深海光缆敷设用鼓轮式布缆机及其敷设方法与流程

本发明属于布缆机，具体涉及一种深海光缆敷设用鼓轮式布缆机及其敷设方法。

背景技术：

光纤通信具有带宽大、延迟低、抗干扰等诸多优点，目前承担了约90％的远距离通信数据流量。鼓轮式布缆机是深海光缆敷设工程中机械系统中核心部分，它用于将光缆从缆盘中牵引出来并控制光缆以一定的速度进入海水中。由于海底地势不同，如何控制鼓轮式布缆机运行平稳高效地进行深海光缆的敷设施工，目前是一个急需解决的难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种深海光缆敷设用鼓轮式布缆机及其敷设方法，能够平稳高效地进行深海光缆的敷设施工。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一方面，一种深海光缆敷设用鼓轮式布缆机，包括：

布缆机本体，包括鼓轮机；

两台均配置有变频器驱动的电机，分别通过减速机连接并共同带动鼓轮机；

gps，用以测速定位；

水深仪，用以检测当前布缆深度；

光缆张力传感器，用以检测当前光缆张力；

plc，用以接收gps、水深仪、光缆张力检测器的实测数据，计算出当前敷设长度及所需布缆速度，对变频器发出电机控制信号，并保持两变频器给速一致；

工控机，与plc相连，对整个控制过程进行监控，并进行数据的存读。

所述两变频器还分别配置有一制动电阻。

所述变频器采用丹佛斯fc302系列变频器。

另一方面，一种上述布缆机的敷设控制方法，包括以下步骤：

根据实际地形，采用余量敷设控制方式将敷设线路划分为若干个区段，

通过gps、水深仪、光缆张力检测器分别进行测速定位、检测当前布缆深度、检测当前光缆张力；

通过plc接收gps、水深仪、光缆张力检测器的实测数据，计算出当前敷设长度及该区段所需布缆速度，对变频器发出电机控制信号，并保持两变频器给速一致；

通过工控机对整个控制过程进行监控，并进行数据的存读。

所述保持两变频器给速一致的方法为：通过短报文广播通信方式给定两台变频器相同的速度和启停信号，以保证两台变频器的给速一致，同时将1#变频器的转矩百分比以4-20ma模拟量信号输出到2#变频器，开启2#变频器的速度微调功能，使2#变频器在总线速度给定的基础上，根据1#变频器的负载情况叠加一个微调速度，进而动态随1#变频器的转矩相应变化，以实现1#和2#变频器的负载共享。

所述监控包括对光缆张力的实时监控，包括：通过光缆张力传感器将测得的光缆张力转换为4～20ma的信号传送给plc；及采用plc通过通信读取每台电机的输出转矩，计算出光缆的张力。

采用本发明的深海光缆敷设用鼓轮式布缆机，具有以下几个优点：

1、采用两台变频器驱动两台电机，通过刚性连接共同带动鼓轮机运转，实现了热备份，即使一台变频器跳闸停机也不会影响正常施工；

2、根据地形将敷设线路划分为若干个区段，进行余量敷设控制；

3、对光缆张力进行实时监控，以确保小于其破断张力，避免深海施工过程中发生光缆断裂将造成非常严重的损失。

4、采用远近两套工控机进行监控作业。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：

图1是本发明的变频器的安装原理示意图。

图2是本发明的plc控制原理示意图。

图3是本发明的变频器控制原理图。

图4是本发明的深海敷设所采用的不同光缆示意图。

具体实施方式

本发明的深海光缆敷设用鼓轮式布缆机如图1～图2所示，其主要包括：

布缆机本体，包括鼓轮机；

两台均配置有变频器驱动的电机，分别通过减速机连接并共同带动鼓轮机；两变频器分别用以驱动各自对应的电机，分别用以驱动两台电机，通过刚性连接共同带动鼓轮机运转，实现了热备份，即使一台变频器跳闸停机也不会影响正常施工。并且，与浅海状况不同，在深海条件下，由于光缆自身的重力，实际上在布缆过程中变频器处于制动发电状态，因此两台变频器各自配置了一个40kw制动电阻。

gps，用以测速定位，其中位置数据用于计算施工船只所走的路由长度，速度数据用于控制鼓轮机转速。gps设备以1hz的频率，将当前光缆入水点的经纬度和当前船速发送给plc。具体可采用gps设备的rs232接口经过台达ifd8500接口转换为更适合长距离传输的rs485接口，gps的报文长度大于100字节，因此采用台达的dvpscm12通信模块来完成数据的接收和初步处理工作，再由plc根据nmea协议规范从报文中提取数据。用到的报文包括：gpgga报文(其中包含经纬度信息)，gpvtg报文(其中包含船速信息)。

水深仪，用以检测当前布缆深度；

光缆张力传感器，用以检测当前光缆张力。光缆的张力需要实时监控，并确保小于其破断张力，否则深海施工过程中发生光缆断裂将造成非常严重的损失。控制系统中的张力信号有两路来源：光缆张力传感器和电机转矩。其中，光缆张力传感器将光缆张力转换为4～20ma的信号传送给plc；另外plc通过通信读取每台电机的输出转矩，再根据机械传动参数来估算出光缆的张力，闭环磁通矢量模式下可以得到精确的电机转矩。

plc，用以接收gps、水深仪、光缆张力检测器的实测数据，计算出当前敷设长度及所需布缆速度，对变频器发出电机控制信号，并保持两变频器给速一致；具体可采用台达sv2系列薄型plc，进行逻辑控制，解析gps数据等。sv2及其扩展模块采用的都是可拔插式端子，方便发生故障时快速替换。

工控机，与plc相连，对整个控制过程进行监控，并进行数据的存读。具体可采用远近各一组，其中1#工控机运行组态王软件，用于监视和控制，另外敷设数据(包括各路由区段的长度、敷设余量、张力保护值等)都直接存储于1#工控机中，借助access数据库完成大量敷设数据的录入和存储，记录运行状况及生成报表。2#工控机运行远程监控软件，实时监控1#工控机的画面，必要时也可以进行远程控制。

根据地形的复杂程度，实际施工线路往往划分了数十个甚至上百个区段，每个区段都要设置独立的船速、敷设余量、张力保护值等数据，这些庞大数据的录入和存储都由access数据库完成，利用组态王软件的数据库功能，自动根据gps数据计算当前所处的区段，并将该区段所对应的各个施工数据传递给plc。组态软件还每隔一定时间将施工中的运行数据保存下来，用户可选择生成相应时间段内的统计报表。记录的数据包括gps坐标、船速、电机电流、电机转矩、光缆张力等信息。

该变频器可采用丹佛斯fc302系列变频器，配合mco305运动控制卡实现电机的闭环磁通矢量控制，精确控制电机运转，同时完成光缆长度计算功能。丹佛斯fc302变频器的输入电压范围为380～500v±10％，可以有效应对船上电压不稳的问题；标配的3c3防腐蚀增强涂层和最高50℃的操作温度提升了变频器在恶劣工况下的可靠性。mco305使用的长线驱动型编码器，具备很好的抗干扰性能，并且变频器可以自动检测编码器是否发生故障以便及时进行处理。

而两台电机通过刚性连接拖动同一个负载时，需要使负载尽量平均分配到每台电机上，否则可能出现负载不平衡，甚至是转矩相反的情况，这在加减速的过程中尤其明显。仅仅确保两台电机的转速一致是不够的，为了解决这一问题，采用丹佛斯变频器的speedtrim(速度微调)功能。如图3所示：

通过短报文广播通信方式给定两台变频器相同的速度和启停信号，从而保证两台变频器的速度给定是完全一致的，同时将1#变频器的转矩百分比以4-20ma模拟量信号输出到2#变频器，开启2#变频器的speedtrim功能，这样2#变频器将在总线速度给定的基础上，根据1#变频器的负载情况叠加一个微调速度，进而动态“跟随”1#变频器的转矩变化，以实现和1#变频器的负载共享。

典型的深海光缆是由几种不同的光缆连接而成的，以满足不同水深环境的工作要求，结构如图4：

这几种不同的光缆在生产完成后就已经根据设计长度连接好了。因此虽然系统中变频器工作在速度模式，但是光缆的敷设长度也必须要精确控制，如果中途敷设光缆过多，可能导致最后登陆段光缆不够；如果中途敷设光缆过少，又可能导致用较脆弱的深海光缆登陆。深海光缆的敷设路径长度一般在几百甚至上千公里，登陆段使用的双层铠装光缆长度只有几公里，所以敷设长度的误差要在1％以内，因此为变频器加装mco305运动控制卡来得到电机的当前位置，并由plc通过通信读取，可再根据机械参数计算出已敷设的光缆长度。

综上所述，本发明的深海光缆敷设用鼓轮式布缆机及其敷设方法，采用完善的参数设置选项和监控功能保证了设备运行平稳高效，在试用中顺利的完成了数条深海光缆的敷设施工，且系统一直稳定运行，施工过程中未发生任何报警或停机。系统调试也十分简单易行，得到客户和业主的一致好评。

但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。