自升式海上風(fēng)電安裝船升降控制系統(tǒng)的設(shè)計-

1、自升式海上風(fēng)電安裝船升降控制系統(tǒng)的設(shè)計*王玲玲邱一龍沈鵬唐文獻(xiàn)齊繼陽(江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江212003The Design of Jacking Control System of Self-Elevating Offshore Wind Turbine Installation VesselWANG Ling-ling ,QIU Yi-long ,SHEN Peng ,TANG Wen-xian ,QI Ji-yang(School of Mechanical Engineering ,Jiangsu University of Science and Technology ,Zh

2、enjiang 212003,China 文章編號:1001-3997(201209-0054-03【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)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、調(diào)節(jié)船體平衡狀態(tài),并通過運行在上位機的WinCC 組態(tài)軟件實現(xiàn)對風(fēng)電安裝船的全過程監(jiān)控,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。試驗運行表明,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:分布式控制;PROFIBUS-DP

3、;平衡控制【Abstract 】Jacking control system is a key part of self-elevating offshore wind turbine installationvessel,whose stability guarantees the smoothly lifting and dropping of legs and vessel platform.Jacking con -trol system adopts the control system of PLC which is based on PROFIBUS-DP field bus a

4、nd the distribut -ed control strategy to achieve the control of lifting and dropping of vessel and legs ,regulating the balance of the vessel.In addition ,the operation of WinCC configuration software in the upper computer fulfills the whole process of monitoring the wind turbine installation vessel

5、,including working condition and fault in -formation of field device such as the working pressure,oil temperature and liquid level of hydraulic system.Through the research ,it is proved that the control system has the advantages of high reliability,safety,and simple structure ,satisfying the jacking

6、 requirements of the vessel platform.Key Words :Distributed Control ;PROFIBUS-DP ;Automatic Balance Control中圖分類號:TH16;U674.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A*來稿日期:2011-11-25*基金項目:江蘇省科技支撐計劃(BE2009118;江蘇科技大學(xué)研究生創(chuàng)新計劃資金資助1引言隨著環(huán)保問題的日益加劇和能源供應(yīng)的不足,風(fēng)能作為一種綠色能源越來越受到重視。目前對風(fēng)電的開發(fā)利用已從陸地延伸到海上,海上風(fēng)電場應(yīng)運而生并迅速發(fā)展1-2。風(fēng)電設(shè)備安裝船作為建設(shè)海上風(fēng)電場的關(guān)鍵裝備,其開發(fā)利用也引起關(guān)

7、注與重視。自升式安裝船既能自主航行,實現(xiàn)運輸功能,又能像自升式平臺一樣升降,為海上作業(yè)提供穩(wěn)定工作平臺,完成多種作業(yè)任務(wù),因此自升式安裝船在海洋風(fēng)電安裝中得到廣泛應(yīng)用3?，F(xiàn)有的自升式海洋平臺升降控制系統(tǒng)一般采用集中控制。而這種控制系統(tǒng)非常脆弱,一旦服務(wù)器由于斷電、系統(tǒng)故障或其他因素引發(fā)故障,與其相連的整個生產(chǎn)過程就會全面癱瘓4。而且位于不同地理位置上的設(shè)備或工作環(huán)境發(fā)生改變時,由于長距離傳輸信號衰減等因素,集中控制無法做出快速響應(yīng)。因而控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng),并能進(jìn)行單獨控制和協(xié)同控制。系統(tǒng)選用西門子S7-300系列PLC 作為主控制器,在各升降節(jié)點布置S7-200從站,通過PROFIBU

8、S-DP 現(xiàn)場總線組成控制網(wǎng)絡(luò),并通過WinCC (Windows Control Center 組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng),以實現(xiàn)人機交互,全過程監(jiān)控,全自動實現(xiàn)船體及樁腿的升降控制、船體平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)、系統(tǒng)的過程顯示和故障報警等功能。2升降原理自升式海上風(fēng)電安裝船,選擇近海(30m 水深左右海況,根據(jù)4臺5MW 風(fēng)機的安裝容量設(shè)計的船型,并配備一臺能力為400t 的起重吊機。該船為四樁腿式的,樁腿是圓形殼體式,帶有樁靴的結(jié)構(gòu)。采用的是齒輪齒條升降裝置,安裝船每根樁腿上設(shè)置2根齒條,對應(yīng)每根齒條上配備3個小齒輪。升降裝置安裝在樁腿和船體平臺的交接處的四個角點,驅(qū)動升降裝置能使樁腿和船體平臺作相對的

9、上下運動。升降裝置也有把船體平臺固定在樁腿某一位置的作用。船體結(jié)構(gòu),如圖1所示。齒輪齒條升降裝置的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。當(dāng)船體漂浮于水面時,驅(qū)動齒輪可使樁腿升降,而當(dāng)樁腿支承于海底時,驅(qū)動齒輪則使船體升降。自升式安裝船工作原理為:船體通過升降系統(tǒng)將樁腿伸入海底,當(dāng)樁腿到達(dá)海底時,能將船身升離水面一定距離以承載船體重量,為海洋作業(yè)提供一個平穩(wěn)的工作平臺。在到達(dá)工作位置后的一般升降程序是:放樁、預(yù)壓、升起船體、降下船體、拔樁、提樁。Machinery Design &Manufacture機械設(shè)計與制造第9期2012年9月54齒條齒輪

10、固樁架樁腿樁靴圖1船體結(jié)構(gòu)圖升降系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù):安裝船正常工作承受重量/腿2000t;安裝船預(yù)壓承受重量/腿4000t;船體提升速度0.3m/min;最大放樁速度0.6m/min。液壓系統(tǒng)是為整個升降系統(tǒng)提供動力,該海上風(fēng)電船為4樁腿,每條樁腿上配有1套單獨的液壓系統(tǒng)。整個液壓升降系統(tǒng)由4套單獨的系統(tǒng)并聯(lián)而成,其中共同使用油箱、補油泵等提供液壓油源設(shè)備。單個樁腿液壓原理,如圖2所示。船體和平臺的升降速度由伺服閥控制主泵來實現(xiàn),4個樁腿的方向和相對速度由比例換向閥來控制,液壓馬達(dá)剎車裝置的松開和雙速液壓馬達(dá)的變速由電磁換向閥分別控制。M圖2單個樁腿液壓原理圖在整個升降過程中,控制系統(tǒng)需要精確

11、顯示和調(diào)節(jié)船體和樁腿的升降速度、升降距離;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,可靠地控制每一根樁腿的升降。由于樁腿重量分配不均,四個樁腿升降誤差不可避免,所以在船體平臺升降過程中出現(xiàn)傾斜在所難免,但嚴(yán)重的傾斜會對平臺造成危險,因此在自動控制狀態(tài)下,必須嚴(yán)格限制平臺的傾斜程度5。3控制系統(tǒng)設(shè)計3.1方案設(shè)計升降系統(tǒng)的四套液壓升降裝置布置在樁腿與船體平臺交接的四個角點,各節(jié)點的距離相隔比較遠(yuǎn)。針對升降系統(tǒng)的布置特點,選擇分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),由主控制器和四個樁邊控制器組成。主控制器由上位機、S7-300可編程控制器(主站等組成。上位機上裝有西門子組態(tài)軟件WinCC并

12、且安裝有通訊卡?？紤]到處理信號比較多,為保證通訊的實時性,在四個升降點分別布置S7-200可編程控制器(從站作為樁邊的控制器。利用PROFIBUS現(xiàn)場總線連接主PLC和從站PLC,實現(xiàn)主站和從站的數(shù)據(jù)傳輸,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的單獨控制和協(xié)同控制,即在主控制器出現(xiàn)故障的情況下,樁邊控制器也可以對其相應(yīng)的樁腿進(jìn)行作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)原理框圖,如圖3所示。PROFIBUS現(xiàn)場總線就地控制1#點S7-200PLC就地控制2#點S7-200PLC就地控制3#點S7-200PLC就地控制4#點S7-200PLCIPC S7-300PLCMPI開關(guān)量輸入模擬量輸入開關(guān)量輸出模擬量輸出就地控制按鈕行程限位信號故障報警信號

13、液位報警信號位移傳感器信號壓力傳感器信號速度傳感器信號油溫報警信號油泵工作指示電磁閥信號故障處理信號比例換向閥信號圖3控制系統(tǒng)原理框圖而對于船體的自動平衡控制原理則采用雙軸傾角儀不斷地測量平臺的傾斜度,當(dāng)傾斜超出設(shè)定值時,通過PLC的平臺平衡控制程序?qū)Ω鱾€比例換向閥的控制調(diào)節(jié)樁腿的速度,使得傾斜度回到設(shè)定值內(nèi)。3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)通信包括上位機和主站的通信、主站和從站的通信。上位機和主站通信采用MPI(Multi Point Interface網(wǎng)絡(luò)。MPI 是多點接口的簡稱,MPI的物理層符合RS485標(biāo)準(zhǔn),通信速率為19.2kbit/s12Mbit/s;主站和從站的通信采用PROF

14、IBUS-DP現(xiàn)場總線。(1PROFIBUS-DP通信協(xié)議PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接,是專為自動控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備之間通信設(shè)計的。PROFIBUS-DP使用OSI參考模型的第一層、第二層和用戶接口層,并未使用第三層到第七層,這種結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)的高速傳輸6-8。物理層采用RS-485或者光線傳輸。(2主從站通信控制系統(tǒng)中的主-從站間的通信采用單主站形式。主站和從站之間的通信采用主從方式,主站以輪詢列表的方式訪問所有從站,并與從站周期性地交換數(shù)據(jù)9。系統(tǒng)中,主站和從站的通訊是主站PLC和從站PLC之間的通訊。主站不是直接訪問從站PLC 的輸入輸出地址區(qū),而是訪問從站PLC專

15、門用于通信的輸入輸出映像區(qū),由從站PLC處理該地址區(qū)與實際的輸入輸出之間的數(shù)據(jù)交換。其中,主站S7-300與從站S7-200的PROFIBUS-DP 通訊是通過模塊EM277進(jìn)行的。第9期王玲玲等:自升式海上風(fēng)電安裝船升降控制系統(tǒng)的設(shè)計55需要在STEP7中對S7-300站組態(tài),在S7-200中不需要對通訊進(jìn)行組態(tài)和編程,只需將要進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)整理存放在V 存儲區(qū)與S7-300的組態(tài)EM277從站時的硬件I/O 地址相對應(yīng)就可以了10。PLC 控制器通過控制軟件對升降裝置施以邏輯控制。控制系統(tǒng)中,集中控制臺與樁邊控制臺既相互聯(lián)系,又具有獨立性,即在集中控制臺出現(xiàn)故障的情況下,樁邊控制臺也可以對

16、其相應(yīng)的樁腿進(jìn)行作業(yè)。系統(tǒng)控制軟件主要功能有手動控制功能和自動控制功能。手動控制功能時,四個樁腿可以分別控制,也可以同時控制;有六種操縱方式,即:樁腿上升,樁腿下降,平臺上升,平臺下降,樁腿拔出和預(yù)壓載。自動控制功能可以實現(xiàn)單樁腿或多樁腿自動上升或下降,平臺自動上升或下降,共四種操縱方式;樁腿上升或下降的自動操縱完全自動進(jìn)行,且可以各自獨立;在平臺上升或下降的自動操縱過程中,為實現(xiàn)平臺準(zhǔn)確快速的調(diào)平,采用雙軸傾角傳感器測量平臺的傾斜狀況,并將數(shù)值反饋到PLC ,PLC 根據(jù)數(shù)值與預(yù)先設(shè)定好的水平精度值作比較,若超過設(shè)定范圍時,通過PID 算法控制比例換向閥流量大小來調(diào)節(jié)各個樁腿速度實現(xiàn)穩(wěn)定快速

17、的自動平衡。監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC 組態(tài)軟件編寫的。監(jiān)控系統(tǒng)是為了使操作人員能直觀的了解現(xiàn)場工作的狀況。實時顯示現(xiàn)場設(shè)備的工作數(shù)據(jù),如升降系統(tǒng)的各種參數(shù)和狀態(tài)。并能提供報警故障等功能,同時可以發(fā)送控制指令,本監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖,如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)用戶登錄操縱模式狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)歸檔表格形式顯示變量趨勢形式顯示變量歸檔運行中的數(shù)值自動運行模式手動運行模式用戶權(quán)限設(shè)置報警消息顯示圖4監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖WinCC 是視窗控制中心的簡稱,它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、過程值歸檔、消息系統(tǒng)及報表系統(tǒng)等強大功能。它是一個集成的人機界面(HMI 系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng),可與世界上主要控制器廠商的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)通信1

18、1。WinCC 為各種PLC 提供驅(qū)動軟件,因此使PLC 與上位機的聯(lián)接變得非常容易。系統(tǒng)把WinCC 與STEP7合用,在STEP7中配置的變量可以在與WinCC 的聯(lián)接時直接使用,更是大幅度降低了工程時間。在變量管理器中選擇添加PLC 的驅(qū)動程序,選擇支持S7協(xié)議的通訊驅(qū)動程序SIMATIC S7Protocol Suite ,直接采用工控機上安裝的網(wǎng)卡設(shè)備;最后,在控制面板的PG/PC 中設(shè)置與WinCC 連接的S7-300PLC 的地址,選擇已安裝的網(wǎng)卡即可實現(xiàn)雙方通訊。自動控制模式下的監(jiān)控畫面,如圖5所示?？梢燥@示船體和各個樁腿的升降速度、升降距離,船體的傾斜度,電機的電流、功率,各

19、個齒輪的負(fù)載和溫度,以及液壓系統(tǒng)的工作壓力、油溫、油箱液位等信息。圖5自動控制的監(jiān)控畫面升降系統(tǒng)的各種參數(shù)和狀態(tài)由PLC 采集后,監(jiān)控系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)獲得現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù),也可以根據(jù)操作人員的要求發(fā)送控制指令,再由PLC 按一定的控制策略優(yōu)化處理后,控制升降系統(tǒng)。4結(jié)束語以自升式安裝船體的升降系統(tǒng)作為控制對象,分析了升降系統(tǒng)的工作原理,構(gòu)建了基于PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線的PLC 控制系統(tǒng),并介紹了硬件組態(tài)、程序設(shè)計、監(jiān)控系統(tǒng)等方面內(nèi)容。經(jīng)過試驗運行,本系統(tǒng)通訊實時性好,可靠性高,操作簡單,很好的滿足升降系統(tǒng)的控制要求。參考文獻(xiàn)1Michler-Cieluch T ,Krause

20、G ,Buck B H.Reflections on Integrating Oper-ation and Maintenance Activities of Offshore Wind Farms and Maricultur-e J .Ocean &Coastal Management ,2009,52(1:57-68.2Simon -Philippe Breton ,Geir Moe.Status ,Plans and Technologies forOffshore Wind Turbines in Europe and North America J .Renewable Energy ,2009,34(3:646-654.3趙亞楠,郝軍,汪莉.自升式風(fēng)電安裝船樁腿及升降系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展J .船舶工程,2010,32(1:1-4.4楊鵬.基于網(wǎng)絡(luò)的集中控制和分散控制的探討J .長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)