船用錨機控制系統的設計

(廈門海洋職業技術學院，福建廈門　361012)

錨機是船舶重要的輔助設備之一，其主要作用是在錨地時抵御風和水流的共同作用而保持船舶在一定范圍的海域內，同時在船舶靠離碼頭、系離浮筒、狹水道調頭或應急減速等過程中也發揮重要作用。錨機按照動力分為電動和液壓，常見的工作方式有拋錨、作業和起錨，因篇幅所限，本文只研究收錨時液壓錨機的控制方式。

對于液壓錨機而言，收錨時均采用恒功率的液壓泵或液壓馬達來控制。早期液壓錨機是由雙向定量液壓泵、換向閥和有級變量液壓馬達等組成的閉式系統，其控制系統是根據液壓系統的壓力(即負載的大小)，人工或自動地調節有級變量液壓馬達的轉速，如“低速重載”或“高速輕載”等，因收錨時負載變化大且快，故這種操縱方式容易造成液壓泵電機頻繁處于過載或欠載狀態，整個系統存在穩定性差、精確度低和耗能大等不足之處，且大幅度降低裝置的使用壽命。另一方面，變頻技術在工控上迅猛發展，它可以大范圍地實現電機轉速的連續精確高效控制，而且顯現出減少能量損耗、減輕電網沖擊、降低油液溫度和提高油液壽命等優勢?；谝陨峡紤]，為了改善此類型錨機的運行效果，本文將建立基于PLC的液壓泵電機恒功率變頻控制系統，來保證在負載劇烈波動時錨機安全且高效的運行。

1　控制系統的硬件選擇

本控制系統的PLC選用三菱FX1N-14MT作為下位機，現場數據由模塊轉換后傳輸至PLC，根據PLC數據處理的結果，控制執行機構動作保證船用錨機功率維持在某數值上?？刂葡到y的上位機使用MT510T觸摸屏，經過RS232/485轉換器與下位機連接，可以根據實際狀況調整下位機的目標值，下位機經過一系列數字運算后最終實現錨機技術參數的精確控制。

2　控制系統設計思路

錨機正常收錨時，其液壓馬達的輸出扭矩取決于海錨和錨鏈的重力、海錨和錨鏈與海床的摩擦力、錨破土而起的反力以及機械摩擦力等。起錨過程中，錨機負載的種類、大小和方向都是在不斷變化中，最大負載發生在拔錨破土時。為避免收錨時液壓泵電機過載，當負載較大時，系統油壓變大，液壓泵電機電流值隨之處于較大值，則應及時降低電機的轉速，即減少液壓泵的流量從而降低液壓馬達的轉速，降低收錨的速度；而當負載較小時，系統油壓也較小則液壓泵電機的電流下降，需要增加電動機的轉速來達到滿載目的，來提高錨機收錨時的效率。因在電壓不變的前提下，裝置的輸入功率與電流值成正比，故只要保持系統電流值穩定即可保證裝置處于恒功率的狀態。本控制系統借助PLC對采集的液壓泵電機實時電流值與系統目標值進行PID運算，并輸出信號來控制變頻器，來相應地調節液壓泵電機轉速，從而改變液壓泵的實際流量來控制液壓馬達的轉速(即收錨的速度)，也就是為應對負載的劇烈波動進行實時調節收錨的速度，保證液壓泵電機始終處于恒功率狀態。

在該控制系統里，被控對象是液壓泵電機，被控量是電機的電流值，在上位機上設定系統目標電流值，而后下位機通過模擬量輸入模塊、高速計數口接收來自電流傳感器的測量值，經過PID的運算后控制液壓變量泵電機的轉速，避免液壓泵電機的電流值波動過大，這種控制系統就兼顧了船舶收錨時錨機的安全性和高效性。

3　控制系統的軟件設計

3.1　下位機控制內容的設計

基于PLC的變頻控制系統原理如圖1所示。PLC由觸摸屏、電源、CPU、模擬量輸入輸出模塊和開關量輸入等組成。其中采用PLC來實現電氣部分的控制。包括五部分：起動、運行、停止、切換、報警及故障自診斷。

圖1　錨機控制系統程序流程圖

(1)數據采集

本控制系統選擇高精確度的FX2N-4AD模擬量輸入模塊和壓力傳感器輸入模塊，根據外部連接方法及PLC指令，實現電流輸入，同時可以編寫指令來調整模擬量輸入的范圍。

(2)控制系統的安全保護

錨機的安全保護主要表現在液壓系統高油壓、高油溫、油箱油位過低、變量泵油壓差異常、油液冷卻器異常、電壓異常、系統失壓和失電等。

(3)PID運算

錨機控制系統的方框圖如圖2所示，使用三菱FX1N-14MT對液壓系統油壓進行PID控制。在PLC采集的數據中，液壓泵電機的電流值是完成負反饋控制的最關鍵數據，電流傳感器將被控量測量值c(t)用4-20 mA電流數值來體現，此電流數值經過A/D模塊進行數據轉換成數字信號。通過PID算法獲得該測量值p(t)與目標值sp(t)兩者的液壓系統電流偏差e(t)，而后PLC以數字信號方式輸出計算的結果M(t)，利用變頻器PWM對脈沖的寬度進行調制，改變輸出頻率，從而控制液壓泵電機的轉速，確保錨機液壓泵電機功率C(t)在設定的范圍內。

圖2　負反饋系統方框圖

PID輸入e(t)和輸出M(t)的關系式為：

(1)

在式(1)中：e(t)=sp(t)一p(t)——電流值偏差；sp(t)——電流目標值；p(t)——電流值測量值；c(t)——錨機液壓泵電機功率；M(t)——PID的輸出值；M0——回路輸出的初始值，KP——比例控制增益；TI——積分時間常數；TD——微分時間常數。此自動控制系統中的比例控制增益KP、積分時間常數TI和微分時間常數TD等數值，可以在系統試運行階段通過不斷嘗試進行優化。根據船用錨機的工作特點和運行要求，控制器可設定系統參數的合適采集周期T，從而將PID輸入輸出關系公式離散化，計算得到系統采集第n次數據時的輸出為：

M(n)=

(2)

在式(2)中：T——數據采集周期；n——數據采集次數，n=1，2，3……；e(n)——第n次數據采集時的電流值偏差；M(n)——采集第n次數據時控制器的輸出。

(4)PWM輸出

控制變頻的技術很多，而如今應用最為廣泛的是脈沖寬度調制技術(簡稱PWM)。PWM控制是指在保證整流后直流電壓大小不變的前提下，利用半導體開關器件的導通與關斷將其轉換成電壓脈沖序列，在電壓脈沖序列的半個周期內，保持脈沖數目不變而改變脈沖寬度，來改變半周內輸出電壓的平均值，從而達到改變輸出電壓有效值的目的。在本文液壓控制系統中，根據電流值目標值和電流測量值的PID計算結果，實現PWM輸出信號，即將整流后的直流電壓調制成占空比可調的脈沖電壓序列，從而獲得等效輸出電壓值，來實時調整液壓泵電機的轉速，完成對船用錨機恒功率的控制。

3.2　人機界面

本例控制系統采用MT510T觸摸屏作為上位機，利用工業組態軟件編程，實現了互動性強的人機界面功能。該界面在設定系統數據檢測時間間隔后，直觀顯示錨機運行參數的實時數據，為輪機工程技術人員的管理維護和故障分析提供參考依據。另一方面，輪機技術人員也能夠根據設備的運行狀況，自行調節液壓系統技術參數的目標值，保證船用錨機安全高效地運轉。

4　結　語

船用錨機控制系統采用PLC控制，解決了早期錨機穩定性差、耗能大和安全性低的缺點，也體現了PLC控制技術速度快、精度高、抗干擾能力強和調節方便等優勢?；谝陨戏治?，本控制系統經過適當擴充，就可全面控制船舶錨機所有操作內容，也可以考慮在舵機、絞纜機、吊艇機、舷梯升降機和艙蓋啟閉裝置等甲板機械上進行改造和推廣。

1費千.船舶輔機[M] . 大連: 大連海事大學出版社, 2005.

2殷志飛.以錨機控制電路教學設計為例探討理實一體化教學模式改革[J].青島遠洋船員職業學院學報,2017 (2):41-43.

3夏華鳳.船舶錨機控制系統量子粒子群優化PID算法的研究[J].電工電氣,2016(1):25-28,32.

4湯宇華.變頻控制在工程船舶電動錨機控制中的應用[J].中國機械,2015(17):84-86.

5毛立峰.基于變頻驅動的錨絞組合機設計與應用[J].機電設備,2015(2):68-72.