锚机自动控制技术发展综述

2012-07-03张书忠

船电技术 2012年4期

张书忠

(上海宏华海洋油气装备有限公司工程设计部，上海201206 )

0 引言

锚机作为海洋工程浮式建筑物（以下简称浮式物）极重要的甲板机械之一，是必不可缺的，其作用在于保证浮式物安全停泊于水面、系泊于码头等位置。

一般锚机均采用锚链为系索。一方面笨重粗大的锚链系索难以缠绕在滚筒之上，只有通过锚链轮传动进出完成起、收锚的动作；另一方面，在起、收锚的过程中，复杂的外力（如风、海浪，海流等）环境导致锚及锚链的运动状况变得复杂，这给系统的驱动控制带来了极大的不便。同时，随着近若干年来海洋石油装备的日趋大型化和工作深水的逐渐增大，其锚泊定位系统的设计选型对于整个系统来说就显得更加重要，对锚机的配置则提出了更高功率、更大的抗外力能力的要求。本文结合锚机控制系统的现状，对此加以综合性阐述。为此，下面我们先简单了解一下锚机机械运动的特点。

1 锚机机械运动的一般特点

当浮式物（如各种船舶及海洋钻井平台等）在水中锚泊时，必须将锚及锚链抛出，让锚抓进水底泥土中，将浮式物固定。在水较浅处，则可抛开锚机制动器，依靠锚和锚链的自重进行重力抛锚。这种方式速度快，靠手动带式制动器控制抛锚速度（或采用电液控制制动器）；但在水深大于50 m处抛锚，手动则难以控制平稳，而如果采用电动抛锚，电机则处于再生制动状态运行。

而起锚时，锚机必须有足够的力矩克服风、浪、水流、锚链阻力等才能收起锚链。一般地，起锚有正常起锚和应急起锚两种情况。对于正常起锚，整个运动过程按照拉力的变化特性可分为五个阶段，各阶段的力的作用情况均不相同，力矩与锚链长度之间呈典型的非线性关系。而所谓应急起锚，是指当水深大于锚链的长度时，锚抛不到海底，锚机应能将悬于水中的锚及锚链收起来。这种情况工作繁重，安全可靠性要求高。关于锚机机械运动的进一步定性定量分析，读者可以查阅更多的关于甲板机械、外舾装内容的手册或文献，如文献[1]和[2]。

2 目前锚机电驱动基本概况和技术发展趋势

为了实现前述锚机运动特点的设备运行控制，以前国内的锚机控制系统大都采用机电液联合驱动方式[1,3,4,5,6,7]，速度控制为交流双速和交流三速两种类型。传统的交流双速和三速驱动方式主要由总电源断路器、接触器、热继电器、凸轮开关、时间继电器和其它辅助器件构成。其中,凸轮开关主要作用是为了实现电动机的正反转，以及低、中、高三速的运行方式。更详细的继电逻辑动作说明参见文献[7]。这种传统的继电逻辑控制虽然价格低廉也能实现基本控制功能的要求，但机械故障率相对较高，可靠性差。近年来，随着有关设备机械性能的加大，水深尺度的增加，常规的交流双速和三速驱动很难达到使用要求，设备发生故障的几率增多，达不到设备运行要求，,设备维护、维修工作加重。我们知道，近二十多年来，PLC和交流变频调速技术得到极大发展，是当前自动化控制领域比较成熟的技术和技术产品，很多领域的继电逻辑控制均被以PLC为核心控制器的程序控制所代替。目前，我国在锚机自动化控制方面，一类情况是用PLC实现继电逻辑的升级，其它基本不作太大的设计改变，电机调速还保留传统的双速或三速，非无级调速形式；另一类情况则是采用PLC为控制核心，交流变频调速器进行速度控制，能够实现无级调速；这后一种情况目前已经逐渐成为主流。较之以往产品，这两类产品都大幅度提高了安全可靠性，维护维修工作大幅度减少，操作更加人性化。下面分别对这两类设计思想的产品给与介绍。

根据文献[5]以及有关设备商提供的有关资料，经过新的技术改造后其电气线路主要部分如图1所示。

从图1我们可以看出经过技术改造后的电气线路大大简化，并且PLC本身具有很高的无故障率，提高了系统的安全可靠性，维护查找故障也非常方便。但这种形式的技术改造还不是很彻底，只是在部分逻辑和功能上予以了简化。更先进的设计思想则是将有关的检测、显示参数以及与采用变频调速综合起来考虑，同时结合实际检测控制参数并辅以智能控制算法的实时控制。如海洋石油941、 981项目均使用变频调速系统，这样充分发挥变频调速器本身的多功能调速特点，在硬件线路上较为简单的实现了双速、三速调节。而读取有关的设备运行参数，如转速、电流、电压等也变得极为方便。

图1 改造后的主控线路

根据有关规定和便于操作，锚机控制系统必须要有电流、电压、运行 /停止指示灯、带刹位置指示、电机抱闸位置指示、离合位置指示、故障指示和报警，并能显示锚链长度、张力、锚链运动速度等的功能。相应的传感器将有关检测信号送 PLC处理后可以方便的传到有关显示终端设备上去。国内比较典型的设计思想基本如文献[8]和[9]所介绍，所采用的传感器也基本上是编码器、限位开关、接近式开关等设备。在此需特别指出的是锚机监控系统在功能上一定要有超速自动刹车、溜锚自动刹车的功能，对深水锚、大型锚尤其如此。否则，在发生超速、溜锚是很危险的事情，易造成事故。

南海-5号是我国较早的最为典型的半潜式海洋钻井平台，其为8点锚泊系统，在实际使用过程中由于存在较多的不便和问题，文献 [9]介绍，该系统经过智能化技术改造后不但自动化程度和工作效率得到提高，而且可以极为方便的实现集中控制。该系统基本构成框图如图2所示。

显然，这种思想属于局部系统的集中控制，是一个完整的带有SCADA/HMI的自动化网络系统；如果该系统纳入全船集中控制，只需要增加部分必要的设备，变更一下有关检测终端设备相互连接方式，改变安装位置就可以实现与全船集中自动化控制的无缝连接。该系统在功能上实现了应急释放功能。所谓应急释放是船舶或钻井平台在遇到台风、大浪等恶劣天气或其它紧急情况时，锚机系统的应急措施，释放过程要求以最短时间释放锚链以使平台进行定位。前文已经介绍过其含义，其关键应急释放逻辑如图3所示。

图2 系统基本构成框图

图3 应急释放逻辑

这种应急逻辑功能作为锚机系统自动控制的一个标准应该是非常有必要的，以达到应急状态下系统可能需要的基本功能。

目前，国内锚机系统控制最先进的应当是上海复兴船务刘希沪、姜伟在文献[10]中介绍的用于其公司内部无人驳船的锚机控制系统。由于该系统增加了无线功能，锚机系统作业几乎达到了无人化的程度，几乎完全改变了传统锚机作业的方式。而进行无线技术性能的扩展，在设备投资追加上并没有增加太多；使用和维护上也没有增加太多的复杂度和工作量。当然，截止目前在国内海洋石油钻井平台上尚未见到此种技术水平的锚机控制系统；鉴于海洋石油平台作业的复杂性以及作业的安全可靠性，这种采用交流变频加无线技术的控制思想是值得推广和进一步发展的。

通过笔者多方考察了解，目前国内的绝大多数锚机控制系统大致上如下所述：

主控以PLC、交流变频调速器为主，根据实际需要可以采用单变频调速器直接接线方式或共用直流母线方式。由于采用变频调速装置，其带来一定程度的谐波污染，这样在系统设计应用时就必须考虑采取措施，如增加电抗，有源滤波器等设备部件，以减小降低谐波污染程度。采用直流共母线接线方式，在非定位工作状态下，可以针对有关生产状况，投入运行相关变频调速器去驱动其它与定位无关的生产设备做到最大化的发挥变频调速器装置的效能，这种思想完全可行的；当然，对于船舶或海洋平台系统来说安全可靠是最重要的,所以采用这种控制方式和共用变频调速器时要特别注意变频装置的性能技术指标问题，在此笔者不作详述。

上位机一般是就地安装在操作台上，可以采用一般的文本显示器或触摸显示终端（此类情况较多）或IPC；这样便于操作和监视有关设备技术参数等。这种情况目前较多。

另外一种情形就是在远端中央控制室（ECR）进行有关的操作与监视，室内设独立的上位机设备，跟VMS或DCS系统整合在一起，便于统一的管理，实现无人机舱功能。这种远端设置上位机的工作方式不是必要的却是技术发展的趋势。

上位机与下位机大多数技术参数采用通讯方式（本文例子采用RS485通讯接口实现，但这并不意味着实际设备仅仅采用单一的通讯接口方式去实现，一般由系统设备制造商所选择的PLC及变频调速器通讯接口来决定的，如CC-LINK,PROFIBUS, CANBUS等）传递。

而无线控制功能作为就地操作功能的一部分，在实际的操锚时用到，这样可以省去常规的插接式柔性拖拉主令控制板。这种无线遥控操作形式目前也越来越多。

就经济性方面考虑，采用变频调速和 PLC等智能化为核心的部件设计制造的系统无疑要大于一般常规的继电逻辑系统。但对深水，大功率锚机控制来说，一般的继电逻辑并没有优势可言。综合考虑性能价格比，采用变频调速的优势明显。目前，行业内多数用户对深水和大功率锚机的控制都倾向于采用PLC+变频调速系统的设计思想。

以下是笔者为某自升式钻井平台项目拟定的系统主要配置情况：

● 控制柜4套（每套含1台变频调速器）

● PLC控制器一套（含无线发射单元）

● 操作单元文本显示器或触摸显示终端4套

● 上位计算机或显示终端1套

● 数据采集系统4套（每套含编码器 1套，接近式开关 2只或限位开关 4只，张力传感器 4套）

● 无线控制终端1套，备用控制终端1套

● 就地操作台 4套（即无线系统不用时也可以进行相关技术操作，同时也起到现场设备调试维修时的方便）

由于控制系统的安装位置和船舶或海洋平台空间的有限性，同时考虑设备操作的便利性，上面给出的配置方案没有考虑对变频调速器采用直流共母线集中组柜方式，仍然采用独立的变频驱动柜分散布置安装方式。