船用錨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門　361012)

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

對于液壓錨機(jī)而言，收錨時(shí)均采用恒功率的液壓泵或液壓馬達(dá)來控制。早期液壓錨機(jī)是由雙向定量液壓泵、換向閥和有級變量液壓馬達(dá)等組成的閉式系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)是根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力(即負(fù)載的大小)，人工或自動地調(diào)節(jié)有級變量液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，如“低速重載”或“高速輕載”等，因收錨時(shí)負(fù)載變化大且快，故這種操縱方式容易造成液壓泵電機(jī)頻繁處于過載或欠載狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)存在穩(wěn)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(shù)在工控上迅猛發(fā)展，它可以大范圍地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)精確高效控制，而且顯現(xiàn)出減少能量損耗、減輕電網(wǎng)沖擊、降低油液溫度和提高油液壽命等優(yōu)勢。基于以上考慮，為了改善此類型錨機(jī)的運(yùn)行效果，本文將建立基于PLC的液壓泵電機(jī)恒功率變頻控制系統(tǒng)，來保證在負(fù)載劇烈波動時(shí)錨機(jī)安全且高效的運(yùn)行。

1　控制系統(tǒng)的硬件選擇

本控制系統(tǒng)的PLC選用三菱FX1N-14MT作為下位機(jī)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)由模塊轉(zhuǎn)換后傳輸至PLC，根據(jù)PLC數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作保證船用錨機(jī)功率維持在某數(shù)值上?？刂葡到y(tǒng)的上位機(jī)使用MT510T觸摸屏，經(jīng)過RS232/485轉(zhuǎn)換器與下位機(jī)連接，可以根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整下位機(jī)的目標(biāo)值，下位機(jī)經(jīng)過一系列數(shù)字運(yùn)算后最終實(shí)現(xiàn)錨機(jī)技術(shù)參數(shù)的精確控制。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

錨機(jī)正常收錨時(shí)，其液壓馬達(dá)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(jī)械摩擦力等。起錨過程中，錨機(jī)負(fù)載的種類、大小和方向都是在不斷變化中，最大負(fù)載發(fā)生在拔錨破土?xí)r。為避免收錨時(shí)液壓泵電機(jī)過載，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，系統(tǒng)油壓變大，液壓泵電機(jī)電流值隨之處于較大值，則應(yīng)及時(shí)降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即減少液壓泵的流量從而降低液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，降低收錨的速度；而當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，系統(tǒng)油壓也較小則液壓泵電機(jī)的電流下降，需要增加電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到滿載目的，來提高錨機(jī)收錨時(shí)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(tǒng)電流值穩(wěn)定即可保證裝置處于恒功率的狀態(tài)。本控制系統(tǒng)借助PLC對采集的液壓泵電機(jī)實(shí)時(shí)電流值與系統(tǒng)目標(biāo)值進(jìn)行PID運(yùn)算，并輸出信號來控制變頻器，來相應(yīng)地調(diào)節(jié)液壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變液壓泵的實(shí)際流量來控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速(即收錨的速度)，也就是為應(yīng)對負(fù)載的劇烈波動進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)收錨的速度，保證液壓泵電機(jī)始終處于恒功率狀態(tài)。

在該控制系統(tǒng)里，被控對象是液壓泵電機(jī)，被控量是電機(jī)的電流值，在上位機(jī)上設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)電流值，而后下位機(jī)通過模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)口接收來自電流傳感器的測量值，經(jīng)過PID的運(yùn)算后控制液壓變量泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免液壓泵電機(jī)的電流值波動過大，這種控制系統(tǒng)就兼顧了船舶收錨時(shí)錨機(jī)的安全性和高效性。

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1　下位機(jī)控制內(nèi)容的設(shè)計(jì)

基于PLC的變頻控制系統(tǒng)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(guān)量輸入等組成。其中采用PLC來實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷。

圖1　錨機(jī)控制系統(tǒng)程序流程圖

(1)數(shù)據(jù)采集

本控制系統(tǒng)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(jù)外部連接方法及PLC指令，實(shí)現(xiàn)電流輸入，同時(shí)可以編寫指令來調(diào)整模擬量輸入的范圍。

(2)控制系統(tǒng)的安全保護(hù)

錨機(jī)的安全保護(hù)主要表現(xiàn)在液壓系統(tǒng)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(tǒng)失壓和失電等。

(3)PID運(yùn)算

錨機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖如圖2所示，使用三菱FX1N-14MT對液壓系統(tǒng)油壓進(jìn)行PID控制。在PLC采集的數(shù)據(jù)中，液壓泵電機(jī)的電流值是完成負(fù)反饋控制的最關(guān)鍵數(shù)據(jù)，電流傳感器將被控量測量值c(t)用4-20 mA電流數(shù)值來體現(xiàn)，此電流數(shù)值經(jīng)過A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過PID算法獲得該測量值p(t)與目標(biāo)值sp(t)兩者的液壓系統(tǒng)電流偏差e(t)，而后PLC以數(shù)字信號方式輸出計(jì)算的結(jié)果M(t)，利用變頻器PWM對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，改變輸出頻率，從而控制液壓泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保錨機(jī)液壓泵電機(jī)功率C(t)在設(shè)定的范圍內(nèi)。

圖2　負(fù)反饋系統(tǒng)方框圖

PID輸入e(t)和輸出M(t)的關(guān)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(biāo)值；p(t)——電流值測量值；c(t)——錨機(jī)液壓泵電機(jī)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(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)間常數(shù)。此自動控制系統(tǒng)中的比例控制增益KP、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)TD等數(shù)值，可以在系統(tǒng)試運(yùn)行階段通過不斷嘗試進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)船用錨機(jī)的工作特點(diǎn)和運(yùn)行要求，控制器可設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的合適采集周期T，從而將PID輸入輸出關(guān)系公式離散化，計(jì)算得到系統(tǒng)采集第n次數(shù)據(jù)時(shí)的輸出為：

M(n)=

(2)

在式(2)中：T——數(shù)據(jù)采集周期；n——數(shù)據(jù)采集次數(shù)，n=1，2，3……；e(n)——第n次數(shù)據(jù)采集時(shí)的電流值偏差；M(n)——采集第n次數(shù)據(jù)時(shí)控制器的輸出。

(4)PWM輸出

控制變頻的技術(shù)很多，而如今應(yīng)用最為廣泛的是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(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(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷將其轉(zhuǎn)換成電壓脈沖序列，在電壓脈沖序列的半個(gè)周期內(nèi)，保持脈沖數(shù)目不變而改變脈沖寬度，來改變半周內(nèi)輸出電壓的平均值，從而達(dá)到改變輸出電壓有效值的目的。在本文液壓控制系統(tǒng)中，根據(jù)電流值目標(biāo)值和電流測量值的PID計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)PWM輸出信號，即將整流后的直流電壓調(diào)制成占空比可調(diào)的脈沖電壓序列，從而獲得等效輸出電壓值，來實(shí)時(shí)調(diào)整液壓泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成對船用錨機(jī)恒功率的控制。

3.2　人機(jī)界面

本例控制系統(tǒng)采用MT510T觸摸屏作為上位機(jī)，利用工業(yè)組態(tài)軟件編程，實(shí)現(xiàn)了互動性強(qiáng)的人機(jī)界面功能。該界面在設(shè)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測時(shí)間間隔后，直觀顯示錨機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為輪機(jī)工程技術(shù)人員的管理維護(hù)和故障分析提供參考依據(jù)。另一方面，輪機(jī)技術(shù)人員也能夠根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況，自行調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的目標(biāo)值，保證船用錨機(jī)安全高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

4　結(jié)　語

船用錨機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC控制，解決了早期錨機(jī)穩(wěn)定性差、耗能大和安全性低的缺點(diǎn)，也體現(xiàn)了PLC控制技術(shù)速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)勢?；谝陨戏治?，本控制系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)擴(kuò)充，就可全面控制船舶錨機(jī)所有操作內(nèi)容，也可以考慮在舵機(jī)、絞纜機(jī)、吊艇機(jī)、舷梯升降機(jī)和艙蓋啟閉裝置等甲板機(jī)械上進(jìn)行改造和推廣。

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