co. Ltd., Zhenjiang 212000, Jiangsu, China）

TM726

A

1003-4862（2018）11-0014-03

2018-06-06

張健鵬(1991-)，男，工程師。研究方向：電氣自動化電氣設備設計編程。E-mail: 476028446@qq.com