CN104443275A - 一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统 - Google Patents

Abstract

一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，包括人机界面、控制单元、传动单元和执行单元，传动单元包括ABB主变频器和ABB从变频器，执行单元包括张力绞车电机、储绳绞车电机、张力绞车和储绳绞车，控制单元分别与ABB主变频器和ABB从变频器通信连接，ABB主变频器和张力绞车电机相连接，ABB从变频器和储绳绞车电机相连接，且ABB主变频器和ABB从变频器之间通信连接。ABB主变频器和ABB从变频器中都有一个交流异步电动机的软件数学模型能够分别实现对张力绞车电机和储绳绞车电机转速的实时控制，且张力绞车和储绳绞车之间保持速度同步，实现了张力绞车和储绳绞车的自动张紧功能。

Description

一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统

技术领域

本发明涉及一种主从控制系统，更具体的说涉及一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，属于深水锚泊定位系统技术领域。

背景技术

我国的海洋油气资源开发还处于早期阶段，随着国际上深海油气开发进程的加速，必将会推动我国深水油气资源开发，因此，深水半潜式海洋平台的研究就有着非常重要的意义。

锚泊定位系统是半潜式平台不可或缺的重要控制系统之一，而定位绞车是实现锚泊定位的关键设备，本系统中定位绞车包括张力绞车和储绳绞车。在锚泊定位过程中，张力绞车的滚筒和储绳绞车的滚筒必须保持同步动作，同时要求张力绞车和储绳绞车之间的缆绳存在一定的张紧力，即要求实现张力绞车和储绳绞车之间保持同步和自动张紧。目前，实现锚泊定位系统中绞车的自动张紧功能主要采取主从控制系统，该主从控制系统一般采用控制单元配以编码器、张力传感器等外部传感器模式。其中编码器用来检测张力绞车电机和储绳绞车电机的实际速度并反馈给控制单元，控制单元将反馈的张力绞车电机和储绳绞车电机的实际速度与张力绞车电机和储绳绞车电机的设定速度进行比较，如果实际速度小于设定速度，则通过控制单元增加设定速度输入来提高张力绞车电机和储绳绞车电机的速度；如果实际速度大于设定速度，则通过控制单元减小设定速度输入来降低张力绞车电机和储绳绞车电机的速度，从而实现通过控制单元控制张力绞车电机和储绳绞车电机的速度。其中张力传感器用来检测钢丝绳的张力并反馈给控制单元，如果实际张力大于设定值，通过增加储绳绞车电机速度或减小张力绞车电机速度来减小张力；如果实际张力小于设定值，通过增加张力绞车电机速度或减小储绳绞车电机速度来增大张力，从而实现对锚泊定位系统中绞车自动张紧功能的主从控制。该种主从控制模式方便设置；但是，该系统对于编码器和张力传感器等外部传感器的要求较高，如果编码器和张力传感器的精度不高，会导致整个主从控制系统的稳定性、可靠性较差；同时，编码器和张力传感器增加了系统的复杂性，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的主从控制系统较复杂、成本较高、可能出现稳定性较差等问题，提供一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，包括人机界面、控制单元、传动单元和执行单元，所述的人机界面包括主令控制单元和监控单元，所述的传动单元包括主变频器和从变频器，所述的执行单元包括张力绞车电机、储绳绞车电机、张力绞车和储绳绞车，所述的张力绞车电机和张力绞车之间通过减速机构相连接，所述的储绳绞车电机和储绳绞车之间通过减速机构相连接，所述的主变频器和从变频器分别为ABB主变频器和ABB从变频器，所述的主令控制单元和监控单元分别与控制单元通信连接，所述的控制单元分别与ABB主变频器和ABB从变频器通信连接，所述的ABB主变频器和张力绞车电机相连接，所述的ABB从变频器和储绳绞车电机相连接，且ABB主变频器和ABB从变频器之间通信连接。

所述的ABB主变频器和ABB从变频器之间通过光纤通信连接。

所述的所述的ABB主变频器和ABB从变频器之间通过电缆线相连接。

所述的主令控制单元为操作面板、按钮盒或者操作台。

所述的监控单元为触摸屏。

所述的控制单元为PLC控制器。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、控制系统简单，实现无传感器自动张紧。本发明中主变频器和从变频器分别为ABB主变频器和ABB从变频器，控制单元分别与ABB主变频器和ABB从变频器通信连接，ABB主变频器和张力绞车电机相连接，ABB从变频器和储绳绞车电机相连接，张力绞车电机和张力绞车之间通过减速机构相连接，储绳绞车电机和储绳绞车之间通过减速机构相连接，且ABB主变频器和ABB从变频器之间通过光纤通信连接；本控制系统简单、外部输入输出较少，ABB主变频器和ABB从变频器中都有一个交流异步电动机的软件数学模型能够分别实现对张力绞车电机和储绳绞车电机转速的实时控制，ABB主变频器通过光纤将从机控制字和速度给定值发送给ABB从变频器，使得ABB主变频器和ABB从变频器之间保持速度同步，进而使得张力绞车和储绳绞车之间保持速度同步，使得本主从控制系统无编码器、张力传感器等外部传感器就可以实现对张力绞车和储绳绞车的自动张紧，且，内部逻辑运算和数据处理简单。

2、本发明通过ABB主变频器和ABB从变频器可以实现对张力绞车和储绳绞车的自动张紧，与现有技术中通过编码器、张力传感器等外部传感器实现对张力绞车和储绳绞车自动张紧的主从控制系统相比，减少了编码器和张力传感器的硬件成本，使得本主从控制系统成本较低；同时，无编码器、张力传感器等外部传感器，保持了本控制系统信号不稳定，易受干扰。

附图说明                             

图1是本发明结构框图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

在锚泊定位系统中，定位绞车是实现锚泊定位的关键设备，本系统中定位绞车包括张力绞车和储绳绞车，其中张力绞车和储绳绞车之间通过钢丝绳连接，张力绞车和储绳绞车之间的钢丝绳可能会发生柔性形变。张力绞车作为收放缆绳的动力绞车，其为双滚筒摩擦式绞车；张力绞车容纳钢丝绳的能力有限，需要通过储绳绞车帮助张力绞车储存钢丝绳，所以张力绞车的滚筒和储绳绞车的滚筒必须保持同步动作，这样才能实现钢丝绳的有序缠绕。同时，如果张力绞车和储绳绞车之间没有一定的张紧力，则钢丝绳会散乱，因此要求张力绞车和储绳绞车之间存在一定的张紧力，故要求张力绞车和储绳绞车之间要保持同步和自动张紧。

参见图1，本发明一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，其能够实现锚泊定位系统中张力绞车和储绳绞车的自动张紧功能；本主从控制系统包括人机界面、控制单元、传动单元和执行单元。所述的人机界面包括主令控制单元和监控单元，人机界面实现外部信号的输入和内部信号的显示功能。控制单元实现外部输入信号的采集、数据处理、信号输出和数据通信功能，即外部控制信号进入控制单元、控制单元内部对控制信号进行处理后输出到相应的控制对象。所述的传动单元包括主变频器和从变频器，所述的主变频器和从变频器分别为ABB主变频器和ABB从变频器，且ABB主变频器和ABB从变频器之间通信连接实现信号传递；具体的，所述的ABB主变频器和ABB从变频器之间通过光纤通信连接，通过光纤实现ABB主变频器和ABB从变频器之间的信号传递，具有等时同步功能。

参见图1，所述的主令控制单元和监控单元分别与控制单元通信连接，所述的控制单元分别与ABB主变频器和ABB从变频器通信连接。分别在ABB主变频器和ABB从变频器中设置相应的工作模式参数MASTER LINK MODE，具体为：ABB主变频器设置为MASTER使其成为主机，ABB从变频器设置为FOLLOWER使其成为从机，即将ABB主变频器和ABB从变频器设置成主从模式，这样ABB主变频器会传送从机控制字和速度给定值给ABB从变频器。ABB主变频器和ABB从变频器采用主从模式，只有ABB主变频器能够响应控制单元输入的外部控制信号，ABB从变频器不响应控制单元信号，但ABB从变频器能够反馈储绳绞车电机参数给控制单元。当ABB主变频器接到控制单元输入的外部控制信号后，ABB主变频器通过光纤将控制信号传递给ABB从变频器，ABB从变频器立即作出与ABB主变频器一致的启动、运行、速度、力矩、电气制动等功能，从而实现了对ABB从变频器的控制；本主从控制系统中ABB主变频器发送给ABB从变频器的为速度信号。

同时，所述的ABB主变频器和ABB从变频器之间通过电缆线相连接；通过电缆将ABB从变频器的故障信号反馈给ABB主变频器，作为ABB主变频器启动的条件，若ABB从变频器有故障，则ABB主变频器是无法起动的。具体使用时，将ABB从变频器的故障信号连至ABB主变频器的运行使能信号端，形成联锁，一旦发生故障，联锁将停止ABB主变频器和ABB从变频器的运行。

参见图1，所述的执行单元包括张力绞车电机、储绳绞车电机、张力绞车和储绳绞车。所述的ABB主变频器和张力绞车电机相连接，所述的ABB从变频器和储绳绞车电机相连接，所述的张力绞车电机和张力绞车之间通过减速机构相连接，所述的储绳绞车电机和储绳绞车之间通过减速机构相连接，具体为：ABB主变频器的输出电源端接三相电源至张力绞车电机的电源，ABB主变频器输出的电源为变频电源，直接控制张力绞车电机的转向和速度，张力绞车电机的轴与减速机的轴相连，减速机的轴再与张力绞车的滚筒轴相连，张力绞车电机转动带动减速机转动，从而带动张力绞车的滚筒转动；ABB从变频器的输出电源端接三相电源至储绳绞车电机的电源，ABB从变频器输出的电源为变频电源，直接控制储绳绞车电机的转向和速度，储绳绞车电机的轴与减速机的轴相连，减速机的轴再与储绳绞车的滚筒轴相连，储绳张力绞车电机转动带动减速机转动，从而带动储绳绞车的滚筒转动。同时，ABB主变频器和ABB从变频器之间通信连接， ABB主变频器采用速度控制方式，此时，ABB从变频器跟随ABB主变频器速度给定，解决了ABB主变频器和ABB从变频器所驱动的最终控制对象之间转速同步问题，即解决了张力绞车和储绳绞车之间速度同步问题；并且通过使用ABB主变频器和ABB从变频器的转矩下垂功能保证了负载功率在ABB主变频器和ABB从变频器上的平均分配。

所述的ABB主变频器和ABB从变频器中分别有一个交流异步电动机的软件数学模型， ABB主变频器中的软件数学模型通过实测的张力绞车电机直流母线电压、开关状态和电流计算出张力绞车电机的转速，ABB从变频器中的软件数学模型通过实测的储绳绞车电机直流母线电压、开关状态和电流计算出储绳绞车电机的转速；且ABB主变频器中存在速度控制闭环能够逐渐修正张力绞车电机速度、使其与控制单元设定的张力绞车电机速度保持一致，ABB从变频器中存在速度控制闭环能够逐渐修正储绳绞车电机速度、使其与控制单元设定的储绳绞车电机速度保持一致，从而实现了对储绳绞车电机和储绳绞车电机转速的实时控制。同时在控制单元内部编写张力绞车和储绳绞车的控制程序，并输入控制信号到ABB主变频器，从而控制张力绞车电机和储绳绞车电机的输出扭矩进而实现张力绞车和储绳绞车之间自动张紧功能，使得ABB主变频器和ABB从变频器无需配置编码器就能实现自动张紧功能。

所述的主令控制单元为带有按钮、选择开关等硬件信号输入元器件的硬件信号输入单元，主令控制单元可以为操作面板、按钮盒或者操作台；主令控制单元实现对外部信号的输入，并将外部信号输入到控制单元。

所述的监控单元可具备参数设置、信号输入、状态显示监测功能；其既可以输入信号给控制单元，又能实时显示，从而实现对系统状态的实时监测。监控单元具体可以为触摸屏或工控机。

所述的控制单元为PLC控制器；工作时，PLC控制器首先采集外部输入的控制指令和数据，然后再进行指令逻辑运算和数据处理，最后将处理信号输出给控制对象，即ABB主变频器、触摸屏或者其他外设。

参见图1，工作时，通过操作面板输入张力绞车收绳的指令和收绳的速度至PLC控制器，PLC控制器进行逻辑运算和数据处理，并将处理后的数据转换成速度信号发送给ABB主变频器；随即ABB主变频器对于该信号进行响应，并发出控制指令使得ABB主变频器与ABB主变频器保持同步；同时ABB主变频器和ABB从变频器分别输出相应频率的电压给张力绞车电机和储绳绞车电机，从而控制张力绞车电机和储绳绞车电机的转速和方向，并带动张力绞车和储绳绞车滚筒转动，使得张力绞车和储绳绞车之间速度同步且两者之间存在一定的张紧力，从而实现张力绞车和储绳绞车之间自动张紧，使得本发明中ABB变频器无需配置编码器就能实现绞车的自动张紧功能，成本较低，保证了本主从控制系统的稳定性较好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，包括人机界面、控制单元、传动单元和执行单元，所述的人机界面包括主令控制单元和监控单元，所述的传动单元包括主变频器和从变频器，所述的执行单元包括张力绞车电机、储绳绞车电机、张力绞车和储绳绞车，所述的张力绞车电机和张力绞车之间通过减速机构相连接，所述的储绳绞车电机和储绳绞车之间通过减速机构相连接，其特征在于：所述的主变频器和从变频器分别为ABB主变频器和ABB从变频器，所述的主令控制单元和监控单元分别与控制单元通信连接，所述的控制单元分别与ABB主变频器和ABB从变频器通信连接，所述的ABB主变频器和张力绞车电机相连接，所述的ABB从变频器和储绳绞车电机相连接，且ABB主变频器和ABB从变频器之间通信连接。

2.根据权利要求1所述的 一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，其特征在于：所述的ABB主变频器和ABB从变频器之间通过光纤通信连接。

3.根据权利要求1所述的 一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，其特征在于：所述的所述的ABB主变频器和ABB从变频器之间通过电缆线相连接。

4.根据权利要求1所述的 一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，其特征在于：所述的主令控制单元为操作面板、按钮盒或者操作台。

5.根据权利要求1所述的 一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，其特征在于：所述的监控单元为触摸屏。

6.根据权利要求1所述的 一种实现锚泊定位系统绞车缆绳自动张紧的主从控制系统，其特征在于：所述的控制单元为PLC控制器。