智能化电缆输送系统在船舶岸电中的应用

2018-11-29张健鹏叶小松王传斌

船电技术 2018年11期

关键词：电缆线绕线张力

张健鹏，叶小松，王传斌

智能化电缆输送系统在船舶岸电中的应用

张健鹏，叶小松，王传斌

（江苏镇安电力设备有限公司，江苏镇江 212000）

电缆输送系统助力岸电电缆上船，打造智能化港口，以西门子PLC为主控，以液压系统为传动，以PID控制为依托，采用变力矩的方法，实现电缆恒张力控制，智能化电缆输送系统的设计，为船舶岸电系统中上船电缆的使用和管理提供了典型范例。

电缆上船恒张力液压系统变力矩

0 引言

随着经济快速发展，带动船舶航运的迅猛增加，然而船舶靠港后，辅机工作对环境污染问题相当严重，随着绿色港口、智能港口概念的提出，船舶靠港后关停辅机，由岸电给船舶供电必将是未来发展的一种趋势。大容量低压岸电电缆上船难的问题，一直阻碍着岸电推动与发展，电缆提升装置智能化系统能够很好的解决岸电电缆上船这一难题，可将单独一根或多根电缆同时或分别由岸边输送至船舶岸电接口位置，并能够随着潮涨潮落、船舶晃动，控制系统能够实现电缆自收自放，实现恒张力控制，避免电缆出现耷拉状态，实现岸电电缆智能管理，高效上船，降低人工成本。

1 系统设计

电缆提升系统由液压系统、夹持机构、输送装置、主控系统等组成，液压系统现实设备的旋转控制、伸缩控制、变幅控制等功能，来满足不同船型停靠码头后角度要求、高度要求以及伸出长度要求。夹持机构的设计，既要满足电缆与驱动轮之间存在必要摩擦系数，还要避免电缆被压产生形变问题。通过输送装置来驱动滚动轮，当驱动电缆力较卷盘电缆收紧力时，电缆将被放出，实现电缆输送。

主控系统由西门子200SMART系列PLC、变频器、无线遥控器、编码器等电气自动化设备组成，PLC作为主控制器主要负责信号采集、数据处理以及对其他执行机构进行自动化控制，具体系统图如图1所示。

控制系统最主要的一个功能就要实现电缆的恒张力控制，确保在供电模式下，随着潮涨潮落、船舶波动，能够实现电缆自收自发。PLC作为主控制器，具备数据处理快，响应时间短，满足随时调整系统运行状态、达到稳定控制电缆张力的要求。

图1 控制系统结构图

1.1 系统工作过程

将电缆由岸送上船的过程中，电缆提升系统主要分三个阶段进行控制。

1）送缆阶段

当船舶靠岸后，将电缆送到船舶指定位置。此过程是提升系统驱动装置将电缆线从绕线盘上拉出，此时电缆线受力较小，变频电机只给予绕线盘一个很小的力矩，以克服在放缆过程中绕线盘在电缆线的拉动下产生的惯性，避免绕线盘快速放缆方向转动而使电缆线松散。

2）收缆阶段

当对船舶供电结束时，将电缆提升装置将电缆线收入绕线盘。此时根据电缆盘上电缆所处于的直径，由PLC计算出所需要的收卷力矩来实现恒张力控制。

3）供电阶段

在对船舶进行供电时，主要由于潮涨潮落，引起电缆线的松紧。该阶段为恒张力控制的主要阶段。此时在影响恒张力参数不光是电缆盘上电缆所处于的直径，而且要克服电缆提升装置伸缩臂至船舶之间电缆线的重量。通过PLC计算出所需要的力矩来实现恒张力控制。此时的张力是变化的张力，是克服电缆提升装置的伸缩臂至船舶之间电缆线重量所需要的张力，此段电缆线越长，所需的张力就越大。同时，为避免电缆线长期受较大张力的影响，设定了一个静止状态，当连续5秒钟绕线盘不动（即无收缆也无放缆）时，减小张力至克服提升装置的伸缩臂至船舶之间电缆线的重量所需的张力，同时也延时5秒钟后恢复原有张力，或者产生放缆时重新计算的张力。如5秒后仍无放缆或收缆动作，继续处于静止状态，再恢复减小的张力，以此类推。

1.2 张力控制

根据公式可看出（其中为电缆张力，为卷筒收卷转矩，为卷盘的收卷半径），如果能根据卷径变化调整卷盘收卷转矩，即可实现电缆张力恒定控制，为实现精准的张力控制，需要对以下参数进行设置：

1）电缆线直径以毫米为单位。

2）电缆线重量以k为单位。

3）绕线盘的内径以毫米为单位。

4）绕线盘上绕电缆线长度以毫米为单位。

5）减速箱速比。

图2 电缆卷盘

1.2.1电缆卷盘上电缆线所处的直径计算

电缆卷盘上设有编码器，用来检测绕线盘上所剩电缆线的圈数。则绕线盘上电缆线所处的直径D=D+(2n-1)d，而所剩电缆线长度＝

1.2.2转矩计算

控制张力是通过控制绕线盘的转动力矩来实现的，将变频器设置为变力矩控制方式，通过PLC检测到的数据计算出所需要的力矩。所需张力原则上是克服电缆线的重量所需的力。

拉出电缆线即为绕线盘上绕电缆线总长度减去绕线盘上剩余电缆线，则为毫米，则所需张力即为克服此长度电缆线重量，(h-L)m/1000(单位：k)，故所需力矩为100021100010(单位：N)。此数据为理想数据，根据设备存在固有静止转矩特性，故实际所需力矩为，换算到变频器输出力矩为，数据需在现场调试时进行调整。

1.3 液压系统

电缆提升装置液压系统主要控制设备水平角度旋转、电缆提升臂架幅角以及电缆提升臂架伸缩长度。目前设计旋转角度范围在0度到180度，在角度极限位置分别配有电气限位与机械限位的双重保护，旋转角度的设计：一是依据码头现场实际工况，二是主要考虑主动力电缆从进线填料函至卷盘滑环箱这段电缆在回转机构内避免发生扭缆情况。

整个回转机构由液压马达、行星齿轮减速机、驱动齿轮、回转支承以及电磁阀等组成，变幅机构由油缸、伸缩臂架等组成，通过变幅油缸的伸缩来推动伸缩臂的升降。液压系统控制方式方便简单，与电机传动相比，大大降低了设备本身走线排布以及接线繁琐的工作，液压系统管路采用硬管与软件结合的铺设方式，铺设简单而且美观。

1.4 主电缆的配置

目前岸电较多的还是采用低压上船的方式给船舶供电，当靠港船舶吨位较大时，用电负荷需求较高，或者某些特种物品运输船舶需要加热等特殊要求的话，需要的用电负荷就更高，这样的话往往一根低压电缆线经无法满足实际需求，就需要多跟电缆同时供电，亦或者根据现场停靠船舶要求单独输送一根或者多跟电缆供电。图3为单根300 m2电缆提升输送装置现场供电图。

现在我们公司设计的电缆提升装置设备可以依据现场客户的需求，设计两盘电缆或者更多，实现多跟电缆同时输送上船或者单根电缆分别送上船的需求，这样优质化的设计，能够满足不同靠港船舶用电负荷不定的要求。