CN205472535U - 海洋工程拖曳试验牵引系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种海洋工程拖曳试验牵引系统，牵引系统包括支柱与高架驱动承台分系统和绞车式牵引分系统；所述绞车式牵引分系统包括牵引绞车(5)、张紧绞车(6)、导向滑轮组(7)和电气系统；所述电气系统用于驱动控制所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)动作，进而对所述拖曳体进行拖曳动作。优点为：通过对多缆绳张力进行自适应协同控制，可保证拖曳系统姿态稳定，尤其是保证拖曳体六自由度稳定且不偏移，进而满足拖曳试验系统的设计需求。

Description

海洋工程拖曳试验牵引系统

技术领域

本实用新型属于海洋工程及装备技术领域，具体涉及一种海洋工程拖曳试验牵引系统。

背景技术

海洋资源开发、海洋环境保护已成为全球普遍关注的问题。海洋探索与开发存在着诸多限制因素，复杂多变的海洋环境与当前的海洋科技水平是主要因素，目前研究与开发海洋的先进技术中，拖曳系统具有极其重要意义，这对拖曳系统的设计与使用十分重要。

具体的，拖曳系统在水文调查、海上救助打捞、海洋探测、船模试验有着广泛而重要的应用，关于其水动力理论和控制技术是研究的热点。国内外开展了很多关于拖曳系统水动力和控制方面的研究，实际海况及复杂的水下流场条件下，不规则外形的拖曳体、控制体及缆绳各水动力综合作用、强非线性和相互耦合因素使拖曳系统操纵的水动力问题十分复杂。在大多数海洋科考和国防中，拖曳系统仍然是很重要的技术手段，世界上拖曳系统发展比较成熟的国家有挪威、丹麦、美国、日本等。

一般拖曳体由流线型或近流线型主体及迫沉机构或两者结合为一体所构成。拖曳体内搭载的传感器或船模要求拖曳体工作的姿态稳定，具有快速灵活的姿态和深度调节与控制能力。不同的拖曳系统有不同的使用要求，满足其使用要求的拖曳系统设计对于其工作状态具有非常重要的影响。

拖曳体、缆绳及控制系统的动力因素作为一个整体相互之间有影响，对拖曳体轨迹与姿态控制达到海上实用的目的，必须进行实验室模型试验和海上现场样机试验是研发成功拖曳系统的必要条件和前提。

拖曳缆绳受到的水动力载荷及其自身材料特性都是非线性的，难以从理论上准确描述其水动力特性，缆绳的运动控制方程都忽略缆绳的弯曲、扭转和剪力的影响，只考虑其张力的影响，国内外学者对缆绳的运动特性研究包括集中质量法、数值模拟法、有限元法、有限差法、直接积分法。

水下拖曳体运动方程描述最完整和常用的是六自由度运动方程，根据该方程计算拖曳体的运动响应，需要先得到运动过程中拖曳体的水动力系数是最关键的。实验方法使用船舶与海洋工程实验室设备，如拖曳水池平面运动机构、大型旋转臂船舶操纵性水池、循环水槽及风洞等对特殊形状的拖曳体以全尺度或缩尺比模型试验来确定作用在拖曳体上的水动力；目前普遍认为实验法比估算法更可靠、更准确，但实验法费用高、试验周期长，但未确定拖曳体外形特征尺寸时用实验法不实际。估算法通过数值模拟或经验公式得到拖曳体水动力系数，通过计算流体力学法或根据试验结果回归得到的经验公式求得水动力系数，或将两种方法结合起来使用；估算法相对实验法费用低、计算方便，可根据拖曳体的尺寸、形状的变化，重新计算新的水动力；但估算法得到的结果与实验法相比准确性差一些。

综上所述，为了提高拖曳系统的设计研发效率，可采用以下方式：拖曳系统设计初期阶段利用拖曳试验系统做试验，再用估算法计算拖曳系统的水动力，在拖曳系统设计后期利用拖曳试验系统进行样机的拖曳试验来确定其水动力系数的数值。

可见，拖曳试验系统的设计非常关键。传统的拖曳试验系统普遍存在以下问题：

由于拖曳体在水中受到风浪涌流的作用，运行极不稳定，传统的拖曳试验系统，难以保持拖曳体六自由度稳定且不偏移，从而无法满足拖曳试验系统的设计需求。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种海洋工程拖曳试验牵引系统，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种海洋工程拖曳试验牵引系统，包括支柱与高架驱动承台分系统和绞车式牵引分系统；

其中，所述支柱与高架驱动承台分系统包括桩基(1)，所述桩基(1)包括一体成形的平桩基(1-1)以及斜桩基(1-2)；所述平桩基(1-1)位于水面以下， 所述斜桩基(1-2)的底端与所述平桩基(1-1)连接且位于水面以下，所述斜桩基(1-2)的顶端延伸到水面以上；在所述斜桩基(1-2)的顶端固定有高架驱动承台(2)；在所述平桩基(1-1)的左右两端分别固定有左岸拖曳支柱(3)和右岸拖曳支柱(4)；

所述绞车式牵引分系统包括牵引绞车(5)、张紧绞车(6)、导向滑轮组(7)和电气系统；

其中，所述导向滑轮组(7)包括4个导向滑轮，分别为左上导向滑轮(7-1)、左下导向滑轮(7-2)、右上导向滑轮(7-3)和右下导向滑轮(7-4)；所述左上导向滑轮(7-1)和所述左下导向滑轮(7-2)固定于所述左岸拖曳支柱(3)的上部和下部；所述右上导向滑轮(7-3)和所述右下导向滑轮(7-4)固定于所述右岸拖曳支柱(4)的上部和下部；

所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)布置于所述高架驱动承台(2)，所述牵引绞车(5)的缆绳(9)绕过所述左上导向滑轮(7-1)后，固定到拖曳体(8)的一端；所述张紧绞车(6)的缆绳依次绕过所述左下导向滑轮(7-2)、所述右下导向滑轮(7-4)和所述右上导向滑轮(7-3)后，固定到所述拖曳体(8)的另一端；

所述电气系统用于驱动控制所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)动作，进而对所述拖曳体进行拖曳动作。

优选的，所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)均包括卷扬机、减速机、电动机以及绞车附加装置；所述电动机通过所述减速机与所述卷扬机联动。

优选的，所述绞车附加装置包括气动棘轮棘爪止定装置、高速级制动器、气动水冷式动态制动器、离合器以及压绳器。

优选的，所述电气系统包括控制系统、驱动系统、电源系统和检测系统；所述控制系统分别与所述驱动系统、所述电源系统和所述检测系统连接。

优选的，所述检测系统包括：

牵引缆绳张力传感器，用于检测牵引缆绳的张力值；

张紧缆绳张力传感器，用于检测张紧缆绳的张力值；

牵引缆绳编码器，用于测量牵引缆绳的速度和长度；

张紧缆绳编码器，用于测量张紧缆绳的速度和长度；

牵引绞车出绳方向传感器，用于测量牵引绞车在水平与垂直两个方向的出绳方向；

张紧绞车出绳方向传感器，用于测量张紧绞车在水平与垂直两个方向的出绳方向；

高速级制动器开/关状态检测设备、气动水冷式动态制动器开/关状态检测设备、离合器开/关状态检测设备、棘轮棘爪止定装置开/关状态检测设备、气动水冷式动态制动器的气源压力传感器、气动水冷式动态制动器的冷却水压力传感器和气动水冷式动态制动器的冷却水温度传感器。

优选的，所述驱动系统包括变频驱动系统和电动气压驱动系统；

其中，所述变频驱动系统包括两套变频驱动单元，分别用于驱动牵引绞车电动机和张紧绞车电动机；

所述电动气压驱动系统包括三套气压驱动单元，分别用于驱动气动水冷式动态制动器动作、驱动离合器的气缸动作以及驱动棘轮棘爪止定装置的气缸动作。

优选的，所述变频驱动系统包括12脉整流变压器、整流器、逆变器、制动单元、制动电阻以及直流母线；

所述整流器的输入端通过所述12脉整流变压器连接到电网；所述整流器的输出端并联到直流母线；

所述直流母线还并联连接到所述逆变器的一端，所述逆变器的另一端用于与变频器连接；

所述直流母线还并联连接到所述制动单元的一端，所述制动单元的另一端与所述制动电阻连接。

本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统具有以下优点：

通过对多缆绳张力进行自适应协同控制，可保证拖曳系统姿态稳定，尤其是保证拖曳体六自由度稳定且不偏移，进而满足拖曳试验系统的设计需求。

附图说明

图1为本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统的侧视图；

图2为本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统的俯视图；

图3为本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统在正向拖曳下的结构示意图；

图4为本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统在反向拖曳下的结构示意图；

图5为本实用新型提供的电气系统的功能框图；

图6为本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统的功能原理图；

图7为本实用新型提供的变频驱动系统的结构示意图；

图8为本实用新型提供的自动正向拖曳的流程示意图；

图9为本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统的控制原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

拖曳体、缆绳及控制系统的动力因素作为一个整体相互之间有影响，对拖曳体轨迹与姿态控制达到海上实用的目的，因此，进行实验室模型试验和海上现场样机试验是研发成功拖曳系统的必要条件和前提。本实用新型提供的海洋工程拖曳试验牵引系统，为拖曳体模型试验及海上现场样机试验提供集成的张力自适应控制技术及变频驱动方案，通过对拖曳缆绳和拖曳体六自由度控制构成拖曳系统的水动力数学模型，为拖曳系统或船模的计算、设计打下良好的基础和铺垫，因此，本实用新型对拖曳系统或船模试验及海上现场样机试验的研发具有重要意义和广泛的应用价值。

研发海洋先进技术中拖曳系统具有极其重要意义，这对拖曳系统的设计与使用十分重要。本实用新型目的为拖曳系统设计提供验证技术，满足拖曳系统试验使用要求，提高拖曳系统的设计研发效率，填补我国拖曳系统张力自适应技术上的空白，具有经济实用的市场价值。

本实用新型解决拖曳系统设计初期阶段利用拖曳试验系统做试验，在拖曳系统设计后期利用拖曳试验系统进行样机的拖曳试验来确定其水动力系数数值 的问题；解决拖曳体六自由度稳定，多缆绳张力自适应协同控制的问题；解决拖曳系统姿态稳定前提下的轨迹与姿态快速灵活的操纵问题；解决拖曳系统主绞车与副绞车协同控制的快速性问题。

本实用新型提供一种海洋工程拖曳试验牵引系统，包括支柱与高架驱动承台分系统和绞车式牵引分系统。以下对这两部分分别详细介绍：

(一)支柱与高架驱动承台分系统

支柱与高架驱动承台分系统包括桩基1，桩基1包括一体成形的平桩基1-1以及斜桩基1-2；平桩基1-1位于水面以下，斜桩基1-2的底端与平桩基1-1连接且位于水面以下，斜桩基1-2的顶端延伸到水面以上；在斜桩基1-2的顶端固定有高架驱动承台2；在平桩基1-1的左右两端分别固定有左岸拖曳支柱3和右岸拖曳支柱4。

(二)绞车式牵引分系统

绞车式牵引分系统包括牵引绞车5、张紧绞车6、导向滑轮组7和电气系统。

(1)导向滑轮组

导向滑轮组7包括4个导向滑轮，分别为左上导向滑轮7-1、左下导向滑轮7-2、右上导向滑轮7-3和右下导向滑轮7-4；左上导向滑轮7-1和左下导向滑轮7-2固定于左岸拖曳支柱3的上部和下部；右上导向滑轮7-3和右下导向滑轮7-4固定于右岸拖曳支柱4的上部和下部。

(2)牵引绞车和张紧绞车

牵引绞车5和张紧绞车6布置于高架驱动承台2，牵引绞车5的缆绳9绕过左上导向滑轮7-1后，固定到拖曳体8的一端；张紧绞车6的缆绳依次绕过左下导向滑轮7-2、右下导向滑轮7-4和右上导向滑轮7-3后，固定到拖曳体8的另一端；

牵引绞车5和张紧绞车6均包括卷扬机、减速机、电动机以及绞车附加装置；电动机通过减速机与卷扬机联动。

其中，绞车附加装置包括气动棘轮棘爪止定装置、高速级制动器、气动水冷式动态制动器、离合器以及压绳器。

(3)电气系统

电气系统用于驱动控制牵引绞车5和张紧绞车6动作，进而对拖曳体进行拖曳动作。

电气系统包括控制系统、驱动系统、电源系统和检测系统；控制系统分别与驱动系统、电源系统和检测系统连接。

(3.1)检测系统

检测系统包括：

牵引缆绳张力传感器，用于检测牵引缆绳的张力值；

张紧缆绳张力传感器，用于检测张紧缆绳的张力值；

牵引缆绳编码器，用于测量牵引缆绳的速度和长度；

张紧缆绳编码器，用于测量张紧缆绳的速度和长度；

牵引绞车出绳方向传感器，用于测量牵引绞车在水平与垂直两个方向的出绳方向；

张紧绞车出绳方向传感器，用于测量张紧绞车在水平与垂直两个方向的出绳方向；

高速级制动器开/关状态检测设备、气动水冷式动态制动器开/关状态检测设备、离合器开/关状态检测设备、棘轮棘爪止定装置开/关状态检测设备、气动水冷式动态制动器的气源压力传感器、气动水冷式动态制动器的冷却水压力传感器和气动水冷式动态制动器的冷却水温度传感器。

(3.2)驱动系统

驱动系统包括变频驱动系统和电动气压驱动系统；

其中，变频驱动系统包括两套变频驱动单元，分别用于驱动牵引绞车电动机和张紧绞车电动机；

电动气压驱动系统包括三套气压驱动单元，分别用于驱动气动水冷式动态制动器动作、驱动离合器的气缸动作以及驱动棘轮棘爪止定装置的气缸动作。

变频驱动系统包括12脉整流变压器、整流器、逆变器、制动单元、制动电阻以及直流母线；

整流器的输入端通过12脉整流变压器连接到电网；整流器的输出端并联到 直流母线；

直流母线还并联连接到逆变器的一端，逆变器的另一端用于与变频器连接；

直流母线还并联连接到制动单元的一端，制动单元的另一端与制动电阻连接。

如图5所示：T1为12脉整流变压器,REC1，REC2为整流器，INV1，INV2为逆变器，BK为制动单元,BR为制动电阻，QF1，QF2空气开关，QF3-QF6为直流断路器。

该系统包含变频驱动和电动气压驱动。牵引绞车和张紧绞车的电机采用变频驱动；动态制动器、离合器和棘轮棘爪装置采用电动气压驱动。变频驱动的核心是整流单元和逆变单元，采用西门子S120高性能传动单元，包括2个整流单元、2个逆变单元和1个制动单元，两个整流单元通过整流变压器连接到电网，组成12脉，降低系统谐波。逆变装置内部具有电流反馈环节，所以起动性能良好，反应灵敏，根据负载大小能快速输出相应起动电流，不会超出额定电流所以对电网无冲击，变频器具有适应于电动机能力的短时过载功能及电源缺相、输出缺相、电源过压、过流、欠压、接地、变频器过热等保护功能。传动单元与PLC之间采用Profibus-DP协议通讯，PLC采集操作台面板上的电位器的电压信号，经过运算处理转换为对应变频器频率设定值，通过Profibus总线写到变频器中，同时读取变频器的运行参数和故障信息。

制动单元，当电机减速制动进入再生发电状态时，它将电能回馈到逆变器，因而导致直流母线电压的升高。制动单元并联连接到直流母线上并将直流母线电压限制到可以接受的水平。制动单元将制动能量送至外部制动电阻上并转换成热能。

设置一空压站提供气源，空压站电源为三相AC380V/50Hz。气源驱动动态制动器给张紧绞车提供摩擦阻力，通过调节比例阀调节动态制动器摩擦阻力的大小，动态制动器采用水冷的方式。气源驱动离合器和棘轮棘爪装置的气缸，实现分合动作。

拖曳试验驱动系统工作原理

如图5所示：整流变压器T1配合2套整流器REC1，REC2，采用2组6脉冲3相 桥式整流输入，并且Δ/Y两组绕组之间相移30°，从而获得12脉整流输出。

当使用6脉冲整流时，会有5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等等，5次谐波电流能达到基波电流峰值的35％～40％，它的影响是巨大的，当变频系统采用Y/Δ+Y三绕组变压器，即：12脉整流变压器时，5次谐波和7次谐波基本上被消除了，这样一来，谐波被有效地抑制了，同时，电网扰动作用明显减小。

整流器REC1，REC2之间通过主从通讯方式，整流出来的直流电，通过开关QF3，QF4送到直流母线DC BUS，通过QF5，QF6给逆变器供电，驱动电机，直流母线系统可以进行及时的能量交换，交换剩余的能量通过制动单元BK消耗在制动电阻BR上。

(3.3)控制系统

控制系统用于采集现场传感器信号、操作台控制指令输入、输出控制指令到执行机构、显示并存储系统参数和故障记录等。驱动系统用于驱动牵引电机、张紧电机和各制动器等机构。后备电源系统用于电网故障时为系统提供不间断电源，确保整个系统按照设定的程序停机。检测系统用于检测缆绳张力、缆绳长度、缆绳速度、缆绳出绳方向、制动器开/状态、离合器开/关状态、棘轮棘爪装置开/关状态、水冷式动态制动器的压力和温度等。

如图4所示：该系统由集中操作面板、可编程控制器(PLC)、人机界面(HMI)和低压控制元件；SIEMENS变频器、低压电器系统、SIEMENS可编程控制器、触摸屏、接近开关、编码器等组成一套完整的绞车电控系统。具有对绞车单动、联动、自动、手动控制功能，对绞车速度、拉力、电机电流、绳长等进行显示，并对绞车进行过载保护。系统采集现场传感器信号、操作台控制指令输入、输出控制指令到执行机构、显示并存储系统参数和故障记录等。

操作面板上设置各种按钮、指示灯、选择开关等元件。变频器用于驱动牵引电机、张紧电机。空压站用于给动态制动器提供需要的气压。水冷系统用于循环冷却动态制动器。冷却塔风机用于冷却循环水。

可编程控制器(PLC)采用西门子S7-400H冗余PLC，各种性能的模块支持热插拔，简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活，方便用户和简易的无风扇设计，当控制任务增加时，可自由扩展，采用模块化及无 风扇设计，坚固耐用。其主要由中央处理器(CPU)、微存储卡(MMC)、PS电源、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块构成。

人机界面(HMI)采用西门子12寸触摸屏和工控机，显示并记录以下内容：缆绳输出长度、缆绳张力值、缆绳速度、动态制动器水冷系统压力和温度、动态制动器气压、变频器输出功率、电流、电压、频率、系统报警和故障信息、各个机构的工作状态。以上内容可以通过趋势图或列表的形式显示并存储，方便查询，并可以导出到excel表中用于试验分析和处理，拥有操作权限的工程师可以通过HMI设置系统的参数，比如停止位置、报警上下限值等。HMI选用触摸屏、工控机,满足高性能应用的要求。具有事件记录、逻辑编程等功能。

低压控制元件选用施耐德IC65和NS列断路器具有短路保护、过载保护、控制和隔离等功能。施耐德LC1系列接触器，施耐德RXM系列继电器，施耐德XB2B系列按钮指示灯，最大工作电压为440VAC，机械寿命为20000次，使用环境温度为-15℃至+45℃，相对湿度为95％。

(3.4)电源系统

后备电源(UPS)为系统控制电源和传感器提供备用电源，当电网电源正常时由电网给系统供电，同时电网电源为后备电源的蓄电池充电；电网电源故障时，后备电源系统自动投入为系统供电。确保电网电源故障时拖曳系统可以安全停止。

本实用新型提供的拖曳试验牵引系统的工作过程及说明如下：

(1)、工作条件

环境温度：最高45℃，最低-15℃；相对湿度：46％～95％；无导电尘埃和破坏绝缘介质的气体或蒸汽；无剧烈振动和冲击；良好通风条件。

(2)、现场安装

①、根据外形尺寸及地脚螺钉孔打好地基后可进行设备就位、找平、埋妥地脚螺钉。水泥固化后可拧紧地脚螺钉以固定设备。

②、按图接上电源线，输出线。检查进出线正确之后，应检查绝缘，用500V摇表在2MΩ以上方可送电，否则要检查原因并消除之后，方可送电。检查电机绝缘和电线连接性，转子转动灵活性，机械传动机构是否正常。

③、以上均正常后，接通电源，并注意现场不能因电机转动而伤害人和设备。观察电机运转是否正常，包括电流大小，转速高低，以及旋转方向是否正确。

(3)、上电顺序

变频柜：先检查柜门上的电压表显示电压是否正常，电压正常后依次合上所有断路器。

(4)、自动正向拖曳操作

自动正向拖曳流程如框图6所示：

①、拖曳体准备就绪

拖曳体到达预定位；拖曳体与缆绳固定完成；与拖曳体试验相关的准备工作均完成；通过操作台输入拖曳体准备就绪指令，该指令在一次试验完成或试验过程中出现故障时自动复位拖曳体准备就绪指令，再动时须再次输入该指令。

②、机械电气系统准备就绪

检查机械系统各部件是否正常，包括绞车和滑轮各部分轴承润滑情况等；检查电气系统各部分是否正常，手动操作离合器、高速制动器、棘轮棘爪、空压站和水冷系统，确认各部分动作正确；检查各部分正常后，输入机械和电气系统准备就绪指令，该指令在一次试验完成或试验过程中出现故障时自动复位，再动时须再次输入该指令。

系统上电自检

控制系统自检，上电后控制系统对CPU、输入输出模块进行自检，自检通过后CPU运行指示灯常亮；网络系统自检，上电后自动检测CPU与变频器、编码器和上位机通讯网络是否正常；传动系统自检，上电后自动检测变频器是否正常；检测系统自检，上电后自动检测编码器、压力传感器、温度传感器等是否正常；系统上电后自动检测供电系统是否正常，各个按钮和转换开关输入是否正常；以上自检通过后，指示灯亮起。

④、选择自动模式

通过集中操作台上的选择开关选择自动运行模式，选择自动模式前必须确保所有按钮和转换开关在零位，否则无法选择自动模式，该模式在一次试验完 成或试验过程中出现故障时自动退出，再次试验时必须重新选择。

⑤、选择试验参数

拖曳试验牵引控制系统主界面如图7所示，参数设计界面如图8所示。根据不同的拖曳体和试验要求确认试验参数组，选择与之相对应的试验子程序和试验参数组，拥有操作权限的试验人员在HMI界面输入授权后可以对相应的试验子程序和试验参数组进行修改，若修改不合理系统会报警；拥有操作权限的试验人员在HMI界面上选择与要试验拖曳体相对应的试验子程序和试验参数；为确保试验参数准确，该参数需要经过至少两个人确认后方可生效，系统将记录修改人员、修改时间、修改前后数值，并提供查询修改记录；在一次试验完成或试验过程中出现故障时该选择自动取消，也可以在HMI界面人为取消。

系统启动与“建张力”

经过以上准备工作后，按下启动按钮，系统按照设定的程序开始运行。拖曳试验牵引控制系统牵引电流趋势曲线界面如图9所示：

空压站和水冷系统启动，管道空气压力和冷却水压力达到设定值后，调节动态制动器空气管道上的比例阀，使动态制动器提供最大制动力；张紧绞车离合器脱开，张紧绞车棘轮棘爪打开；牵引绞车离合器合上，牵引绞车棘轮棘爪打开，变频器使能，打开牵引绞车高速制动器，打开牵引绞车动态制动器；比较张紧绞车端和牵引绞车端的张力传感器检测到的缆绳的张力值均为3T时，系统“建张力”成功，进行下一步动作。

加速阶段

牵引绞车变频器通过斜坡函数发生器逐步增大输出转矩，该转矩根据计算需要的加速度确定，使缆绳上的张力值变大到3.1T(该张力值的具体数值需要根据试验来确定)；通过调节比例阀开度，逐渐减小张紧绞车动态制动器的制动力，使张紧绞车端张力传感器检测到缆绳张力为3T(在此过程中，当张紧绞车端张力传感器检测到的缆绳张力小于3.1T时，拖曳体开始缓慢加速)；牵引绞车变频器通过斜坡函数发生器逐步增大输出转矩，增大到接近拖曳体能承受的拉力安全阀值，拖曳体在设定的距离范围内逐渐加速到设定速度(在此过程中，自动调整比例阀的开度，使张紧绞车端张力传感器检测到的缆绳张力值在3T左右波 动，该波动范围需通过具体试验得出)；拖曳体运行起来后，系统通过编码器自动计算航行体的当前位置。

⑧、恒速阶段

保持张紧绞车端张力传感器检测到的缆绳张力值稳定在3T左右，牵引绞车保持恒定速度运行，直到拖曳体到达减速位置。

⑨、减速阶段

牵引绞车变频器通过斜坡函数发生器逐步减小输出转矩，该转矩根据计算需要的加速度值确定，使牵引绞车端张力传感器检测到的缆绳张力值为3.1T左右(具体数值通过试验确定)；调节比例阀开度，逐渐增大张紧绞车动态制动器的制动力，使张紧绞车端张力传感器检测到缆绳张力接近拖曳体能承受的安全阀值；在此过程中，拖曳体减速。

⑩、准确带张力停车

当系统检测到缆绳速度接近零，且牵引绞车端张力传感器和张紧绞车端张力传感器检测到的张力值均为3.1T左右(具体数值通过试验确定)；张紧绞车动态制动器关闭，棘爪关闭；牵引绞车动态制动器关闭，棘爪关闭，高速制动器关闭，变频器使能断开，停车完毕。

在上述过程中，在具体实现上，参考图9，控制系统通过以下具体方式实现对牵引绞车和张紧绞车张力自适应协同控制：

在当前时刻，牵引绞车PID自适应控制器获得牵引绞车放线速度给定值；还通过牵引绞车出绳方向传感器获得牵引绞车当前出绳方向，还通过牵引绞车张力传感器获得牵引绞车当前实际张力值；牵引绞车PID自适应控制器对输入的参数进行糊模处理，得到初始转矩调整量，一方面，初始转矩调整量经转矩限幅器后，输入到运动控制器；另一方面，初始转矩调整量经系数调节器处理后，作为涨紧绞车的涨力给定值，输入到张紧绞车PID自适应控制器，张紧绞车PID自适应控制器还通过张紧绞车出绳方向传感器获得张紧绞车当前出绳方向，还通过张紧绞车张力传感器获得张紧绞车当前实际张力值，张紧绞车PID自适应控制器对输入的参数进行糊模处理，得到初始速度调整量，初始速度调整量经速度限幅器后，输入到运动控制器；

运动控制器对接收到的张紧绞车速度调整量以及牵引绞车转矩调整量进行综合处理，生成张紧绞车速度控制量以及牵引绞车转矩控制量，通过对张紧绞车伺服驱动器的控制，实现调整张紧绞车速度的功能，以及，通过对牵引绞车伺服驱动器的控制，实现调整牵引绞车转矩的功能。

其中，设置转矩限幅器的主要作用为：PID输出进行转矩限幅，可以防止牵引绞车缆绳的张力过大，出现危险。

本实用新型中，牵引绞车和张紧绞车的PID输出均作为运动控制器的输入，经过运动控制器处理后，通过伺服驱动器及伺服电机形成双轴联动，从而形成自适应协同控制。

另外，牵引绞车的速度给定值并不是常量，而是一个变化量，当牵引绞车的速度给定值变大时，经过牵引绞车PID处理后，牵引绞车通过加大转矩值提升牵引速度，同时速度的增量给到涨紧绞车的张力输入端，使涨紧绞车的张力同时变大，使整个系统平稳过渡到下一个静态，也就是速度恒值，当牵引绞车速度给定值变小时，涨紧绞车张力给定值也变小，同时牵引绞车的牵引力变小，使整个系统迅速过渡到给定的速度稳态。

(5)、自动反向拖曳流程

自动反向拖曳流程与正向拖曳流程类似，只是牵引绞车与张紧绞车的功能互换，动作顺序一样。

(6)、急停操作流程

系统设置两个急停按钮，当按下第一个急停按钮时，系统按照自动正向拖曳流程中的“11”和“12”进行减速带张力停车；当按下第二个按钮时切断供电电源，达到本质安全。

(7)、拖缆绳张力异常操作流程

运行过程中，系统检测到缆绳张力有急剧变大趋势时，发出预警信息；系统检测到缆绳张力接近设定值后，牵引绞车逐渐减小牵引力，同时张紧绞车逐渐减小张紧力，拖曳体靠自身阻力停止。

(8)、手动操作流程

在集中操作台上选择手动操作，通过面板上的旋钮手动操作系统种各部分 单独动作，并可以通过旋钮调整绞车的速度和制动力的大小。手动操作主要用于调试、检修，试验前位置调整。

(9)、注意事项

①、进行“联动”操作前，必须确保钢丝绳连接在一起且牢固可靠，禁止钢丝绳没有连接在一起进行联动操作。

②、进行“联动”操作前，必须确保钢丝绳处于张紧状态，否则辅机钢丝绳会出现突然收紧发生抖动。

③、在启动绞车之前，必须确保卷筒上的钢丝绳没有乱绳现象。

④、在操作过程中，需要一个人，监视绞车运行状态，当出现情况时按下“紧急停止”按钮。

⑤、在放缆时，需要有人监视放出钢丝绳的长度，不可以放出过多，否则容易出现乱绳的现象，出现乱绳必须马上停止，重新将缆绳排列整齐。

⑥、每次牵拉前必须确认牵拉停止位置开关正常、绳长检测编码器正常。

⑦、保证控制柜周围空气干燥，系统超过半月不工作，在此工作需上电一小时后再进行操作。

(10)、使用和维护

①、保证使用时不要超负荷运转，要严格按照操作步骤和注意事项操作。

②、定期进行维护保养，经常检查接线鼻子有无松动，尘埃太厚时应及时清理，否则，可能使绝缘降低引起短路或“放炮”。

③、更换元件时，应核准元件参数，如耐压、电流、尺寸等，接线时注意极性。

④、定期检查传感器连接是否牢固可靠。

⑤、定期检查系统接地是否可靠。

⑥、定期检查抱闸打开指示接近开关是否正常。

⑦、要保证系统各安全保护装置工作正常，不得随意拆除。

⑧、定期清扫系统控制柜，变频柜的过滤网每月进行一次清理，保证系统稳定运行。

牵引绞车(主绞车)提供拖曳体前进所需拖曳力。在加速段，主绞车能够将拖 曳体平稳加速到试验测量所需航速(2kn，6kn和10kn)。在匀速测量段，保证拖曳体速度稳定在额定速度上，速度波动不超过±2％。在安全缓冲段，拖曳系统将拖曳体减速至停泊区。进行下一次试验前，拖曳系统反向运行，牵引绞车反转，作为张紧装置，将拖曳体以2kn的速度退回到备航区。

张紧绞车(副绞车)提供拖曳体前进时的张紧力，保持拖曳体的稳定航行。在试验过程中，保持拖曳体尾部缆绳的恒张力为3T。在安全缓冲区，副绞车将拖曳体低速拖曳至停泊区。进行下一次实验前，需要张紧绞车反转，提供牵引力，使航行体以2kn的速度退回到准备区，此时需要拉力为0.107T，加上张紧力3T，总计为3.107T。

拖曳试验系统可以将6t到400t级的水中拖曳体以2节到10节速度作正向拖曳航行，运行方向如图3所示(图中对拖曳试验系统的各部件名称进行了规范)。拖曳体也可以2节速度作反向拖曳航行，运行方向如图4所示。正向拖曳航行时，拖曳体上的螺旋桨可以旋转，也可不旋转。反向拖曳航行主要用于拖曳体归位，螺旋桨不旋转。

拖曳系统拖带拖曳体，在左、右岸支柱中间段的1km到2.0km的区间，实现拖曳体定速的稳定拖曳航行。在拖曳航行的加、减速段和匀速航行段，拖曳系统均能稳定运行。拖曳试验系统中关键部分在于绞车牵引控制系统，控制系统决定拖曳试验系统的成败。

(11)拖曳试验牵引系统性能指标

具备对400t级拖曳体实施拖曳直线航行的能力，最大拖曳速度为10kn(308m/min)，拖曳体航速稳定要求以电机转速控制指标为准；

(1)正向拖曳时，拖曳体后部最小张力不小于3t；

(2)反向拖曳时，拖曳体后部最小张力部小于1t；

(3)拖曳系统运行过程中，除断电情况外，缆绳张力须大于零；

(4)正向牵引最大拉力：6.17t；

(5)正向牵引最大额定速度：308m/min(10kn)；

(6)反向牵引最大拉力：3.107t；

(7)反向牵引最大额定速度：61m/min(2kn)；

(8)绞车容绳量3000m(其中一台绞车的容绳量满足能将缆绳完全收回功能)；

(9)张紧力波动幅值不超过±3％，绞车转速波动不超过额定值的±1％；

(10)牵引绞车正向拖曳时提供拖曳体前进所需牵引力，反向拖曳时提供必要的张紧力；张紧绞车同样具备以上功能；

(11)绞车上设置高速级制动器及水冷动态制动器，其中高速级制动器为常开，水冷动态制动器为常闭设计。张紧绞车水冷动态制动器起到保持张紧力的功能，能够在紧急情况下，逐渐增大张紧力，使拖曳体逐渐平稳停止；牵引绞车水冷动态制动器起到定止卷筒、实现动平衡的功能。高速级制动器起到在绞车变频电机与水冷动态制动器保持动平衡时给予停车制动，使系统保持静止，此时牵引绞车的水冷制动器也起到停车制动及止定卷筒的功能。

(12)设置两个急停开关，一个用于紧急情况下带张力停车，另一个用于迅速切断总控制电源(考虑到人员和设备的安全，该急停开关需要用钥匙复位)。

现有技术存在的拖曳试验牵引系统，具有以下问题：

(1)、拖曳体在水中受到风浪涌流的作用，运行极不稳定，要保持拖曳体六自由度稳定，且不能偏移是最大的难题。

(2)、保持拖曳系统姿态稳定需要拖缆张力时刻变化，即加速度的时刻变化，存在多缆绳张力自适应协同控制的问题。

(3)、操纵拖曳体的轨迹与姿态时，作用在拖曳体的力大于设定值后，要瞬间脱离拖曳体，存在保证拖曳系统安全和工况稳定的难题及快速灵活的操纵问题。

(4)、拖曳系统主绞车与副绞车严格控制拖缆绳长度，主副绞车绳张力有严格的动态函数关系，存在协同控制主副绞车快速性的问题。

本实用新型的创新点为：

(1)、拖曳体在水中受到风浪涌流的作用时，本实用新型能保持拖曳体六自由度稳定且偏移在容许的范围内。

(2)、本实用新型的拖曳多缆绳张力自适应协同控制，使拖缆张力时刻变化，即加速度的时刻变化，保持拖曳系统姿态稳定。

(3)、本实用新型在操纵拖曳体轨迹与姿态时，能快速调整作用在拖曳体上的作用力，避免张力调节过度或反复调整。

(4)、本实用新型可协同控制拖曳系统主副绞车拖缆绳的长度及张力。

(5)、本实用新型具有双重保护功能，当绞车牵引力大于安全值时离合器自动脱开，若离合器脱开异常，则拖曳体结构块自动脱开，达到本质安全。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，包括支柱与高架驱动承台分系统和绞车式牵引分系统；

其中，所述支柱与高架驱动承台分系统包括桩基(1)，所述桩基(1)包括一体成形的平桩基(1-1)以及斜桩基(1-2)；所述平桩基(1-1)位于水面以下，所述斜桩基(1-2)的底端与所述平桩基(1-1)连接且位于水面以下，所述斜桩基(1-2)的顶端延伸到水面以上；在所述斜桩基(1-2)的顶端固定有高架驱动承台(2)；在所述平桩基(1-1)的左右两端分别固定有左岸拖曳支柱(3)和右岸拖曳支柱(4)；

所述绞车式牵引分系统包括牵引绞车(5)、张紧绞车(6)、导向滑轮组(7)和电气系统；

其中，所述导向滑轮组(7)包括4个导向滑轮，分别为左上导向滑轮(7-1)、左下导向滑轮(7-2)、右上导向滑轮(7-3)和右下导向滑轮(7-4)；所述左上导向滑轮(7-1)和所述左下导向滑轮(7-2)固定于所述左岸拖曳支柱(3)的上部和下部；所述右上导向滑轮(7-3)和所述右下导向滑轮(7-4)固定于所述右岸拖曳支柱(4)的上部和下部；

所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)布置于所述高架驱动承台(2)，所述牵引绞车(5)的缆绳(9)绕过所述左上导向滑轮(7-1)后，固定到拖曳体(8)的一端；所述张紧绞车(6)的缆绳依次绕过所述左下导向滑轮(7-2)、所述右下导向滑轮(7-4)和所述右上导向滑轮(7-3)后，固定到所述拖曳体(8)的另一端；

所述电气系统用于驱动控制所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)动作，进而对所述拖曳体进行拖曳动作。

2.根据权利要求1所述的海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，所述牵引绞车(5)和所述张紧绞车(6)均包括卷扬机、减速机、电动机以及绞车附加装置；所述电动机通过所述减速机与所述卷扬机联动。

3.根据权利要求2所述的海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，所述绞车附加装置包括气动棘轮棘爪止定装置、高速级制动器、气动水冷式动态制动器、离合器以及压绳器。

4.根据权利要求3所述的海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，所述电气系统包括控制系统、驱动系统、电源系统和检测系统；所述控制系统分别与所述驱动系统、所述电源系统和所述检测系统连接。

5.根据权利要求4所述的海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，所述检测系统包括：

牵引缆绳张力传感器，用于检测牵引缆绳的张力值；

张紧缆绳张力传感器，用于检测张紧缆绳的张力值；

牵引缆绳编码器，用于测量牵引缆绳的速度和长度；

张紧缆绳编码器，用于测量张紧缆绳的速度和长度；

牵引绞车出绳方向传感器，用于测量牵引绞车在水平与垂直两个方向的出绳方向；

张紧绞车出绳方向传感器，用于测量张紧绞车在水平与垂直两个方向的出绳方向；

高速级制动器开/关状态检测设备、气动水冷式动态制动器开/关状态检测设备、离合器开/关状态检测设备、棘轮棘爪止定装置开/关状态检测设备、气动水冷式动态制动器的气源压力传感器、气动水冷式动态制动器的冷却水压力传感器和气动水冷式动态制动器的冷却水温度传感器。

6.根据权利要求4所述的海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，所述驱动系统包括变频驱动系统和电动气压驱动系统；

其中，所述变频驱动系统包括两套变频驱动单元，分别用于驱动牵引绞车电动机和张紧绞车电动机；

所述电动气压驱动系统包括三套气压驱动单元，分别用于驱动气动水冷式动态制动器动作、驱动离合器的气缸动作以及驱动棘轮棘爪止定装置的气缸动作。

7.根据权利要求6所述的海洋工程拖曳试验牵引系统，其特征在于，所述变频驱动系统包括12脉整流变压器、整流器、逆变器、制动单元、制动电阻以及直流母线；

所述整流器的输入端通过所述12脉整流变压器连接到电网；所述整流器的输出端并联到直流母线；

所述直流母线还并联连接到所述逆变器的一端，所述逆变器的另一端用于与变频器连接；

所述直流母线还并联连接到所述制动单元的一端，所述制动单元的另一端与所述制动电阻连接。