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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研制
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)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(tái)（船）兩類工程船舶完成的。本作品研究的對(duì)象是自航自升式風(fēng)電安裝船的升降系統(tǒng)，其功能由機(jī)械傳動(dòng)裝置及其相應(yīng)的控制單元實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械傳動(dòng)裝置采用超大模數(shù)的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并配備液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及工作位置鎖緊機(jī)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(shí)現(xiàn)。本作品是一個(gè)縮小比例的實(shí)物模型。
- 詳細(xì)介紹：
- 海上風(fēng)機(jī)安裝基本都是由自升式起重平臺(tái)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。本作品（升降系統(tǒng)），選擇近海（30m水深左右）海況，根據(jù)4臺(tái)5MW風(fēng)機(jī)的安裝容量設(shè)計(jì)的船型，并配備一臺(tái)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(chǎng)，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(tái)，并由起重吊機(jī)完成對(duì)風(fēng)機(jī)的吊裝。本作品所實(shí)現(xiàn)的功能由一組機(jī)械傳動(dòng)裝置及其相應(yīng)的控制單元完成。 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(duì)的上下運(yùn)動(dòng)，并保持二者的相對(duì)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。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(duì)稱放置一對(duì)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(duì)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)。 針對(duì)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。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(hào)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(chǎng)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(duì)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)。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(cè)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。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、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(tái)順利實(shí)現(xiàn)升降的保證。設(shè)計(jì)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(jìn)的齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)，并配備一套安全可靠的鎖緊機(jī)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(shí)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(diǎn)： 1．開發(fā)了一套超大模數(shù)的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并配備新型工作位置鎖緊機(jī)構(gòu)，滿足升降系統(tǒng)的工作要求，并能通過鎖緊機(jī)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(jī)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、升降速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 2. 針對(duì)升降系統(tǒng)的功能需求及布置特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS的分布式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)具有單獨(dú)控制和協(xié)同控制的特點(diǎn)，且系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性好。 3. 對(duì)于船體升降過程中出現(xiàn)傾斜狀況，并考慮到樁腿負(fù)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡要求。 關(guān)鍵技術(shù)： 1.平衡控制方案的設(shè)計(jì)。 2.PID控制的實(shí)現(xiàn)。 3.動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。 4.機(jī)械機(jī)構(gòu)的新型設(shè)計(jì)。 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(jī)構(gòu)仍能保證系統(tǒng)的安全。
科學(xué)性、先進(jìn)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(hù)任務(wù)重的缺點(diǎn)。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(gè)生產(chǎn)過程就會(huì)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(shí)，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(diǎn)有： 1．超大模數(shù)的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有承載能力強(qiáng)、升降速度快、效率高、穩(wěn)定性好、安全性高及連續(xù)的傳動(dòng)能力等優(yōu)點(diǎn)。 2. 新型工作位置鎖緊機(jī)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(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)，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)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(jiǎng)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(jìn)行科技查新。 查新結(jié)果為：在所檢國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的中文文獻(xiàn)范圍內(nèi)，未見有與本項(xiàng)目“海上風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)的研制”查新點(diǎn)完全相同的公開文獻(xiàn)報(bào)道。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)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(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作品的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)： 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(duì)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(jiǎn)單，加工制造成本低，完全能夠滿足船體平臺(tái)的升降要求。 作品的適應(yīng)范圍和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益： 通過對(duì)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(guó)內(nèi)建造的自升式海洋平臺(tái)及其控制系統(tǒng)幾乎全部由國(guó)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(duì)于我國(guó)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(duì)自升式海洋升降機(jī)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。且該技術(shù)對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式的自升式平臺(tái)同樣適用，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)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(hù)任務(wù)重；五月花能源公司設(shè)計(jì)的“Mayflower Resolution”（五月花號(hào)），升降系統(tǒng)是液壓銷孔式的。銷孔式系統(tǒng)存在運(yùn)動(dòng)不連續(xù)，速度慢，不能定比傳動(dòng)的不足。 對(duì)于升降控制系統(tǒng)，六十年代以來，國(guó)外各公司陸續(xù)推出了采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋平臺(tái)控制系統(tǒng)，如荷蘭和美國(guó)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(tái)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(cè)等全部自動(dòng)化任務(wù)。升降系統(tǒng)是海洋平臺(tái)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)外海洋平臺(tái)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)。 國(guó)內(nèi)研究情況： 我國(guó)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(tái)3MW風(fēng)機(jī)整體吊裝安裝成功。執(zhí)行吊裝任務(wù)的是“四航奮進(jìn)號(hào)”，這是由我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的、國(guó)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(guó)內(nèi)自升式的風(fēng)電安裝船有七O八研究所設(shè)計(jì)的“海洋38”號(hào)、南通中遠(yuǎn)船務(wù)設(shè)計(jì)建造的“MPI ADVENTURE”(探險(xiǎn)號(hào))，其升降系統(tǒng)分別為纜索式、液壓銷孔式。而升降速度對(duì)風(fēng)電船的工作效率有較大影響，現(xiàn)在的齒輪齒條傳動(dòng)是自升式升降系統(tǒng)的主流方向之一。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)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(tái)交接的四個(gè)角點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的距離相隔比較遠(yuǎn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大并且各節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行聯(lián)合控制和單獨(dú)控制。且集中控制存在反應(yīng)速度慢，由于長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)衰減等缺點(diǎn)，集中控制這種方式難以滿足控制要求，這相對(duì)于國(guó)外的先進(jìn)控制系統(tǒng)有很大的差距。
