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基本信息
- 項目名稱：
- 海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 目前，海上風(fēng)電設(shè)備安裝基本上是由自升式或浮式起重平臺（船）兩類工程船舶完成的。本作品研究的對象是自航自升式風(fēng)電安裝船的升降系統(tǒng)，其功能由機械傳動裝置及其相應(yīng)的控制單元實現(xiàn)。 機械傳動裝置采用超大模數(shù)的齒輪齒條傳動機構(gòu)，并配備液壓驅(qū)動系統(tǒng)及工作位置鎖緊機構(gòu)。升降過程的控制與監(jiān)控及平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)等，通過研發(fā)基于PROFIBUS的分布式控制系統(tǒng)予以實現(xiàn)。本作品是一個縮小比例的實物模型。
- 詳細介紹：
- 海上風(fēng)機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，取決于水深、起重能力和船舶的可用性。本作品（升降系統(tǒng)），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，設(shè)計4個樁腿（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，并由起重吊機完成對風(fēng)機的吊裝。本作品所實現(xiàn)的功能由一組機械傳動裝置及其相應(yīng)的控制單元完成。 機械傳動裝置由超大模數(shù)的齒輪齒條傳動機構(gòu)、位置鎖緊機構(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，并由液壓馬達經(jīng)減速齒輪驅(qū)動。該裝置能使樁腿和船體作相對的上下運動，并保持二者的相對位置。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。位置鎖緊機構(gòu)采用一段齒條與升降齒條嚙合來實現(xiàn)，并在每條樁腿上對稱放置一對鎖緊機構(gòu)，該機構(gòu)的功能是當(dāng)安裝船升或降到指定位置時，鎖緊機構(gòu)抱死樁腿，使安裝船與樁腿保持相對位置。同時，鎖緊機構(gòu)具有機械自鎖功能，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)的齒輪齒條傳動機構(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。 針對升降系統(tǒng)的功能需求及布置特點，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)予以實現(xiàn)。該分布式控制系統(tǒng)由主控制器和四個樁腿控制器組成。主控制器由上位機、S7-300可編程控制器（主站PLC）等組成。上位機上裝有西門子組態(tài)軟件WinCC并且安裝有通訊卡?？紤]到處理信號比較多，為保證通訊的實時性，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)具有單獨控制和協(xié)同控制的特點，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)的樁腿進行作業(yè)。并且，系統(tǒng)具有可擴展性強，環(huán)境適應(yīng)性好，能在設(shè)備高度分散的情況下進行控制的優(yōu)點。在船體上升或下降的自動操縱過程中，為實現(xiàn)船體準確快速的調(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，通過PID算法控制調(diào)節(jié)各個樁腿速度實現(xiàn)船體的自動平衡。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。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品的目標(biāo)及基本思路： 升降系統(tǒng)是風(fēng)電安裝船的關(guān)鍵部分，其可靠性是樁腿和平臺順利實現(xiàn)升降的保證。設(shè)計并制作一艘新型的風(fēng)電安裝船的模型，其升降系統(tǒng)采用先進的齒輪齒條傳動系統(tǒng)，并配備一套安全可靠的鎖緊機構(gòu)。升降控制系統(tǒng)采用基于PROFIBUS的分布式控制模式，并通過WinCC組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)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)控等功能。 創(chuàng)新點： 1．開發(fā)了一套超大模數(shù)的齒輪齒條傳動機構(gòu)，并配備新型工作位置鎖緊機構(gòu)，滿足升降系統(tǒng)的工作要求，并能通過鎖緊機構(gòu)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。該機構(gòu)具有承載能力強、升降速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 2. 針對升降系統(tǒng)的功能需求及布置特點，設(shè)計了基于PROFIBUS的分布式控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)具有單獨控制和協(xié)同控制的特點，且系統(tǒng)可擴展性強，環(huán)境適應(yīng)性好。 3. 對于船體升降過程中出現(xiàn)傾斜狀況，并考慮到樁腿負荷很大的情況下，提出了一種船體平衡控制方案。該平衡控制方案的協(xié)調(diào)性好，有較好的抗干擾能力和良好的控制精度，能夠快速穩(wěn)定的實現(xiàn)自動平衡要求。 關(guān)鍵技術(shù)： 1.平衡控制方案的設(shè)計。 2.PID控制的實現(xiàn)。 3.動態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。 4.機械機構(gòu)的新型設(shè)計。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.速度平穩(wěn)0.6m/min。 2.模型的水平姿態(tài)精度控制在±3度以內(nèi)。 3.在電力系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)失效的情況下，鎖緊機構(gòu)仍能保證系統(tǒng)的安全。
科學(xué)性、先進性
- 現(xiàn)有的自升式海上風(fēng)電船的升降系統(tǒng)為纜索式、銷孔式，存在升降速度慢，維護任務(wù)重的缺點。升降控制系統(tǒng)一般采用集中控制，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。另外，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，集中控制無法做出快速響應(yīng)。 與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)優(yōu)點有： 1．超大模數(shù)的齒輪齒條傳動機構(gòu)，具有承載能力強、升降速度快、效率高、穩(wěn)定性好、安全性高及連續(xù)的傳動能力等優(yōu)點。 2. 新型工作位置鎖緊機構(gòu)，可以在電力系統(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。 3. 基于PROFIBUS的分布式控制系統(tǒng)，具有可擴展性強，環(huán)境適應(yīng)性好，能在設(shè)備高度分散的情況下進行控制的優(yōu)點，可實現(xiàn)單獨控制和協(xié)同控制。 4. 船體平衡控制方案的協(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。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 作品在2011年6月3日，教育部科技查新工作站L19進行科技查新。 查新結(jié)果為：在所檢國內(nèi)公開發(fā)表的中文文獻范圍內(nèi)，未見有與本項目“海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研制”查新點完全相同的公開文獻報道。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無。
作品可展示的形式
- 模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 作品的技術(shù)特點及優(yōu)勢： 該升降系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化控制，實現(xiàn)海上風(fēng)電安裝船的自動化控制，并通過運行在上位機的監(jiān)控系統(tǒng)實現(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，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。 作品的適應(yīng)范圍和市場經(jīng)濟效益： 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)濟效益和社會效益明顯。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構(gòu)的國產(chǎn)化提供強大的技術(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。
同類課題研究水平概述
- 國外研究情況： 世界上現(xiàn)有的專用安裝船為數(shù)甚少。A2SEA公司的M/V SEA POWER 與M/V SEA ENERGY均采用滑輪系統(tǒng)，而滑輪系統(tǒng)的維護任務(wù)重；五月花能源公司設(shè)計的“Mayflower Resolution”（五月花號），升降系統(tǒng)是液壓銷孔式的。銷孔式系統(tǒng)存在運動不連續(xù)，速度慢，不能定比傳動的不足。 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算機分散式控制系統(tǒng)，完成起升系統(tǒng)控制和系統(tǒng)監(jiān)測等全部自動化任務(wù)。升降系統(tǒng)是海洋平臺控制系統(tǒng)的一個重要環(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)來實現(xiàn)這一任務(wù)。 國內(nèi)研究情況： 我國海上風(fēng)電剛剛起步。2009年3月20日在上海東海大橋首批3臺3MW風(fēng)機整體吊裝安裝成功。執(zhí)行吊裝任務(wù)的是“四航奮進號”，這是由我國自行設(shè)計建造的、國內(nèi)最大的雙臂架全液壓固定式浮吊起重船，非自升式結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)自升式的風(fēng)電安裝船有七O八研究所設(shè)計的“海洋38”號、南通中遠船務(wù)設(shè)計建造的“MPI ADVENTURE”(探險號)，其升降系統(tǒng)分別為纜索式、液壓銷孔式。而升降速度對風(fēng)電船的工作效率有較大影響，現(xiàn)在的齒輪齒條傳動是自升式升降系統(tǒng)的主流方向之一。 當(dāng)前國內(nèi)海洋平臺的控制系統(tǒng)，一般采用集中控制方式。而升降裝置布置在樁腿與平臺交接的四個角點，各節(jié)點的距離相隔比較遠，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大并且各節(jié)點需要進行聯(lián)合控制和單獨控制。且集中控制存在反應(yīng)速度慢，由于長距離傳輸信號衰減等缺點，集中控制這種方式難以滿足控制要求，這相對于國外的先進控制系統(tǒng)有很大的差距。
