CN116167217A - 一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法 - Google Patents

一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了应用于发电机吊装领域的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，能对水力发电机组检修吊装后进入检修区的放置过程监测，借助多种传感器，采集放置过程的实时数据，针对水轮发电机组大件吊装工作，通过厂房定位系统进行定位，协助吊车操作人员将水轮发电机组大型构件准确吊运至指定位置，使用3D建模技术搭建数字工厂，体现出厂区内设备分布情况，并在数字工厂中仿真模拟设备起吊后到进入检修区的全过程，当吊装行进路线错误或与周边物体可能产生碰撞时时能进行报警，并引导吊装进入正确路线，具备基础配置功能，能便捷的配置所需各项参数及行进路线，能有效提升水轮发电机组的维修吊装效率，具有市场前景，适合推广应用。

Description

一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法
技术领域
本申请涉及发电机吊装领域，特别涉及一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法。
背景技术
随着我国装备制造水平的进步，我国已能设计并生产世界上单机容量最大的水轮发电机组，同时，我国也是世界上大型或超大型水电站投运最多国家。水电机组单机容量大，意味着转子和转轮等水轮机主要部件的单体重量高，例如200MW水轮机组的转子重量往往突破700吨。设备吊装中大质量部件的位置速度控制难度远超过小质量部件。与此同时，大型水电机组复杂性高，又要求更高的安装精密性。这样，一方面重型部件更难控制位置，另一方面重型部件要求更精确的装配，成为水电检修中的一项技术难点。
传统水电机组维修吊装过程需要配备总指挥、地面协助人员、吊机司机及吊机辅助人员等合计30到50人，在水电机组组件吊装过程中，吊车将组件吊送到安装位置正上方并根据指令缓慢放落到指定位置中，提前预警性差，无法预知组件是否与厂区内设备发生吊装碰撞，只能倚靠吊机操作人员、地面总指挥的经验进行不断尝试，导致吊装效率极低。
本申请人构想一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，能对水力发电机组检修吊装后进入检修区的放置过程监测，借助多种传感器，采集放置过程的实时数据，针对水轮发电机组大件吊装工作，通过厂房定位系统进行定位，协助吊车操作人员将水轮发电机组大型构件准确吊运至指定位置，以提高吊装效率。
发明内容
本申请目的在于使用3D建模技术搭建数字工厂，数字工厂能够体现出厂区内设备分布情况，并能在数字工厂中仿真模拟设备起吊后到进入检修区的全过程，当吊装行进路线错误或与周边物体可能产生碰撞时时能进行报警，并引导吊装进入正确路线，相比现有技术提供一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，具体包括以下步骤：
S1、对待吊装的厂区内不可移动物体进行建模，包括水电站地上一层车间内部整体建筑，采用3D建模技术搭建数字工厂，搭建的数字工厂体现厂区内设备分布情况，其尺寸精度控制在3CM;
S2、对待吊装的可移动物体进行建模，包括天车、吊装辅助平衡梁、发电机拆分部件，发电机拆分部件具体包括顶盖、上机架、顶轴、转子、下机架、转轮,其尺寸精度控制在3CM；
S3、在三维模拟系统中，将发电机拆分部件的三维模型导入数字工厂中，并仿真模拟出起吊后到进入检修区的全过程，进行最优路径的模拟规划，检测碰撞情况，得出最优路径；
S4、在实际水电站的天车上安装定位系统，定位系统包括分别用于测量大车轨道起点、大车、小车三个位置的XY轴定位数据的测距终端和定位天线、和用于测量天车吊钩Z轴高度数据的测距标签，并配备用于处理XYZ轴数据的服务器；
S5、在服务器的中导入步骤S3规划的最优路径，并将模拟的最优路径数据传递至天车的控制系统，配合XYZ轴数据的反馈进行水轮发电机组维修吊装自动控制；
进一步的，为后期三维程序加载速度，所构建的不可移动物体模型面数应给予优化，原则上普通单体建筑/设施三角面数少于5千个，复杂面数不超过1万个，最多不超过5万个面，其中建模最小单位为毫米，建模方式为外表面的几何结构建模，可视情况（非可碰撞部位）用贴图表现复杂几何结构，所有模型中心点定义应统一，中心点的选取应与系统研发相关人员确定模型整体尺寸（长宽高）需准确，纹理拼接过渡自然，不得有漏缝、共面、交叉点、废点、废面等现象，模型与模型之间不得出现共面、漏面和反面，模型的面数、段数、曲面必须进行精简优化，删除模型之间的重叠面,相交面及底面）。
进一步的，三维模拟系统按功能包括以下部分：底层数据接口连接功能：连接底层数据接口，读入数据，如接口掉线可自动重连；
吊装部件选择功能：可选择顶盖、上机架、顶轴、转子、下机架、转轮；
报警文字转声音播放功能：可语音朗读报警文字内容；
吊装过程模拟仿真功能：可使用三维模型模拟仿真吊装的过程（包括吊车及附属部件移动、吊装部件的移动等），吊装部件由吊装部件选择功能确定，吊装移动位置由底层接口传入，三维模型的移动由吊装移动位置经系统计算后确定；
路径规划功能：能使用图形化的方式在吊装前规划吊装移动路径。每个机组的每个部件都有各自的移动路径。规划路径需保存，并于吊装时使用；
吊装引导功能：使用箭头的方式在吊装中引导吊装移动的方向；
报警功能：报警分为设备连接状态报警、超出规划路径报警、碰撞预警三种。其中，设备连接状态报警、超出规划路径报警由系统自主判断，碰撞预警由底层数据接口传入，报警主要使用弹窗和声音方式进行报警。弹窗超出5秒后自动关闭或由用户点击关闭，当弹窗未关闭时有新报警产生，则应于一个弹窗内统一展示。弹窗不应影响模拟仿真画面的观看；
传感器精度修正功能：传感器精度修正功能指在吊装过程中，吊装物体移动到特定位置时（通过围栏门口），根据避障传感器反馈的测距数据对XY轴精度进行辅助校准提高XY轴在通过围栏门口时的定位精度；
三维界面常用操作功能：包括缩放、旋转、拖拽、返回初始视角等。
进一步的，三维模拟系统还包括与底层硬件交互的数据通讯接口，数据通讯接口可为socket或websocket中的任意一种。
进一步的，三维模拟系统还具有吊装仿真监测界面、路划界面和报警界面，报警界面通过弹窗实现。
进一步的，测距标签采用1800毫安时可充电锂电池供电，1赫兹频率可连续工作3个月以上，采用IP、六七防水防尘等级设计，标签背面带有强磁铁，可以直接吸附，固定在金属表面。
进一步的，测距终端设备，是一款基于无线脉冲雷达技术研发的高精度无线测距设备，可实现 1 对 1 或者多对多的相互测距。
进一步的，测距标签定位吊钩Z轴数据精度为30CM，测距终端定位轨道起点、大车、小车的XY轴的数据精度为10CM。
进一步的，定位小车的实时位置，需要安装3台测距终端，起点安装一台，大车上安装一台，小车上安装一台，大车上终端和起点终端的测距，距离L1记为小车在X方向上的实时坐标，大车终端和小车上终端实时测距，距离L2记为小车的Y坐标，这样就可以获得小车的实时X和Y坐标了，从而实现对天车的平面定位。
进一步的，测距终端及测距标签间通过UWB技术进行数据传输，并通过4G或有线方式与服务器进行数据反馈。
相比于现有技术，本申请的优点在于：
（1）本申请能对水力发电机组检修吊装后进入检修区的放置过程监测，借助多种传感器，采集放置过程的实时数据，针对水轮发电机组大件吊装工作，通过厂房定位系统进行定位，协助吊车操作人员将水轮发电机组大型构件准确吊运至指定位置。
（2）本申请使用3D建模技术搭建数字工厂，数字工厂能够体现出厂区内设备分布情况，并能在数字工厂中仿真模拟设备起吊后到进入检修区的全过程，当吊装行进路线错误或与周边物体可能产生碰撞时时能进行报警，并引导吊装进入正确路线。
（3）本申请具备基础配置功能，能便捷的配置所需各项参数及行进路线，能有效提升水轮发电机组的维修吊装效率，减少吊装失误，具有市场前景，适合推广应用。
附图说明
图1为本申请中搭建的数字工厂及移动物体的建模示意图；
图2为本申请中的水轮发电机组的顶盖建模示意图；
图3为本申请中的水轮发电机组的上机架建模示意图；
图4为本申请中的水轮发电机组的顶轴建模示意图；
图5为本申请中的水轮发电机组的转子建模示意图；
图6为本申请中的水轮发电机组的下机架的建模示意图；
图7为本申请中的水轮发电机组的转轮建模示意图；
图8为本申请中提出的测距终端的安装示意图；
图9为本申请中提出的测距标签的安装示意图；
图10为本申请中提出的测距终端及测距标签的通讯示意图。
具体实施方式
实施例将结合说明书附图，对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，请参阅图1-10，具体包括以下步骤：
S1、对待吊装的厂区内不可移动物体进行建模，包括水电站地上一层车间内部整体建筑，采用3D建模技术搭建数字工厂，搭建的数字工厂体现厂区内设备分布情况，其尺寸精度控制在3CM;
S2、对待吊装的可移动物体进行建模，包括天车、吊装辅助平衡梁、发电机拆分部件，发电机拆分部件具体包括顶盖、上机架、顶轴、转子、下机架、转轮,其尺寸精度控制在3CM；
S3、在三维模拟系统中，将发电机拆分部件的三维模型导入数字工厂中，并仿真模拟出起吊后到进入检修区的全过程，进行最优路径的模拟规划，检测碰撞情况，得出最优路径；
S4、在实际水电站的天车上安装定位系统，定位系统包括分别用于测量大车轨道起点、大车、小车三个位置的XY轴定位数据的测距终端和定位天线、和用于测量天车吊钩Z轴高度数据的测距标签，并配备用于处理XYZ轴数据的服务器；
S5、在服务器的中导入步骤S3规划的最优路径，并将模拟的最优路径数据传递至天车的控制系统，配合XYZ轴数据的反馈进行水轮发电机组维修吊装自动控制；
需要说明的是，在本实施例中，为后期三维程序加载速度，所构建的不可移动物体模型面数应给予优化，原则上普通单体建筑/设施三角面数少于5千个，复杂面数不超过1万个，最多不超过5万个面，其中建模最小单位为毫米，建模方式为外表面的几何结构建模，可视情况（非可碰撞部位）用贴图表现复杂几何结构，所有模型中心点定义应统一，中心点的选取应与系统研发相关人员确定模型整体尺寸（长宽高）需准确，纹理拼接过渡自然，不得有漏缝、共面、交叉点、废点、废面等现象，模型与模型之间不得出现共面、漏面和反面，模型的面数、段数、曲面必须进行精简优化，删除模型之间的重叠面,相交面及底面）。
具体的，在本实施例中，三维模拟系统按功能包括以下部分：底层数据接口连接功能：连接底层数据接口，读入数据，如接口掉线可自动重连；
吊装部件选择功能：可选择顶盖、上机架、顶轴、转子、下机架、转轮；
报警文字转声音播放功能：可语音朗读报警文字内容；
吊装过程模拟仿真功能：可使用三维模型模拟仿真吊装的过程（包括吊车及附属部件移动、吊装部件的移动等），吊装部件由吊装部件选择功能确定，吊装移动位置由底层接口传入，三维模型的移动由吊装移动位置经系统计算后确定；
路径规划功能：能使用图形化的方式在吊装前规划吊装移动路径。每个机组的每个部件都有各自的移动路径。规划路径需保存，并于吊装时使用；
吊装引导功能：使用箭头的方式在吊装中引导吊装移动的方向；
报警功能：报警分为设备连接状态报警、超出规划路径报警、碰撞预警三种。其中，设备连接状态报警、超出规划路径报警由系统自主判断，碰撞预警由底层数据接口传入，报警主要使用弹窗和声音方式进行报警。弹窗超出5秒后自动关闭或由用户点击关闭，当弹窗未关闭时有新报警产生，则应于一个弹窗内统一展示。弹窗不应影响模拟仿真画面的观看；
传感器精度修正功能：传感器精度修正功能指在吊装过程中，吊装物体移动到特定位置时（通过围栏门口），根据避障传感器反馈的测距数据对XY轴精度进行辅助校准提高XY轴在通过围栏门口时的定位精度；
三维界面常用操作功能：包括缩放、旋转、拖拽、返回初始视角等。
进一步的，三维模拟系统还包括与底层硬件交互的数据通讯接口，数据通讯接口可为socket或websocket中的任意一种，三维模拟系统还具有吊装仿真监测界面、路划界面和报警界面，报警界面通过弹窗实现。
需要说明的是，测距标签采用1800毫安时可充电锂电池供电，1赫兹频率可连续工作3个月以上，采用IP、六七防水防尘等级设计，标签背面带有强磁铁，可以直接吸附，固定在金属表面，测距终端设备，是一款基于无线脉冲雷达技术研发的高精度无线测距设备，该设备具有测距精度高（最高可到 10 厘米），测距稳定，无累计误差，粉尘、水汽不影响测距精度，抗电磁干扰， IP67 防尘防水，工业级 365*24h 连续工作，安装简单，使用过程中不需要校准等突出特点，该产品已被广泛应用于各种工业环境，可以用于天车定位，斗轮机定位，有轨设备定位，龙门吊定位等，可实现 1 对 1 或者多对多的相互测距，测距标签定位吊钩Z轴数据精度为30CM，测距终端定位轨道起点、大车、小车的XY轴的数据精度为10CM。
请参阅图8，在附图8中，定位小车的实时位置，需要安装3台测距终端，起点安装一台，大车上安装一台，小车上安装一台，大车上终端和起点终端的测距，距离L1记为小车在X方向上的实时坐标，大车终端和小车上终端实时测距，距离L2记为小车的Y坐标，这样就可以获得小车的实时X和Y坐标了，从而实现对天车的平面定位。
请参阅图10，在附图10中，测距终端及测距标签间通过UWB技术进行数据传输，并通过4G或有线方式与服务器进行数据反馈。
本申请能对水力发电机组检修吊装后进入检修区的放置过程监测，借助多种传感器，采集放置过程的实时数据，针对水轮发电机组大件吊装工作，通过厂房定位系统进行定位，协助吊车操作人员将水轮发电机组大型构件准确吊运至指定位置。
本申请使用3D建模技术搭建数字工厂，数字工厂能够体现出厂区内设备分布情况，并能在数字工厂中仿真模拟设备起吊后到进入检修区的全过程，当吊装行进路线错误或与周边物体可能产生碰撞时时能进行报警，并引导吊装进入正确路线。
本申请具备基础配置功能，能便捷的配置所需各项参数及行进路线，能有效提升水轮发电机组的维修吊装效率，减少吊装失误，具有市场前景，适合推广应用。
以上，仅为本申请结合当前实际需求采用的最佳实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。

Claims (10)

1.一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、对待吊装的厂区内不可移动物体进行建模，包括水电站地上一层车间内部整体建筑，采用3D建模技术搭建数字工厂，搭建的数字工厂体现厂区内设备分布情况，其尺寸精度控制在3CM;
S2、对待吊装的可移动物体进行建模，包括天车、吊装辅助平衡梁、发电机拆分部件，所述发电机拆分部件具体包括顶盖、上机架、顶轴、转子、下机架、转轮,其尺寸精度控制在3CM；
S3、在三维模拟系统中，将发电机拆分部件的三维模型导入数字工厂中，并仿真模拟出起吊后到进入检修区的全过程，进行最优路径的模拟规划，检测碰撞情况，得出最优路径；
S4、在实际水电站的天车上安装定位系统，所述定位系统包括分别用于测量大车轨道起点、大车、小车三个位置的XY轴定位数据的测距终端和定位天线、和用于测量天车吊钩Z轴高度数据的测距标签，并配备用于处理XYZ轴数据的服务器；
S5、在服务器的中导入步骤S3规划的最优路径，并将模拟的最优路径数据传递至天车的控制系统，配合XYZ轴数据的反馈进行水轮发电机组维修吊装自动控制。
2.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，为后期三维程序加载速度，所构建的不可移动物体模型面数应给予优化，原则上普通单体建筑/设施三角面数少于5千个，复杂面数不超过1万个，最多不超过5万个面，其中建模最小单位为毫米，建模方式为外表面的几何结构建模，可视情况（非可碰撞部位）用贴图表现复杂几何结构，所有模型中心点定义应统一，中心点的选取应与系统研发相关人员确定模型整体尺寸（长宽高）需准确，纹理拼接过渡自然，不得有漏缝、共面、交叉点、废点、废面等现象，模型与模型之间不得出现共面、漏面和反面，模型的面数、段数、曲面必须进行精简优化，删除模型之间的重叠面,相交面及底面）。
3.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述三维模拟系统按功能包括以下部分：底层数据接口连接功能：连接底层数据接口，读入数据，如接口掉线可自动重连；
吊装部件选择功能：可选择顶盖、上机架、顶轴、转子、下机架、转轮；
报警文字转声音播放功能：可语音朗读报警文字内容；
吊装过程模拟仿真功能：可使用三维模型模拟仿真吊装的过程（包括吊车及附属部件移动、吊装部件的移动等），吊装部件由吊装部件选择功能确定，吊装移动位置由底层接口传入，三维模型的移动由吊装移动位置经系统计算后确定；
路径规划功能：能使用图形化的方式在吊装前规划吊装移动路径。每个机组的每个部件都有各自的移动路径。规划路径需保存，并于吊装时使用；
吊装引导功能：使用箭头的方式在吊装中引导吊装移动的方向；
报警功能：报警分为设备连接状态报警、超出规划路径报警、碰撞预警三种。其中，设备连接状态报警、超出规划路径报警由系统自主判断，碰撞预警由底层数据接口传入，报警主要使用弹窗和声音方式进行报警。弹窗超出5秒后自动关闭或由用户点击关闭，当弹窗未关闭时有新报警产生，则应于一个弹窗内统一展示。弹窗不应影响模拟仿真画面的观看；
传感器精度修正功能：传感器精度修正功能指在吊装过程中，吊装物体移动到特定位置时（通过围栏门口），根据避障传感器反馈的测距数据对XY轴精度进行辅助校准提高XY轴在通过围栏门口时的定位精度；
三维界面常用操作功能：包括缩放、旋转、拖拽、返回初始视角等。
4.根据权利要求3所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述三维模拟系统还包括与底层硬件交互的数据通讯接口，所述数据通讯接口可为socket或websocket中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述三维模拟系统还具有吊装仿真监测界面、路划界面和报警界面，所述报警界面通过弹窗实现。
6.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述测距标签采用1800毫安时可充电锂电池供电，1赫兹频率可连续工作3个月以上，采用IP、六七防水防尘等级设计，标签背面带有强磁铁，可以直接吸附，固定在金属表面。
7.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述测距终端设备，是一款基于无线脉冲雷达技术研发的高精度无线测距设备，可实现 1 对 1或者多对多的相互测距。
8.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述测距标签定位吊钩Z轴数据精度为30CM，所述测距终端定位轨道起点、大车、小车的XY轴的数据精度为10CM。
9.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，定位小车的实时位置，需要安装3台测距终端，起点安装一台，大车上安装一台，小车上安装一台，大车上终端和起点终端的测距，距离L1记为小车在X方向上的实时坐标，大车终端和小车上终端实时测距，距离L2记为小车的Y坐标，这样就可以获得小车的实时X和Y坐标了，从而实现对天车的平面定位。
10.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组维修吊装自动控制方法，其特征在于，所述测距终端及测距标签间通过UWB技术进行数据传输，并通过4G或有线方式与服务器进行数据反馈。
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