自升式海上风电安装船升降控制系统的设计-

1、自升式海上风电安装船升降控制系统的设计*王玲玲邱一龙沈鹏唐文献齐继阳(江苏科技大学机械工程学院,镇江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 文章编号:1001-3997(201209-0054-03【摘要】升降控制系统是自升式风电安装船升降装置中的关键部分,其稳定性是桩腿和船体平台顺利实现升降的保证。采用基于PROFIBUS-DP 现场总线的PLC 控制系统及分布式控制策略,进行海上风电安装船体和桩腿的升降控制、调节船体平衡状态,并通过运行在上位机的WinCC 组态软件实现对风电安装船的全过程监控,包括液压系统的工作压力、工作油温、油箱液位等现场设备的工作状态和故障信息。试验运行表明,该系统可靠性和安全性高,结构简单,能够满足船体平台的升降要求。关键词: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中图分类号:TH16;U674.2文献标识码:A*来稿日期:2011-11-25*基金项目:江苏省科技支撑计划(BE2009118;江苏科技大学研究生创新计划资金资助1引言随着环保问题的日益加剧和能源供应的不足,风能作为一种绿色能源越来越受到重视。目前对风电的开发利用已从陆地延伸到海上,海上风电场应运而生并迅速发展1-2。风电设备安装船作为建设海上风电场的关键装备,其开发利用也引起关

7、注与重视。自升式安装船既能自主航行,实现运输功能,又能像自升式平台一样升降,为海上作业提供稳定工作平台,完成多种作业任务,因此自升式安装船在海洋风电安装中得到广泛应用3。现有的自升式海洋平台升降控制系统一般采用集中控制。而这种控制系统非常脆弱,一旦服务器由于断电、系统故障或其他因素引发故障,与其相连的整个生产过程就会全面瘫痪4。而且位于不同地理位置上的设备或工作环境发生改变时,由于长距离传输信号衰减等因素,集中控制无法做出快速响应。因而控制系统采用分布式控制系统,并能进行单独控制和协同控制。系统选用西门子S7-300系列PLC 作为主控制器,在各升降节点布置S7-200从站,通过PROFIBU

8、S-DP 现场总线组成控制网络,并通过WinCC (Windows Control Center 组态软件开发监控系统,以实现人机交互,全过程监控,全自动实现船体及桩腿的升降控制、船体平衡状态的调节、系统的过程显示和故障报警等功能。2升降原理自升式海上风电安装船,选择近海(30m 水深左右海况,根据4台5MW 风机的安装容量设计的船型,并配备一台能力为400t 的起重吊机。该船为四桩腿式的,桩腿是圆形壳体式,带有桩靴的结构。采用的是齿轮齿条升降装置,安装船每根桩腿上设置2根齿条,对应每根齿条上配备3个小齿轮。升降装置安装在桩腿和船体平台的交接处的四个角点,驱动升降装置能使桩腿和船体平台作相对的

9、上下运动。升降装置也有把船体平台固定在桩腿某一位置的作用。船体结构,如图1所示。齿轮齿条升降装置的齿条沿桩腿筒体铺设,而与齿条相啮合的小齿轮安装在齿轮架上,并由液压马达经减速齿轮驱动。当船体漂浮于水面时,驱动齿轮可使桩腿升降,而当桩腿支承于海底时,驱动齿轮则使船体升降。自升式安装船工作原理为:船体通过升降系统将桩腿伸入海底,当桩腿到达海底时,能将船身升离水面一定距离以承载船体重量,为海洋作业提供一个平稳的工作平台。在到达工作位置后的一般升降程序是:放桩、预压、升起船体、降下船体、拔桩、提桩。Machinery Design &Manufacture机械设计与制造第9期2012年9月54

10、齿条齿轮固桩架桩腿桩靴图1船体结构图升降系统的主要技术参数:安装船正常工作承受重量/腿2000t;安装船预压承受重量/腿4000t;船体提升速度0.3m/min;最大放桩速度0.6m/min。液压系统是为整个升降系统提供动力,该海上风电船为4桩腿,每条桩腿上配有1套单独的液压系统。整个液压升降系统由4套单独的系统并联而成,其中共同使用油箱、补油泵等提供液压油源设备。单个桩腿液压原理,如图2所示。船体和平台的升降速度由伺服阀控制主泵来实现,4个桩腿的方向和相对速度由比例换向阀来控制,液压马达刹车装置的松开和双速液压马达的变速由电磁换向阀分别控制。M图2单个桩腿液压原理图在整个升降过程中,控制系统

11、需要精确显示和调节船体和桩腿的升降速度、升降距离;液压系统的工作压力、工作油温、油箱液位等现场设备的工作状态和故障信息,可靠地控制每一根桩腿的升降。由于桩腿重量分配不均,四个桩腿升降误差不可避免,所以在船体平台升降过程中出现倾斜在所难免,但严重的倾斜会对平台造成危险,因此在自动控制状态下,必须严格限制平台的倾斜程度5。3控制系统设计3.1方案设计升降系统的四套液压升降装置布置在桩腿与船体平台交接的四个角点,各节点的距离相隔比较远。针对升降系统的布置特点,选择分布式控制系统结构,由主控制器和四个桩边控制器组成。主控制器由上位机、S7-300可编程控制器(主站等组成。上位机上装有西门子组态软件Wi

12、nCC并且安装有通讯卡。考虑到处理信号比较多,为保证通讯的实时性,在四个升降点分别布置S7-200可编程控制器(从站作为桩边的控制器。利用PROFIBUS现场总线连接主PLC和从站PLC,实现主站和从站的数据传输,从而实现系统的单独控制和协同控制,即在主控制器出现故障的情况下,桩边控制器也可以对其相应的桩腿进行作业。控制系统原理框图,如图3所示。PROFIBUS现场总线就地控制1#点S7-200PLC就地控制2#点S7-200PLC就地控制3#点S7-200PLC就地控制4#点S7-200PLCIPC S7-300PLCMPI开关量输入模拟量输入开关量输出模拟量输出就地控制按钮行程限位信号故障

13、报警信号液位报警信号位移传感器信号压力传感器信号速度传感器信号油温报警信号油泵工作指示电磁阀信号故障处理信号比例换向阀信号图3控制系统原理框图而对于船体的自动平衡控制原理则采用双轴倾角仪不断地测量平台的倾斜度,当倾斜超出设定值时,通过PLC的平台平衡控制程序对各个比例换向阀的控制调节桩腿的速度,使得倾斜度回到设定值内。3.2控制系统软件设计3.2.1网络通信控制系统通信包括上位机和主站的通信、主站和从站的通信。上位机和主站通信采用MPI(Multi Point Interface网络。MPI 是多点接口的简称,MPI的物理层符合RS485标准,通信速率为19.2kbit/s12Mbit/s;主

14、站和从站的通信采用PROFIBUS-DP现场总线。(1PROFIBUS-DP通信协议PROFIBUS-DP是一种经过优化的高速通信连接,是专为自动控制系统和现场设备之间通信设计的。PROFIBUS-DP使用OSI参考模型的第一层、第二层和用户接口层,并未使用第三层到第七层,这种结构确保了数据的高速传输6-8。物理层采用RS-485或者光线传输。(2主从站通信控制系统中的主-从站间的通信采用单主站形式。主站和从站之间的通信采用主从方式,主站以轮询列表的方式访问所有从站,并与从站周期性地交换数据9。系统中,主站和从站的通讯是主站PLC和从站PLC之间的通讯。主站不是直接访问从站PLC 的输入输出地

15、址区,而是访问从站PLC专门用于通信的输入输出映像区,由从站PLC处理该地址区与实际的输入输出之间的数据交换。其中,主站S7-300与从站S7-200的PROFIBUS-DP 通讯是通过模块EM277进行的。第9期王玲玲等:自升式海上风电安装船升降控制系统的设计55需要在STEP7中对S7-300站组态,在S7-200中不需要对通讯进行组态和编程,只需将要进行通讯的数据整理存放在V 存储区与S7-300的组态EM277从站时的硬件I/O 地址相对应就可以了10。3.2.2控制程序PLC 控制器通过控制软件对升降装置施以逻辑控制。控制系统中,集中控制台与桩边控制台既相互联系,又具有独立性,即在集

16、中控制台出现故障的情况下,桩边控制台也可以对其相应的桩腿进行作业。系统控制软件主要功能有手动控制功能和自动控制功能。手动控制功能时,四个桩腿可以分别控制,也可以同时控制;有六种操纵方式,即:桩腿上升,桩腿下降,平台上升,平台下降,桩腿拔出和预压载。自动控制功能可以实现单桩腿或多桩腿自动上升或下降,平台自动上升或下降,共四种操纵方式;桩腿上升或下降的自动操纵完全自动进行,且可以各自独立;在平台上升或下降的自动操纵过程中,为实现平台准确快速的调平,采用双轴倾角传感器测量平台的倾斜状况,并将数值反馈到PLC ,PLC 根据数值与预先设定好的水平精度值作比较,若超过设定范围时,通过PID 算法控制比例

17、换向阀流量大小来调节各个桩腿速度实现稳定快速的自动平衡。3.2.3监控系统监控系统采用WinCC 组态软件编写的。监控系统是为了使操作人员能直观的了解现场工作的状况。实时显示现场设备的工作数据,如升降系统的各种参数和状态。并能提供报警故障等功能,同时可以发送控制指令,本监控系统的功能框图,如图4所示。控制系统用户登录操纵模式状态显示数据归档表格形式显示变量趋势形式显示变量归档运行中的数值自动运行模式手动运行模式用户权限设置报警消息显示图4监控系统的功能框图WinCC 是视窗控制中心的简称,它提供了适用于工业的图形显示、过程值归档、消息系统及报表系统等强大功能。它是一个集成的人机界面(HMI 系

18、统和监控管理系统,可与世界上主要控制器厂商的产品进行数据通信11。WinCC 为各种PLC 提供驱动软件,因此使PLC 与上位机的联接变得非常容易。系统把WinCC 与STEP7合用,在STEP7中配置的变量可以在与WinCC 的联接时直接使用,更是大幅度降低了工程时间。在变量管理器中选择添加PLC 的驱动程序,选择支持S7协议的通讯驱动程序SIMATIC S7Protocol Suite ,直接采用工控机上安装的网卡设备;最后,在控制面板的PG/PC 中设置与WinCC 连接的S7-300PLC 的地址,选择已安装的网卡即可实现双方通讯。自动控制模式下的监控画面,如图5所示。可以显示船体和各

19、个桩腿的升降速度、升降距离,船体的倾斜度,电机的电流、功率,各个齿轮的负载和温度,以及液压系统的工作压力、油温、油箱液位等信息。图5自动控制的监控画面升降系统的各种参数和状态由PLC 采集后,监控系统通过现场总线网络获得现场设备的实时数据,也可以根据操作人员的要求发送控制指令,再由PLC 按一定的控制策略优化处理后,控制升降系统。4结束语以自升式安装船体的升降系统作为控制对象,分析了升降系统的工作原理,构建了基于PROFIBUS-DP 现场总线的PLC 控制系统,并介绍了硬件组态、程序设计、监控系统等方面内容。经过试验运行,本系统通讯实时性好,可靠性高,操作简单,很好的满足升降系统的控制要求。

20、参考文献1Michler-Cieluch T ,Krause 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赵亚楠,郝军,汪莉.自升式风电安装船桩腿及升降系统现状与发展J .船舶工程,2010,32(1:1-4.4杨鹏.基于网络的集中控制和分散控制的探讨J .长沙通信职