电动锚绞机自张紧系统

第17卷 第9期 中 国 水 运 Vol.17 No.9 2017年 9月 China Water Transport September 2017

收稿日期：2017-07-07

作者简介：张剑平（1984-），男，上海德瑞斯华海船用设备有限公司 中级工程师，研究方向为滚装通道系统。

电动锚绞机自张紧系统

张剑平，冷 绪

（上海德瑞斯华海船用设备有限公司，上海 200093）

摘 要：本文依据实际项目设计经验及实践应用总结，论述了电动锚绞机的自张紧控制系统，包括自张紧系统应用工况。张力检测设备工作原理及在电动锚绞机上的安装方式，张力信号采集与变换，PLC 转换计算与自动张紧逻辑控制等内容。

关键词：电动锚绞机；称重传感器；自张紧系统

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）09-0146-03

一、前言

在过去的数十年内，电气控制与自动化技术飞速发展且日臻成熟，并且已广泛应用于各类工业产品与实际生产中，先进的控制及自动化技术能显著提高工业生产效率与安全性。如今对设备可靠性与安全性要求极高且最为传统的船舶行业，也逐步融合了电控技术的发展与应用。作为船舶中必不可少的甲板机械，锚绞机的技术也在不断发展推进，拥有更精确控制且自动化程度更高的电动锚绞机开始崭露头角。电动锚绞机可用于散货船、集装箱船、滚装船、多用途船、军船、海工船等，已经占到锚绞机市场的约50%，并有进一步上升的趋势，随着电动锚绞机的不断广泛应用，为设备提供实时监控，使链缆的操作都在允许的安全范围内，保证船舶系泊时的安全性和可靠性显得尤为重要。同时，自动张紧功能在锚绞机的使用也越来越普遍。

本文介绍了TTS 电动锚绞机的自张紧控制系统。 二、自张紧控制介绍

通常一条船舶由2台锚机及若干台绞车组成，船舶的船型，大小及功能决定了绞车的数量，位置与额定的速度和拉力。绞车的一个主要功能是系泊，即船舶靠岸时，绞车卷筒上的纤维绳一端系到码头的桩上固定，通过绞缆筒收紧缆绳，使缆绳带有一定的张力连接船体与码头，令船舶能稳定停靠而不至被潮汐或浪潮的作用导致船体移动而撞击或远离码头。此时船舶位置较为固定，易于人员上下船和船舶装卸货。船舶在长时间停靠时水流或涨落潮依然会使船舶相对码头的固定桩有移动，此时缆绳上的张力可能受此影响增大或减小，如果任由张力变化而不加干涉有可能导致缆绳破断或张力过松导致船舶位置偏离的情况，因此保持张力的稳定尤为重要。所以大多数船舶的绞车要求配备自张紧功能，要求系泊时绞车能根据缆绳张力变化适时调试绞车卷筒收放，使张力稳定在一个理想值，具体而言就是预设一个张力值，当缆绳张力变大时，绞车放绳，释放张力达到预设值，当缆绳张力过小时，绞车收绳，同样使张力回到预设值。且以上的控制全部由系统自动化完成，不需要人为干预，这样不仅

节省一个人力，且可靠性高，不存在人为的疏忽或误操作的可能。由于船舶系泊可能高达数小时甚至数天，因此自张紧功能非常实用。同时这种通过传感器反馈信号来适时启动绞车电机调整张力的方式不仅安全可靠，同时电机属于间歇性偶尔启动，对船舶电网的负荷和节能角度考虑也是一个优点。

三、张力传感器的工作原理

要实现自张紧功能必须在绞车上安装一个张力传感器，用以采集实时缆绳张力信息，以此与预设张力比较差值，当差值超过许可范围时调整缆绳松紧，维持缆绳设定张力。此方法应用了工业自动化中的闭环控制原理。

TTS 锚绞机所配张力传感器为应变式传感器，应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器， 是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计（应变片）。该类传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠，分辨率及灵敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。

传感器采用销轴式安装方式（见图1），结构简单，受力直接。当传感器受力面受到外载力，产生轻微机械形变，贴着受力面上的金属应变片随着产生轻微形变，根据“电阻应变效应”其电阻值也随之改变。传感器内由2个固定电阻和2个应变式可变电阻组成惠斯登电桥回路（见图2）。在激励电压保持不变的情况下，应变电阻的阻值变化会使输出信号电压产生线性变化，但由于电阻应变片感受应变后，产生的电阻变化十分小，所转换的电信号也是十分微小.为了将这样的微小信号放大到普遍模拟指示仪表或PLC 所能接受的量级.需要采用信号放大电路将微电阻变化率转换成电压或者电流的变化，因此系统通过后端的放大板将微弱信号放大并滤波，形成4-20mA 的模拟量信号。由此通过应变式力传感器与放大板将力信号转换成可用电信号并输出到控制系统中。同时力信号与电信号的转换必须具备灵敏度高和线性度好的特点。

第9期 张剑平等：电动锚绞机自张紧系统 147

图1 销轴式传感器 图2 惠斯登电桥回路 四、传感器的安装与布置

TTS

电动锚绞机的传动结构如图3所示，电机输出轴连

接行星减速机，行星减速机的输出再与齿轮箱内的两级齿轮

相连实现减速与扭矩传递，齿轮箱的出轴带动卷筒旋转。测力传感器则安装在行星减速机外壳上的传力杆上。当卷筒负载产生变化时，整个传动机构的受力随之改变，此时测力传感器也承载着行星减速机这一端的负荷。由于行星减速箱属于传动系统中相对的高速低扭矩端，因此传感器受力较小，其外形尺寸与制造成本也较低。传感器在工作时处于减速箱内齿轮油飞溅的环境，因此防护等级须达到IP67以上，同时额定工作量程完全覆盖锚绞机的正常工作受力，传感器本身还有安全过载和极限过载能力，确保传感器在连续工作时不会因疲劳受力或偶然的意外冲击力对设备产生损伤。传感器信号放大板安装在电机上方，由防护等级为IP56

的接线盒保护电气元件的水密性。传感器电缆经减速箱内部穿出到放大板接线盒完成接线。此设计确保电缆长度较短，使电缆阻抗对于传感器的电压信号不会产生明显影响，且电缆走线能防水防机械破坏，保证设备在露天甲板的可靠运行。

图3 TTS电动锚绞机的传动结构图

五、PLC的自张紧控制

1．自张紧控制启动给定

电动锚绞机的操作基本源都在甲板上的机旁和舷边主令控制器上，因此主令控制器上有启动自张紧系统的控制按钮和选择张力预设值的选择开关。根据工况需要，张力预设值被分为若干档位。当缆绳已有一定张力后，切换自张紧档位开关，选择预设张力。即启动自张紧模式，当实际张力高于预设张力达到一定差值时，绞车放缆启动，通过释放缆绳来降低张力，当张力降到预设值，绞车停止。同样，当实际张力相比预设值过低时，绞车收揽，提升张力，在达到预设值后停止。如此绞车处于自张紧模式下，实际张力会在预设值的上下一定合理范围内移动，既保持了张力的平稳安全，又保证电机不用频繁启动，提高能效。

图4是自张紧控制FB功能块

图4 自张紧控制FB功能块

程序段1：自张紧信号继电器触点输出，提供给船舶驾驶台信号

程序段2：自张紧模式启动

程序段3：自张紧模式启动的禁止条件

程序段4-13：自张紧模式下张力过低启动卷筒收揽或张力过高启动卷筒放缆的控制逻辑

程序段14：自张紧模式下超时警报

程序的15：自张紧模式故障信号输出。

2．自张紧控制逻辑

满足如下条件：

（1）系统操作准备就绪

（2）选择开关切换至自动系泊模式

（3）锚绞机模式开关在绞车位置

（4）PLC读取来自张力传感器放大板输出的缆绳张力值大于20%

（5）当前无禁止自张紧功能的故障报警

则激活自动系泊功能