CN105805386B - 一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统及方法，本方案主要由若干电动遥控球阀、至少一个控制从站以及一控制主站配合组成，其中若干电动遥控球阀设置在冲桩系统的管路中；控制从站控制连接电动遥控球阀；控制主站通过无线方式与控制从站数据连接。基于上述方案构成的阀门遥控方案通过控制桩腿内冲水及冲气管系阀门，实现最大程度减少桩腿上拔力。

Description

一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种自升式风电施工船，具体涉及风电施工船上的冲桩技术。

背景技术

自升式风电施工船也是一种海上平台。目前自升式风电施工船大致分为两类:

第一类为非自航自升式风电施工船，这类船舶比较简单，船体就是一个简单的驳船，靠甲板绞车抛锚定位完成移船，工作时依靠锚机定位移船，调遣靠大型拖轮拖带。

第二类为自航自升式风电施工船，这类船舶配置有功率较大的推进系统，配备有动力定位系统，工作时依靠自身舵桨动力定位系统进行定位(不需抛锚)。该动力定位系统方案相对于甲板绞车抛锚定位方案来说具有定位时间短、效率高，也更安全，依靠自身也可航行调遣等优点。

现有风电施工船通过对桩腿施加上拔力，来实现拔桩。桩腿上拔力主要由三部分组成：破坏桩靴上部土壤剪力、桩靴上部土壤重量和桩靴底部的吸附力，当插桩深度较大时吸附力占50％以上。

减少吸附力的有效方法就是在桩靴上下表面设置冲桩头，用高压水进行冲桩。但当插桩深度太深、搁置时间太长时,冲桩效果会较差，会出现桩腿拔不出或拔桩困难的情况，产生的原因一是冲桩压力不足，达不到破坏吸附力的效果；二是传统冲桩系统桩靴上表面或下表面16个冲头管路是连在一起的，一旦一只喷头冲通，其他堵塞的冲头就没法再冲通，达不到理想的效果。

发明内容

针对现有风电施工船上冲桩系统冲桩效果不佳的问题，本发明的目的在于提供一种能够提高冲桩系统冲桩效果，降低拔桩难度的阀门遥控控制系统。同时针对该遥控控制系统还提供对应的控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

提供一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，该阀门遥控控制系统主要包括：

若干电动遥控球阀，所述若干电动遥控球阀设置在冲桩系统中；

至少一个控制从站，所述控制从站控制连接电动遥控球阀；

控制主站，所述控制主站通过无线方式与控制从站数据连接，并以人机交互的方式模拟现场施工场景。

优选的，所述电动遥控球阀的数量至少为16只倍数。

优选的，所述冲桩系统中设置带排污通道的水力减阻系统，所述水力减阻系统包括高压水管、低压水管、气管、排污管及分流盖，排污管和分流盖处于桩靴上表面，通过高压水管和低压水管所喷出的水冲走附着在桩靴外上表面的淤泥，再通过气管充气，由排污管将淤泥排出至海水中。

优选的，所述控制从站包括风光互补装置、无线传输装置以及阀门遥控箱，所述阀门遥控箱通过电缆连接电动遥控球阀，同时通过通讯线连接无线传输装置，所述风光互补装置通过电缆连接阀门遥控箱和无线传输装置，为阀门遥控箱、无线传输装置以及电动遥控球阀供电。

优选的，所述阀门遥控箱包括就地遥控单元、远程遥控单元、权限切换开关以及数据采集模块，所述就地遥控单元控制连接电动遥控球阀，所述远程遥控单元控制连接电动遥控球阀，并通过无线传输装置与控制主站数据连接，所述权限切换开关控制连接就地遥控单元和远程遥控单元；所述数据采集模块连接电动遥控球阀，并通过无线传输装置与控制主站数据连接。

优选的，所述阀门遥控箱与电动遥控球阀之间的连接电缆为控制反馈电缆。

优选的，所述无线传输装置为无线数传电台传输装置。

优选的，所述风光互补装置包括风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器以及蓄电池，所述风力发电机组和太阳能光伏电池组通过控制器连接蓄电池。

优选的，所述控制主站主要包括MIMIC板、计算机工作站、阀门遥控模块以及无线传输装置，所述阀门遥控模块分别与无线传输装置、MIMIC板以及计算机工作站通信连接。

基于上述的阀门遥控控制系统，进行阀门遥控控制的过程包括如下步骤：

(1)控制电动遥控球阀；

就地遥控时，通过控制从站中的阀门遥控箱直接控制相应的电动遥控球阀；

远程遥控时，由控制主站通过远程控制从站中的阀门遥控箱来控制相应的电动遥控球阀；

(2)实时采集现场数据；

控制从站中的阀门遥控箱实时获取每个电动遥控球阀的工作状态，并传输至控制主站；

(3)实时模拟现场施工状态；

控制主站以人机交互的方式模拟现场施工场景，并根据控制从站采集的数据在模拟的现场施工场景中实时模拟各电动遥控球阀的工作状态。

基于上述方案构成的阀门遥控方案通过精确、高效的控制桩腿内冲水及冲气管系阀门，实现最大程度减少桩腿上拔力。

再者本方案在具体实施时，具有如下优点：

(1)本方案整体结构简单，易于实现；

(2)本方案可实现远程、就地两种控制模式，保证整个方案的运行可靠性；

(3)本方案采用集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，保证系统运行的稳定性和可靠性；

(4)本方案采用人机交互的方式模拟现场实际施工场景，直观显示整个施工过程和细节，便于操作者实时了解现场施工状态和作出控制操作，大大简化操作过程并保证操作控制的准确性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实施例中桩靴冲泥阀门遥控控制系统示意图；

图2为本发明实施例中风光互补装置的示意图；

图3为本发明实例中桩靴冲泥水力减阻系统的示意图；

图4为本发明实例中桩靴冲泥阀门遥控系统管路布置图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，其所示为本实例提供的桩靴冲泥阀门遥控控制系统示意图。本系统服务于1000T自升式风电施工船桩靴冲洗模块，在平台船将四条桩腿收起的过程中，通过控制桩腿内冲水及冲气管系阀门，实现最大程度减少桩腿上拔力的功能。

由图可知，本系统100由4套风光互补装置101、4套阀门遥控箱102、5套数传电台装置103、1套遥控MIMIC面板104、1套阀门遥控模块105、以及1套计算机工作站106、64只电动球阀107组成。

其中，1套数传电台装置103、1套遥控MIMIC面板104、1套阀门遥控模块105、以及1套计算机工作站106配合构成本系统的控制主站，该控制主站设置在相应的中控室中。

在控制主站中，阀门遥控模块105通过485通信线缆连接数传电台装置103，同时通过相应的通信总线分别连接计算机工作站106和遥控MIMIC面板104，由此构成控制主站。

而4套风光互补装置101、4套阀门遥控箱102、4套数传电台装置103以及64只电动球阀107配合构成4个控制从站，分别用于控制四条桩腿的桩靴冲洗。

即，1套风光互补装置101、1套阀门遥控箱102、1套数传电台装置103以及16只电动球阀107构成1个控制从站。

每个控制从站设置在一个对应的桩腿上，用于完成该桩腿的冲桩控制。其中，16只电动球阀107安置在对应桩腿上冲桩系统的冲洗管路中，用于控制冲桩系统中冲洗管路打开和关闭，完成冲桩。

阀门遥控箱102设置在风电施工船的平台上，其通过控制反馈电缆控制连接电动球阀107，用于向控制的电动球阀107供电、发送控制命令以及采集运行数据；并提供就地和遥控两种控制方式。

数传电台装置103设置在对应桩腿的桩靴顶部，其通过通讯线与阀门遥控箱102通信连接，用于接收主站发送的控制信息并传输至阀门遥控箱102，同时将阀门遥控箱102的数据通过无线的方式发送至控制主站。

风光互补装置101同样设置在对应桩腿的桩靴顶部，其通过电缆分别连接阀门遥控箱102和数传电台装置103，用于向阀门遥控箱102和数传电台装置103提供工作电源，并由阀门遥控箱102向对应连接的电动球阀107供电。

据此构成的桩靴冲泥阀门遥控控制系统，控制主站与控制从站之间采用数传电台无线通讯模式；同时通过风光互补装置提供DC24V电源供给阀门遥控箱102、无线数传电台传输装置、电动遥控球阀；系统可在中控室远程遥控电动球阀、或者在就地阀控箱上直接操作电动球阀，外部高压水与压缩空气通过控制球阀来冲洗4个桩腿，将桩靴从海底的淤泥中拔起。

上述方案的具体实施如下：

本系统中的阀门遥控模块105采用西门子S7-300，具有采集精度高、稳定、安全、价格适中且便于更换的优点。其接收MIMIC板104或计算机工作站106的操作信号，形成对应的遥控信号，并通过连接的数传电台装置103以无线信号的方式传输给桩靴上的数传电台装置103实现控制阀门，同时通过连接的数传电台装置103接收阀门遥控箱发送的无线数据(如采集的阀门状态信息)，并将数据采集后显示在MIMIC板104和计算机工作站106上。

再者，本系统中的计算机工作站106，其内运行有相应的桩靴阀门遥控系统，其以人机交互的方式模拟现场施工场景，直观显示现场施工状态，便于操作者实时了解现场工作状态特别是相应电动球阀的工作状态，并进行相应的控制。

参见图2，本系统中的风光互补装置101主要由风力发电机组101a、太阳能光伏电池组101b、控制器(包括风机控制器、光伏控制器)101c、蓄电池101d相互配合组成，风力发电机组101a、太阳能光伏电池组101b分布通过风机控制器、光伏控制器与蓄电池101d连接。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

(1)风力发电机组101a，其利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过风机控制器对蓄电池101d充电以及对负载供电。

(2)太阳能光伏电池组101b，其利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后再通过光伏控制器对蓄电池充电，并对负载进行供电。

(3)控制器(包括风机控制器、光伏控制器)101c，其根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流负载；另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

(5)蓄电池101d，其由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

本系统中的风光互补装置101根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

利用本风光互补装置101进行风光互补供电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；能够在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。

本系统中的阀门遥控箱，其主要包括就地遥控单元、远程遥控单元、权限切换开关以及数据采集模块。

就地遥控单元控制连接电动遥控球阀，用于完成电动遥控球阀的本地控制。

远程遥控单元控制连接电动遥控球阀，并通过相应的数传电台装置与控制主站数据连接，用于完成电动遥控球阀的远程控制。

权限切换开关控制连接就地遥控单元和远程遥控单元，用于完成就地遥控单元与远程遥控单元之间的功能切换。

数据采集模块连接电动遥控球阀，并通过相应的数传电台装置与控制主站数据连接，用于完成本从站中电动遥控球阀工作状态的采集和传输。

由此构成的阀门遥控箱，其具有就地遥控和远程遥控两种方式，当遥控箱上的权限切换开关在就地位置时，可在阀控箱内通过旋钮直接控制阀门，该控制与控制主站中的阀门遥控模块105的控制相互独立，即使阀门遥控模块105出现问题也能保证操作系统的阀门。

由此当遥控箱上的权限切换开关在遥控位置时，可在中控室通过MIMIC板104上的旋钮直接控制阀门或者通过计算机工作站106遥控控制，该控制通过阀门遥控模块105形成控制信号，并由控制主站中的数传电台装置103通过无线信号传输给桩靴上设置的控制从站中的数传电台装置103，再由控制从站中的数传电台装置103传至阀门遥控箱中的远程遥控单元，再由该远程遥控单元对阀门进行控制，从而达到远程控制阀门的目的。

同时阀门的状态通过阀门遥控箱内的模块采集到以后通过无线通讯传输给中控室的数传电台，中控室内的阀门遥控模块105将数据采集后显示在MIMIC板104和计算机工作站106上。

本系统中的数传电台装置103由数传电台、天线、馈线、避雷装置组成，本系统在中控有一套主站，在桩靴上有4个分站；选择数传电台为系统的数据传输设备有以下几点好处：

高指标：传输速率达19200bps,透明标准RS485接口高灵敏度低误码-110dBm(BER<10-6)传输距离达70公里以上收发转换小于7ms；

功耗：<18mA(休眠状态)；

高可靠：采用数字信号处理、数字调制、纠错编码、SMT一体化设计等最先进技术电台可连续发射；

工作温度/湿度:-40℃～70/95％℃；

电源电压：10.5～25VDC。

本系统中的电动球阀共包括64只，分为四套并分属四个控制从站。其中每套桩靴含DN50阀门3只、DN65阀门12只、DN100阀门1只。

阀门由电动执行机构和球阀组成，球阀采用公称压力为6.4MPa的球阀。材质为不锈钢316L。

每套16只的阀门具体安置在对应桩腿上冲桩系统的冲洗管路中，实现对冲洗管路打开和关闭的控制，以完成冲桩。

为了保证冲桩效果，每个桩腿中的冲洗管路具体为水力减阻管路系统。参见图3，该水力减阻管路系统200主要由高压水管201、低压水管202、气管203、排污管204及分流盖205配合构成。

其中，排污管204的端口和分流盖205处于桩靴上表面，低压水管202的喷头处于桩靴上表面，并与分流盖205对应；气管203与排污管204连通，高压水管201的喷头分布在桩靴下表面。

由此构成的水力减阻系统通过低压水管202的喷头所喷出的带压水冲走附着在桩靴外上表面的淤泥，再通过结构中的气管充气，由排污管将淤泥排出至海水中；同时通过高压水管201的喷头所喷出的高压水冲走附着在桩靴外下表面的淤泥，消除淤泥对桩靴底部的吸附力。通过这种方式一方面可以减少覆盖桩靴上表面土体重量，另一方面可以促使支腿上拔水力减阻系统更容易形成通道，从而减少支腿上拔力，保证支腿上拔的顺利进行。

为了有效控制该水力减阻管路系统的有效运行，本系统具体通过16只的阀门来控制该水力减阻管路系统。

参见图4，其所示为本系统中桩靴冲泥阀门遥控系统管路及阀门布置图。由图可知，每个桩腿中的冲洗管路主要包括压缩空气管路A、排污管路B、低压水管路C以及高压水管路D。

排污管路B设置在桩腿中，其端口处于桩靴上表面。

压缩空气管路A具有三个支路，每个支路上分别设置一个阀门1-3，其中两个主支路上分别设有三个出气口，并与排污管路B连通。

低压水管路C用于对桩靴上表面进行冲洗，其包括6个桩靴冲洗支路，每个冲洗支路上设置有多个冲洗喷头，并分布在桩靴上表面(其中第一支路-第四支路设置4个冲洗喷头，第五支路和第六支路设置3个冲洗喷头)，同时每个冲洗支路上设有一控制阀门4-9。

再者低压水管路C还包两个桩腿冲洗支路，用于对桩腿从洗。其中上桩腿冲洗支路设置在桩腿上部，其设置有上桩腿冲水阀10；而下桩腿冲洗支路设置在桩腿下部，其设置有下桩腿冲水阀11。

高压水管路D用于对桩靴下表面进行冲洗，其包括4个桩靴冲洗支路，每个冲洗支路上设置有四个冲洗喷头，并分布在桩靴下表面，同时每个冲洗支路上设有一控制阀门12-15。

同时，低压水管路C的主管路与高压水管路D的主管路之间通过一高低压转换阀16连通。

由此，通过16只阀门与桩靴冲泥阀门遥控系统管路配合，可很好对桩腿、桩靴上表面、桩靴下表面进行冲洗，同时再通过高压气体管路与排污管路配合，能够淤泥排出。

基于上述方案构成的桩靴冲泥阀门遥控控制系统，可很好控制1000T自升式风电施工船桩靴冲洗，当遥控箱上的权限切换开关在遥控位置时，可在中控室通过MIMIC板上的旋钮直接控制阀门或者通过计算机工作站遥控控制，该控制通过PLC模块控制。通过无线信号传输给桩靴上的数传电台从而达到控制阀门的目的，同时阀门的状态通过阀控箱内的模块采集到以后通过无线通讯传输给中控室的数传电台，中控室内的遥控模块将数据采集后显示在MIMIC板和计算机工作站上。

以下具体说明一下利用本系统进行冲桩控制的过程。

首先，供电：将PLC主站安装板上断路器合上，打开PLC电源并合上各从站阀控箱内的断路器。

接着，计算机工作站启动：合上计算机工作站电源，计算机工作站启动，并启动桩靴阀门遥控系统(以下简称“系统”)。

在系统程序启动后，模拟显示桩腿冲桩施工的现场，主要显示各管路、各阀门的开关、报警滚动列表以及各其他功能的索引。

在功能索引界面下可以进入相关功能的界面，主要包括数据列表功能、参数编辑功能、系统设置功能、数据查询功能、报警查询功能、报警综合功能、保存数据功能、电机节能ON功能以及电机节能OFF功能。

其中两个电机节能ON/OFF按钮是用来切换四个阀控柜的节能状态的，在对应的桩腿阀控界面按下“电机节能ON节时，对应的阀控箱里的接触器断开，柜子中的阀门电源切断不能操作；对应的桩腿阀控界面按下“电机节能OFF能时，对应的阀控箱里的接触器吸合，柜子中的阀门电源供电，可以对阀进行操作。

接着，在完成系统启动和设置后，进行控制电动遥控球阀。

就地遥控时，通过控制从站中的阀门遥控箱直接控制相应的电动遥控球阀；

远程遥控时，由控制主站通过远程控制从站中的阀门遥控箱来控制相应的电动遥控球阀。

再接着，实时采集现场数据。

控制从站中的阀门遥控箱实时获取每个电动遥控球阀的工作状态，并传输至控制主站。

再接着，实时模拟现场施工状态。

控制主站以人机交互的方式模拟现场施工场景，并根据控制从站采集的数据在模拟的现场施工场景中实时模拟各电动遥控球阀的工作状态(参见图4)。

由此上可知，通过本系统能够很好的统服务于1000t自升式风电安装船桩靴冲洗模块，在平台船将四条桩腿收起的过程中，通过控制桩腿内冲水及冲气管系阀门，实现最大程度减少桩腿上拔力的功能。

另外，本系统还通过风光互补装置提供DC24V电源供给控制模块、无线数传电台传输装置、电动遥控球阀；系统可在中控室远程遥控电动球阀、或者在就地阀控箱上直接操作电动球阀，外部高压水与压缩空气通过控制球阀来冲洗4个桩腿，将桩靴从海底的淤泥中拔起，其实用性强、可靠性高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述阀门遥控控制系统主要包括：

若干电动遥控球阀，所述若干电动遥控球阀设置在冲桩系统中，使得外部高压水与压缩空气通过控制球阀来冲洗桩腿；

至少一个控制从站，所述控制从站控制连接电动遥控球阀，每个控制从站设置在一个对应的桩腿上，用于完成该桩腿的冲桩控制；所述控制从站包括风光互补装置、无线传输装置以及阀门遥控箱，所述阀门遥控箱通过电缆连接电动遥控球阀，同时通过通讯线连接无线传输装置，所述风光互补装置通过电缆连接阀门遥控箱和无线传输装置，为阀门遥控箱、无线传输装置以及电动遥控球阀供电；

控制主站，所述控制主站通过无线方式与控制从站数据连接，并以人机交互的方式模拟现场施工场景，直观显示现场施工状态；所述控制主站主要包括MIMIC板、计算机工作站、阀门遥控模块以及无线传输装置，所述阀门遥控模块分别与无线传输装置、MIMIC板以及计算机工作站通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述电动遥控球阀的数量至少为16只倍数。

3.根据权利要求1所述的一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述冲桩系统中设置带排污通道的水力减阻系统，所述水力减阻系统包括高压水管、低压水管、气管、排污管及分流盖，排污管和分流盖处于桩靴上表面，通过高压水管和低压水管所喷出的水冲走附着在桩靴外上表面的淤泥，再通过气管充气，由排污管将淤泥排出至海水中。

4.根据权利要求1所述的一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述阀门遥控箱包括就地遥控单元、远程遥控单元、权限切换开关以及数据采集模块，所述就地遥控单元控制连接电动遥控球阀，所述远程遥控单元控制连接电动遥控球阀，并通过无线传输装置与控制主站数据连接，所述权限切换开关控制连接就地遥控单元和远程遥控单元；所述数据采集模块连接电动遥控球阀，并通过无线传输装置与控制主站数据连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述阀门遥控箱与电动遥控球阀之间的连接电缆为控制反馈电缆。

6.根据权利要求1所述的一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述无线传输装置为无线数传电台传输装置。

7.根据权利要求1所述的一种用于冲桩控制的阀门遥控控制系统，其特征在于，所述风光互补装置包括风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器以及蓄电池，所述风力发电机组和太阳能光伏电池组通过控制器连接蓄电池。

8.一种用于冲桩控制的阀门遥控控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

(1)控制电动遥控球阀；

就地遥控时，通过控制从站中的阀门遥控箱直接控制相应的电动遥控球阀；

远程遥控时，由控制主站通过远程控制从站中的阀门遥控箱来控制相应的电动遥控球阀；所述控制从站包括风光互补装置、无线传输装置以及阀门遥控箱，所述阀门遥控箱通过电缆连接电动遥控球阀，同时通过通讯线连接无线传输装置，所述风光互补装置通过电缆连接阀门遥控箱和无线传输装置，为阀门遥控箱、无线传输装置以及电动遥控球阀供电；所述控制主站主要包括MIMIC板、计算机工作站、阀门遥控模块以及无线传输装置，所述阀门遥控模块分别与无线传输装置、MIMIC板以及计算机工作站通信连接；

(2)实时采集现场数据；

控制从站中的阀门遥控箱实时获取每个电动遥控球阀的工作状态，并传输至控制主站；

(3)实时模拟现场施工状态；

控制主站以人机交互的方式模拟现场施工场景，并根据控制从站采集的数据在模拟的现场施工场景中实时模拟各电动遥控球阀的工作状态。