自锁式海上风电安装船升降系统的研制

杨尚宇 刘树龙 宋新宇 杨柳

【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[1]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[2]、调节船体平衡状态，并通过运行在上位机的WinCC组态软件[3]实现对风电安装船的全过程检测，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】PROFIBUS-DP现场总线;WinCC组态软件;液压系统;

引言

对于升降控制系统，六十年代以来，国外各公司陆续推出了采用网络技术的海洋平台控制系统，如荷兰和美国公司的未来型系统。七十年代荷兰公司推出了专用于海洋平台控制的计算机分散式控制系统，完成起升系统控制和系统监测等全部自动化任务。升降系统是海洋平台控制系统的一个重要环节。目前，国外海洋平台己经广泛采用了PLC控制其升降系统，又开始应用PLC组成局域网来实现这一任务。

1硬件系统设计

海上风机安装基本都是由自升式起重平台和浮式起重船两类工程船舶完成的，船舶可以具备自航能力，也可以是非自航。采用何种方式安装风机，取决于水深、起重能力和船舶的可用性。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，设计4个桩腿（具有桩靴）及其升降系统。在工作现场，桩腿插入海底支撑并固定船舶，通过液压系统驱动齿轮齿条升降装置可以调整船舶升离水面一定距离，形成不受波浪影响的稳定平台，并由起重吊机完成对风机的吊装[3]。该系统由一组机械传动装置及其相应的控制单元完成。

1.1机械传动装置设计：

机械传动装置由超大模数的齿轮齿条传动机构、位置锁紧机构组成。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。该装置能使桩腿和船体作相对的上下运动，并保持二者的相对位置。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。

1.2位置锁紧机构设计：

位置锁紧机构采用一段齿条与升降齿条啮合来实现，并在每条桩腿上对称放置一对锁紧机构，该机构的功能是当安装船升或降到指定位置时，锁紧机构抱死桩腿，使安装船与桩腿保持相对位置。同时，锁紧机构具有机械自锁功能，在电力系统或液压系统发生故障的异常情况下，保证升降系统的安全。本装置采用超大模数的齿轮齿条传动机构，具有承载能力大、连续升降平稳、升降速度快、操作灵活的特点。

2 控制系统设计

针对升降系统的功能需求及布置特点，船体及桩腿的升降过程控制、船体平衡状态的调节、升降系统工作过程的监控等，通过研发基于PROFIBUS的分布式控制系统予以实现。该分布式控制系统由主控制器和四个桩腿控制器组成。主控制器由上位机、S7-300可编程控制器（主站PLC）等组成。

2.1上位机通讯设计：

上位机上装有西门子组态软件WinCC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，以 S7-200可编程控制器（从站PLC）作为桩腿控制器。利用PROFIBUS现场总线连接主站PLC和从站PLC，实现主站和从站的通信和数据传输。控制系统具有单独控制和协同控制的特点，即在主控制器出现故障的情况下，桩腿控制器也可以对其相应的桩腿进行作业。并且，系统具有可扩展性强，环境适应性好，能在设备高度分散的情况下进行控制的优点。

2.2平衡控制方案设计：

在船体上升或下降的自动操纵过程中，为实现船体准确快速的调平，提出提出了一种船体平衡控制方案。采用双轴倾角传感器测量船体的倾斜状况，并将数值反馈到主站PLC，若超过精度范围时，通过PID算法控制调节各个桩腿速度实现船体的自动平衡。该平衡控制方案的协调性好，稳定性高，响应速度快，有较好的抗干扰能力和良好的控制精度。

3 结论

该升降系统采用网络化控制，实现海上风电安装船的自动化控制，并通过运行在上位机的监控系统实现对风电安装船的全过程监控，具有很高的可靠性和安全性的特点，结构简单，加工制造成本低，完全能够满足船体平台的升降要求。通过对海上风电安装船的升降系统研发，掌握自主研发的自升技术，可以突破海上风机的安装技术瓶颈，有利于降低海上风电成本，有利于绿色能源的开发和利用，经济效益和社会效益明显。且国内建造的自升式海洋平台及其控制系统几乎全部由国外厂商供货。因此，自升式海上风电安装船升降系统的研究，对于我国自行设计和建造自升式海上风电安装船具有特别重要的意义。其研究成果将对自升式海洋升降机构的国产化提供强大的技術支持。且该技术对于其他结构形式的自升式平台同样适用，具有广阔的市场应用前景

参考文献：

[1]蒋杉，吴剑威.WinCC组态软件在PLC课程教学中的应用[J].合肥师范学院学报，2020，38（03）：101-102+124.

[2]何文灿. 基于Web的海上风电安装船远程监控系统研究[D].江苏科技大学，2014.

[3]王卓君，闫文，史蔚彪.基于WINCC的涂料灌装生产线控制系统设计[J].机电工程技术，2020，49（11）：55-57+75.

作者简介：

杨尚宇（1999-），男，山东省济宁人，本科学士，研究方向：机械工程技术。

刘树龙（1983-），男，山东省临沂人，硕士，副教授，研究方向：软件工程。

宋新宇（1998-），男，山东省烟台市人，学士，研究方向：机械电子工程。

杨柳（1999-），男，山东省临沂市人，学士，研究方向：机械工程技术。

基金项目：

该项目由青岛黄海学院创新创业项目《自锁式海上风电安装船升降系统的研制》（X202013320074）支持。

（作者单位：青岛黄海学院）