自鎖式海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研制

楊尚宇 劉樹龍 宋新宇 楊柳

【摘?要】升降控制系統(tǒng)是自升式風(fēng)電安裝船升降裝置中的關(guān)鍵部分，其穩(wěn)定性是樁腿和船體平臺順利實(shí)現(xiàn)升降的保證。采用基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的PLC控制系統(tǒng)[1]及分布式控制策略，進(jìn)行海上風(fēng)電安裝船體和樁腿的升降控制[2]、調(diào)節(jié)船體平衡狀態(tài)，并通過運(yùn)行在上位機(jī)的WinCC組態(tài)軟件[3]實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電安裝船的全過程檢測，包括液壓系統(tǒng)的工作壓力、工作油溫、油箱液位等現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)和故障信息。試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可靠性和安全性高，結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足船體平臺的升降要求。

【關(guān)鍵詞】PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線;WinCC組態(tài)軟件;液壓系統(tǒng);

引言

對于升降控制系統(tǒng)，六十年代以來，國外各公司陸續(xù)推出了采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋平臺控制系統(tǒng)，如荷蘭和美國公司的未來型系統(tǒng)。七十年代荷蘭公司推出了專用于海洋平臺控制的計(jì)算機(jī)分散式控制系統(tǒng)，完成起升系統(tǒng)控制和系統(tǒng)監(jiān)測等全部自動(dòng)化任務(wù)。升降系統(tǒng)是海洋平臺控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，國外海洋平臺己經(jīng)廣泛采用了PLC控制其升降系統(tǒng)，又開始應(yīng)用PLC組成局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海上風(fēng)機(jī)安裝基本都是由自升式起重平臺和浮式起重船兩類工程船舶完成的，船舶可以具備自航能力，也可以是非自航。采用何種方式安裝風(fēng)機(jī)，取決于水深、起重能力和船舶的可用性。選擇近海（30m水深左右）海況，根據(jù)4臺5MW風(fēng)機(jī)的安裝容量設(shè)計(jì)的船型，并配備一臺能力為400t的起重吊機(jī)，設(shè)計(jì)4個(gè)樁腿（具有樁靴）及其升降系統(tǒng)。在工作現(xiàn)場，樁腿插入海底支撐并固定船舶，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條升降裝置可以調(diào)整船舶升離水面一定距離，形成不受波浪影響的穩(wěn)定平臺，并由起重吊機(jī)完成對風(fēng)機(jī)的吊裝[3]。該系統(tǒng)由一組機(jī)械傳動(dòng)裝置及其相應(yīng)的控制單元完成。

1.1機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)：

機(jī)械傳動(dòng)裝置由超大模數(shù)的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置鎖緊機(jī)構(gòu)組成。齒條沿樁腿筒體鋪設(shè)，而與齒條相嚙合的小齒輪安裝在齒輪架上，并由液壓馬達(dá)經(jīng)減速齒輪驅(qū)動(dòng)。該裝置能使樁腿和船體作相對的上下運(yùn)動(dòng)，并保持二者的相對位置。當(dāng)船體漂浮于水面時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪可使樁腿升降，而當(dāng)樁腿支承于海底時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪則使船體升降。

1.2位置鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：

位置鎖緊機(jī)構(gòu)采用一段齒條與升降齒條嚙合來實(shí)現(xiàn)，并在每條樁腿上對稱放置一對鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的功能是當(dāng)安裝船升或降到指定位置時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)抱死樁腿，使安裝船與樁腿保持相對位置。同時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)具有機(jī)械自鎖功能，在電力系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的異常情況下，保證升降系統(tǒng)的安全。本裝置采用超大模數(shù)的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有承載能力大、連續(xù)升降平穩(wěn)、升降速度快、操作靈活的特點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對升降系統(tǒng)的功能需求及布置特點(diǎn)，船體及樁腿的升降過程控制、船體平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)、升降系統(tǒng)工作過程的監(jiān)控等，通過研發(fā)基于PROFIBUS的分布式控制系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)。該分布式控制系統(tǒng)由主控制器和四個(gè)樁腿控制器組成。主控制器由上位機(jī)、S7-300可編程控制器（主站PLC）等組成。

2.1上位機(jī)通訊設(shè)計(jì)：

上位機(jī)上裝有西門子組態(tài)軟件WinCC并且安裝有通訊卡?？紤]到處理信號比較多，為保證通訊的實(shí)時(shí)性，以 S7-200可編程控制器（從站PLC）作為樁腿控制器。利用PROFIBUS現(xiàn)場總線連接主站PLC和從站PLC，實(shí)現(xiàn)主站和從站的通信和數(shù)據(jù)傳輸?？刂葡到y(tǒng)具有單獨(dú)控制和協(xié)同控制的特點(diǎn)，即在主控制器出現(xiàn)故障的情況下，樁腿控制器也可以對其相應(yīng)的樁腿進(jìn)行作業(yè)。并且，系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性好，能在設(shè)備高度分散的情況下進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)。

2.2平衡控制方案設(shè)計(jì)：

在船體上升或下降的自動(dòng)操縱過程中，為實(shí)現(xiàn)船體準(zhǔn)確快速的調(diào)平，提出提出了一種船體平衡控制方案。采用雙軸傾角傳感器測量船體的傾斜狀況，并將數(shù)值反饋到主站PLC，若超過精度范圍時(shí)，通過PID算法控制調(diào)節(jié)各個(gè)樁腿速度實(shí)現(xiàn)船體的自動(dòng)平衡。該平衡控制方案的協(xié)調(diào)性好，穩(wěn)定性高，響應(yīng)速度快，有較好的抗干擾能力和良好的控制精度。

3 結(jié)論

該升降系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化控制，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電安裝船的自動(dòng)化控制，并通過運(yùn)行在上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電安裝船的全過程監(jiān)控，具有很高的可靠性和安全性的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，加工制造成本低，完全能夠滿足船體平臺的升降要求。通過對海上風(fēng)電安裝船的升降系統(tǒng)研發(fā)，掌握自主研發(fā)的自升技術(shù)，可以突破海上風(fēng)機(jī)的安裝技術(shù)瓶頸，有利于降低海上風(fēng)電成本，有利于綠色能源的開發(fā)和利用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。且國內(nèi)建造的自升式海洋平臺及其控制系統(tǒng)幾乎全部由國外廠商供貨。因此，自升式海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研究，對于我國自行設(shè)計(jì)和建造自升式海上風(fēng)電安裝船具有特別重要的意義。其研究成果將對自升式海洋升降機(jī)構(gòu)的國產(chǎn)化提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。且該技術(shù)對于其他結(jié)構(gòu)形式的自升式平臺同樣適用，具有廣闊的市場應(yīng)用前景

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣杉，吳劍威.WinCC組態(tài)軟件在PLC課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，38（03）：101-102+124.

[2]何文燦. 基于Web的海上風(fēng)電安裝船遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].江蘇科技大學(xué)，2014.

[3]王卓君，閆文，史蔚彪.基于WINCC的涂料灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（11）：55-57+75.

作者簡介：

楊尚宇（1999-），男，山東省濟(jì)寧人，本科學(xué)士，研究方向：機(jī)械工程技術(shù)。

劉樹龍（1983-），男，山東省臨沂人，碩士，副教授，研究方向：軟件工程。

宋新宇（1998-），男，山東省煙臺市人，學(xué)士，研究方向：機(jī)械電子工程。

楊柳（1999-），男，山東省臨沂市人，學(xué)士，研究方向：機(jī)械工程技術(shù)。

基金項(xiàng)目：

該項(xiàng)目由青島黃海學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《自鎖式海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研制》（X202013320074）支持。

（作者單位：青島黃海學(xué)院）