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自升式风电安装船升降系统的远程监控设计

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  • 发布时间:2014-08-08
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当今世界能源匮乏,作为传统的能源-石油和煤,不仅储量有限和不可再生,而且对环境污染大。风能作为-种可再生的清洁能源,越来越受到世界各国的高度重视口q。由于海上风况远远优于陆地,风力发电正逐渐由陆地延伸到海上,海上风能的开发和利用已经成为世界新能源发展的亮点。自升式海上风电安装船正是在这- 背景下应运而生的,它由船体、推进器、桩腿和升降装置等几个部分组成,既能像自升式平台-样升降,为海上作业提供稳定工作平台,又能自主航行,实现运输功能。其工作原理为:船体通过升降系统将桩腿伸人海底,当桩腿到达海底时,能将船身升离水面-定距离以承载船体重量,为海上风电设备的安装提供-个平稳的工作平台,当需要自主航行时,安装船将桩腿完全升起,从而是使工作船像-般船舶-样自由航行,如图 l所示 。作为风电安装工作船的神经中枢-控制系统对工作船能否正常作业起着至关重要的作用,其控制系统的研究得到了国内外学术界和工业界的高度重视。自PLC问世以来,国内外风电安装船大多采用PLC控制其升降系统,通过布置在各处的传感器采集信号,经PLC分析处理后控制执行部件,随着现场总线技术的发展,人们开始应用现场总线组成局域网来实现分布式任务,进-步提高了系统的可靠性。

图 1自升式风电安装船外形图Fig.1 Jack-Up Wind Power nstallation Vessel Contour Figure来稿日期:2012-11-14基金项目:江苏势技支撑计划项目2009118;江苏拾六大人才高峰”项目基金资助201A031作者简介:齐继阳,1969-,男,安徽舒城人,副教授,博士,主要研究方向:计算机集成制造第9期 齐继阳等:自升式风电安装船升降系统的远程监控设计 207这种控制方式对风电安装船升降系统正常运转提供了有力的保障,但这种控制方式,操作人员只能在现场对升降系统进行控制,岸上工作人员无法实时了解和控制安装工作船,另外,其人机交互性差,传统的控制方式已经很难满足人们对海上风电安装工作船控制的需求。

海上工作情况恶劣、远离陆地,对其进行实时的远程监控就显得极为重要。因此,利用现代网络技术,突破距离的限制,探索风电安装工作船远程监控系统的开发具有重要的理论意思和应用价值。

2风电安装工作船硬件系统组成2.1总体控制结构设计本项 目中的风电安装工作船有四条桩腿,采用齿轮齿条装置驱动桩腿的上升和下降。由于自升式风电安装工作船桩腿之间间距很大,因而每条桩腿都由-套独立的液压系统驱动。

为实现对风电安装工作船桩腿的协同控制,我们建立了以西门子 S7-300系列 PLC为主站,S7-200系列 PLC为从站,基于现场总线 Profibus-DP的分布式控制系统,主站通过现场总线与上位机进行数据交换,实现人机交互 ,同时在上位机上搭建WinCC Web Navigator Server服务器 ,远程计算机作为 WinCCWeb Navigator Client通过以太网访问WinCC服务器,从而实现对风电安装工作船远程监控,如图 2所示。

整个系统分为三层,即设备层、单元层和管理层。设备层负责现场信号的采集和现场设备的控制;单元层负责采集设备层各个拈之间的信息,从而有效地控制各个底层拈,并实现整个系统的正常运行,为管理层提供所需的数据 ;管理层负责远程监控任务。

WinCC 0r Clnt WinCC eb Navi Ch.nt图2风电安装工作船控制系统结构图Fig.2 Wind Power nstallation Work Ship Control System Structure22从站的设计系统共设 4个从站,每个从站负责-条桩腿升降的控制,从站以西门子 s7-214XP型 PLC为核心 ,以按钮、压力传感器、温度传感器为输入装置,以比例换向阀为输出装置,以西门子TP 177micro触摸屏为显示装置。

s7-224XP是西门子公司生产的-款将微处理器、电源和输入输出拈集成在-起的紧凑型PLC,它有 14点开关量输入,2路模拟量输入,10点开关量输出和 1路模拟量输出,其强大的性能完全可以满足现池制的需求。

压力传感器负责测试桩腿所承载压力的大小,从而判断桩腿是否已牢固地插入海底 ,温度传感器负责液压系统油温的测试,比例换向阀实现液压系统流向的改变和流量的变化,从而控制桩腿的升降及其升降速度的大校为实现从站与主站之间的数据交换,在每个从站上配备EM277拈 ,EM277为ProfibusDP从站通讯拈,同时也支持MP从站通讯。

为实现从站的人机交互,在每个从站上配置了TP 177 micro触摸屏 ,它为5.7英寸 LCD单色触摸显示屏 ,带-个 RS-485口,通过 MP电缆连接 s7-200 CPU,通过组态软件 WinCC flexible对其组态,实现人机交互。

2.3主站的设计主站采用西门子 s7-3 14C-2DP型 PLC,该 PLC是-款紧凑型 CPU,集成了24点开关量输入,4路模拟量输入,16点开关量输出和 2路模拟量输出以及 PROFBUS-DP主站/从站接口。在该项 目中,我们选择 s7-3 14C-2DP作为控制系统-类主站,负责各个从站间的数据交换,保证设备的正常运行。

在船体上安装有双向角度传感器 ,用来测试船体倾斜的角度,根据倾斜的角度,调整桩腿上升或下降的速度,促使船体的平稳升降。

2.4 WinCC服务器和 WinCC Web Navigator Server服务器的设计为降低成本,上位机采用了普通Pc机。通讯处理器采用SMATC NET CP561 1卡,该通讯处理器是-种即插即用的PC卡,它支持 Profibus和 MP两种网络51。

在上位机上安装有 WinCC运行版和 Web Navigator Server组件。WinCC运行版负责监控软件的正常运行,Web NavigatorServer组件用来在上位机上构建 Web服务器,供远程用户通过E浏览器访问,从而实现远程监控。

3风电安装工作船软件系统设计3.1系统功能分析图3风电安装工作船控制系统功能结构图Fig.3 Wind Power nstallation Work Ship ControlSystem Function Structure Drawing自升式海上风电安装丁作船远程监控系统,操作人员在任何地点在获得授权后,可在-台连接上了nternet的计算机对其进行操作。系统能使操作人员远程对风电安装工作船的升降系统进行操作,查看工作船的运行状况。系统采用二级菜单结构,如图3所示。符合人们的操作习惯,为保护系统,减少人为操作错误,对不同的操作人员赋予了不同的操作权限;操作分为手动模式和自动模式,在手动模式下,可以对每个桩腿单独升降控制,在自动208 机 械 设 计与 制造No.9Sept.2013模式下,四条桩腿将会相互协调,自动调节各条桩腿的速度,促使船体的平稳升降,避免船体的倾翻;为实时显示系统的运行状态,系统以报表和趋势图等形式反映主要参数的变化情况,当出现故障或系统参数超过上限时,系统将给出报警信号 ;通过语言菜单,用户可以在中文和英文操作界面之间切换;为方便操作人员的使用,系统中集成了帮助拈。

3.2 PLC程序的设计3.2.1主从站之间的数据 交换在系统中,S73 14C-2DP型 PLC作为主站,四台7-224XP型PLC作为从站,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。通过硬件组态时预先没定通信区实现数据交换,通信区就通信双方来说是互为映射的,在每个从站7-224XP型PLC的存储器中有-块特定的区域作为与主站通信的共享数据区,9,di PLC处理该地址区与实际的输入输出之间的数据交换,主站中设定的特定的/O区作为与从立占i西信的共享数据区,主站通过通信间接控制从站PLC的 。

3.2.2主站程序本项目中,以西门子 s7-314C-2DP型 PLC作为主站,因此,我们采用了某公司的TA博途软件STEP7 V1 1作为开发平台,STEP'/V1 1是 s7-1200 300 400PLC的编程软件,配以类似设备原貌图形化的组态方式,使用户能够灵活、轻松、快速地完成自动化控制设计任务 。程序采用拈化的设计方法,整个程序包括初始化程序块、主程序块和中断服务程序块。初始化程序块负责系统初始化,主程序负责实现控制逻辑关系,根据船体水平度决定如何调整不同桩腿的速度,报警信息的产生,中断服务程序块负责系统运行时上位机上的动态画面的画面切换等,如图 4所示。

图4主站程序框图Fig.4 Main Program Flowchart3.23从站程序在本项 目中,以西门子 s7-224xp型PLC作为从站 ,因此,我们采用了西门子公司的STEP7 MicroWN V4.0SP9作为开发平台。在从站中,系统将根据运行逻辑关系,启动或停止液压马达,在液压马达运行期间,将根据主站的指令,调用正常速度程序或加速运动程序。

3.3监控软件的开发3.3.1 WinCC组态软件的简介WinCC即 Windows Control Center是西门子公司在过程 自动化领域的先进技术和Microsoft软件技术相结合的功能强大的组态软件,集成了SCADA、组态、脚本语言和 OPC等先进技术并具有全面的开放性,提供了过程可视化和操作的全部基本功能。

它是拈化系统,提供广泛的编辑功能,具有 OLE、ActiveX、OPC等标准接口,支持所有连接SMATC5/7控制器的通讯通道,还包括PROFBUSDP、DDE等非特定控制器的通讯通道,在工业 自动化领域得到广泛应用。

3.3.2 WinCC与 自动化 系统的通信上位机的监控系统为了采集监控对象的数据,必须与 PLC之间建立通讯连接。WinCC与自动化系统之间的通信是通过过程总线来实现的,WinCC提供的 SMATC S7 Protocol Suite的通讯驱动程序,支持多种网络协议和类型,如 ndustrial Ethemet、MP、PROFBUS等,通过它的通道单元提供了与各种 SMATCS7-300和 S7-400系列 PLC进行通信的途径罔,如图4所示。

在本项目中,我们采用了PROFBUS1i20WinCC与自动化系统的通信就是通过变量和过程值交换信息,在建立了通讯连接后,在WinCC项目的变量管理器拈中定义-系列过程变量,通过改变过程变量的值,从而改变相对应PLC的输人输出位的值,读取过程变量的值,从而获得相对应PLC输入输出位的值,这样就实现了监控系统与 PLC之间的通讯。

1winCC应用程序l变量管理器WinCC通信驱动器SMATC S7 protocol SuiteCP5611通信卡 s7-314C-2DP l
图 5 WinCC与 PLC数据交换机制图Fig.5 WinCC and PLC Data Switch Drawing33-3监控画面的开发WinCC的图形编辑器提供了强大的图形编辑功能,为用户组态和编辑各种监控画面提供了极大的方便,利用图形编辑器可以方便地组态和编辑监控画面。在组态监控画面的过程中,我们将画面上的控件分为两大类,即通用控件和专用控制,对于通用控件 ,我们直接调用 WinCC自带的控件 ,如 :按钮、文本框等,对于专用控件,我们调用自己开发的ActiveX控件,如显示船体升降过程的仿真过程的控件。为实现WinCC对象属性的动态化,在变量管理器中,创建了-系列过程变量,用变量链接 WinCC对象

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