恒张力高架索海上补给系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种恒张力高架索海上补给系统，包括第1支撑柱(1)、第2支撑柱(2)、外索引绞车(3)、内索引绞车(4)、高架索绞车(5)、波浪补偿装置(6)、导向滑轮组以及吊车装置(7)。具有以下优点：(1)具有结构简单、成本低以及易安装施工的优点。(2)通过配置多轴控制的共直流母线驱动器，既节能环保又提高了系统电能的利用率，同时减少了制动电阻的投资，避免了制动电阻散热的问题。
【专利说明】
恒张力高架索海上补给系统
技术领域
[0001]本实用新型属于海上补给技术领域，具体涉及一种恒张力高架索海上补给系统。
【背景技术】
[0002]随着海洋开发战略的逐步深入，由于港口、航道、海况等多方面因素限制，船舶往往不能进港靠岸补给，因此，需要对舰船、海洋平台进行海上补给，从而延长舰船续航力。
[0003]海上补给是指:利用补给船上的补给装置对接受船进行海上物资补给，及时补充接受船所需的食品、燃油、淡水、备件、材料等物料储备，延长接受船在海上的停留时间和活动范围，满足长时间大范围的海上活动。
[0004]我国海上补给起始于20世纪80年代，海上补给技术的研究起步晚，但借鉴国外的补给技术，发展迅速。最初的补给范围仅限于液货，如燃油和淡水等液态物质。经过近10年的不断探索与实践，在借鉴国外先进技术的基础上，90年代的海上补给技术得到了长足进步，实现了横向、纵向以及垂向的全面立体式补给模式，补给范围扩展到食品、弹药、物资等干货补给，补给距离也向远程发展。
[0005]然而，在实现本实用新型的过程中，发明人发现，现有技术至少存在以下问题:
[0006]现有的海上补给系统，普遍具有结构复杂、成本高以及不易安装施工的问题。
【实用新型内容】
[0007]针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种恒张力高架索海上补给系统，可有效解决上述问题。
[0008]本实用新型采用的技术方案如下:
[0009]本实用新型提供一种恒张力高架索海上补给系统，包括第I支撑柱(1)、第2支撑柱
(2)、外索引绞车(3)、内索引绞车(4)、高架索绞车(5)、波浪补偿装置(6)、导向滑轮组以及吊车装置(7);
[0010]其中，所述外索引绞车(3)、所述内索引绞车(4)、所述高架索绞车(5)、所述波浪补偿装置(6)和所述第I支撑柱(I)均布置于补给船，所述第2支撑柱(2)布置于接受船;所述吊车装置(7)布置于所述第I支撑柱(I)和所述第2支撑柱(2)之间；
[0011]所述导向滑轮组包括第I导向滑轮(8-1)、第2导向滑轮(8-2)、第3导向滑轮(8-3)和第4导向滑轮(8-4);所述第I导向滑轮(8-1)、所述第2导向滑轮(8-2)和所述第3导向滑轮(8-3)按由上而下方向，依次固定于所述第I支撑柱(I)的上部;所述第4导向滑轮(8-4)固定于所述第2支撑柱(2);
[0012]所述外索引绞车(3)的外牵索(9)依次绕过所述第I导向滑轮(8-1)和所述第4导向滑轮(8-4)后，固定到所述吊车装置(7)的第I固定端(7-1);所述内索引绞车(4)的内牵索
(10)绕过所述第3导向滑轮(8-3)后，固定到所述吊车装置⑴的第2固定端(7-2);所述高架索绞车(5)的高架索(11)依次绕过所述波浪补偿装置(6)、所述第2导向滑轮(8-2)、所述吊车装置(7)的第3固定端(7-3)后，固定到所述第4导向滑轮(8-4)的支撑架上。
[0013]优选的，所述外索引绞车(3)、所述内索引绞车(4)和所述高架索绞车(5)均包括卷扬机、伺服驱动器、伺服电机以及绞车附加装置;所述伺服电机通过所述伺服驱动器与所述卷扬机联动；
[0014]其中，所述绞车附加装置包括棘轮棘爪止定装置、制动器、离合器以及压绳器。
[0015]优选的，所述波浪补偿装置(6)为液压伺服油缸，所述液压伺服油缸包括伸缩杆，从所述高架索绞车(5)引出的高架索穿过所述伸缩杆的顶端，然后再绕过所述第2导向滑轮(8-2)、所述吊车装置(7)的第3固定端(7-3)后，固定到所述第4导向滑轮(8-4)的支撑架上；当所述液压伺服油缸的伸缩杆进行伸缩运动时，可带动所述高架索进行同步运动，进而调整所述高架索的张力值。
[0016]优选的，外索引绞车的伺服驱动器、内索引绞车的伺服驱动器和高架索绞车的伺服驱动器采用多轴控制的共直流母线驱动器，包括:12脉整流变压器、整流器、第I逆变器、第2逆变器、第3逆变器、制动单元、制动电阻以及直流母线；
[0017]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；
[0018]所述直流母线还并联连接到所述第I逆变器的一端，所述第I逆变器的另一端用于与外索引绞车的伺服电机连接；
[0019]所述直流母线还并联连接到所述第2逆变器的一端，所述第2逆变器的另一端用于与内索引绞车的伺服电机连接；
[0020]所述直流母线还并联连接到所述第3逆变器的一端，所述第3逆变器的另一端用于与高架索绞车的伺服电机连接；
[0021]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。
[0022]本实用新型提供的恒张力高架索海上补给系统具有以下优点:
[0023](I)具有结构简单、成本低以及易安装施工的优点。
[0024](2)通过配置多轴控制的共直流母线驱动器，既节能环保又提高了系统电能的利用率，同时减少了制动电阻的投资，避免了制动电阻散热的问题。
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型提供的恒张力高架索海上补给系统的整体结构示意图；
[0026]图2为本实用新型提供的恒张力高架索海上自适应控制分系统的结构示意图；
[0027]图3为本实用新型提供的外牵引绞车恒张力控制数学模型原理框图；
[0028]图4为本实用新型提供的内牵引绞车恒张力控制数学模型原理框图；
[0029]图5为本实用新型提供的高架索绞车恒张力控制数学模型原理框图；
[0030]图6为本实用新型提供的主动波浪补偿系统原理框图；
[0031 ]图7为本实用新型提供的运动控制系统公共直流母线系统单线图；
[0032]图8为本实用新型提供的自动仓储系统的结构示意图；
[0033]图9为本实用新型提供的恒张力高架索海上自适应控制补给方法的流程示意图。【具体实施方式】
[0034]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。
[0035]海上补给是远洋舰船、海洋平台重要的后勤保障，世界各国海军都非常重视海上补给技术，成为决定是海洋平台工作和舰船续航力的关键因素。本实用新型的目的是提供一种恒张力高架索海上补给系统，简化船舶海上补给装备的复杂度，全面提高我国海上补给能力和技术水平，填补我国海上补给控制技术领域的空白。
[0036]具体的，现有海上补给系统存在的问题包括:
[0037](I)海上补给技术的自动化水平不高，补给过程需要人工参与才能完成，补给效率低。
[0038](2)海上补给系统所需的绞车数量多，接受补给的船处于被动状态，补给船与接受船之间在补给过程中没有协同控制，适应恶劣海况的能力差。
[0039](3)缺少波浪补偿应用技术，牵引绞车不能补偿两船的相对运动。
[0040](4)没有采用恒张力高架索自适应控制技术，不具备发送和接收端货物自动装卸能力。
[0041]结合图1，为本实用新型提供的恒张力高架索海上补给系统的整体结构示意图，包括第I支撑柱1、第2支撑柱2、外索引绞车3、内索引绞车4、高架索绞车5、波浪补偿装置6、导向滑轮组以及吊车装置7;
[0042]其中，外索引绞车3、内索引绞车4、高架索绞车5、波浪补偿装置6和第I支撑柱I均布置于补给船，第2支撑柱2布置于接受船；吊车装置7布置于第I支撑柱I和第2支撑柱2之间；
[0043]导向滑轮组包括第I导向滑轮8-1、第2导向滑轮8-2、第3导向滑轮8-3和第4导向滑轮8-4;第I导向滑轮8-1、第2导向滑轮8-2和第3导向滑轮8-3按由上而下方向，依次固定于第I支撑柱I的上部;第4导向滑轮8-4固定于第2支撑柱2;
[0044]外索引绞车3的外牵索9依次绕过第I导向滑轮8-1和第4导向滑轮8-4后，固定到吊车装置7的第I固定端7-1;内索引绞车4的内牵索10绕过第3导向滑轮8-3后，固定到吊车装置7的第2固定端7-2;高架索绞车5的高架索11依次绕过波浪补偿装置6、第2导向滑轮8_2、吊车装置7的第3固定端7-3后，固定到第4导向滑轮8-4的支撑架上。
[0045]实际应用中，还可以包括恒张力高架索海上自适应控制分系统，恒张力高架索海上自适应控制分系统用于驱动控制外索引绞车3、内索引绞车4、高架索绞车5和波浪补偿装置6动作，进而实现吊车装置7在补给船和接受船之间运动。恒张力高架索海上自适应控制分系统包括运动控制系统、电源系统和检测系统;运动控制系统分别与电源系统和检测系统连接。恒张力高架索海上自适应控制分系统框图如图2所示，CPU作为控制系统的核心，控制外索引绞车、内牵引绞车、高架索绞车、伺服油缸、自动仓储系统、液压和气压站系统、升降机等其他辅助系统；同时CHJ采集处理伺服油缸行程、张力、长度、以及系统其他辅助系统的信号。
[0046](I)外索引绞车3、内索引绞车4和高架索绞车5和伺服驱动器
[0047]外索引绞车3、内索引绞车4和高架索绞车5均包括卷扬机、伺服驱动器、伺服电机以及绞车附加装置;伺服电机通过伺服驱动器与卷扬机联动;绞车附加装置包括棘轮棘爪止定装置、制动器、离合器以及压绳器。
[0048](1.1)伺服驱动器
[0049]伺服驱动器，其动态特性高，驱动力和动态特性的平衡达到最佳状态，体积紧凑，具有高等级的防护、耐用的轴承设计和抗振动的结构。伺服电机既使在恶劣环境下依然是理想的解决方案。内部集成的KTY84温度传感器可额外保护伺服电机绝缘绕组。永磁伺服电机利用最新的磁体技术，比传统的三相电机具有更高的效率，伺服电机调速时没有励磁损耗。
[0050]伺服驱动系统转矩控制性能参数:控制器循环周期为125ys，总加速时间为0.5ms，频率范围为650Hz，转矩波动0.6%,转矩精度±1.5%。
[0051 ]伺服驱动系统速度控制性能参数:控制器循环周期为125ys，总加速时间为2.3ms，频率范围为250Hz，速度波动0.5%,速度精度< 0.001 %。
[0052]伺服驱动系统谐波:THD(I)<2.6%，THD(V)<2.3%，THD(Total)<5%。
[0053](1.2)外牵引绞车
[0054]外牵引绞车为伺服驱动的恒张力控制绞车，具备恒张力控制功能，由伺服驱动器和伺服电机驱动。传送货物时，外牵引绞车主动牵引，拉动传送小车从补给船向接受船移动；回程时，外牵引绞车工作在恒张力控制模式，保持外牵引索张力恒定。
[0055]外牵引绞车恒张力控制数学模型原理框图如3图所示:CPU根据系统预先设定数学模型控制外牵引绞车，使其工作在牵引模式或者恒张力模式下，CPU根据不同工况通过控制伺服电机控制外牵引绞车的方向、速度和加速度，保证货物快速、平稳、安全的传输。
[0056](1.3)内牵引绞车
[0057]内牵引绞车为伺服驱动的恒张力控制绞车，具备恒张力控制功能，由伺服驱动器和伺服电机驱动。传送货物时，内牵引绞车工作在恒张力控制模式，可保证内牵引索张力恒定；回程时，内牵引绞车主动牵引，拉动小车从接受船牵引到补给船上。
[0058]内牵引绞车恒张力控制数学模型原理框图如4图所示:CPU根据系统预先设定数学模型控制内牵引绞车，使其工作在牵引模式或者恒张力模式下，CPU根据不同工况通过控制伺服电机来控制绞车的方向、速度、加速度和拉力，保证货物快速、平稳、安全的传输。
[0059]可见，内外牵引绞车均具备恒张力功能:传送货物时，内牵引绞车实施恒张力控制，基于运动控制的CPU计算出的调整量输出控制信号到伺服驱动器，来整定内牵引绞车电机转矩限制输入值。当外牵引绞车启动后，联锁松开内牵引绞车制动器，内牵引绞车即在该转矩限制模式中运行，当外力小于转矩限制值，内牵引绞车正转电动收缆，钢索张力达到转矩整定谷值时电动机进行位置伺服状态；当外力大于转矩限制值，内绞车反转自动放缆，钢索张力达到转矩整定峰值时电动机进行位置伺服状态，实现恒张力控制。
[0060]回程时，外牵引绞车实施恒张力控制，基于运动控制的CPU计算出的调整量输出控制信号到伺服驱动器，来整定外牵引绞车电机转矩限制输入值。当内牵引绞车启动后，联锁松开外牵引绞车制动器，外牵引绞车即在该转矩限制模式中运行，当外力小于转矩限制值，外牵引绞车正转电动收缆，钢索张力达到转矩整定谷值时电动机进入位置伺服状态；当外力大于转矩限制值，外绞车反转自动放缆，钢索张力达到转矩整定峰值时电动机进入位置伺服状态，实现恒张力控制。
[0061 ] (1.4)高架索绞车
[0062]高架索绞车恒张力控制数学模型原理框图如5图所示:CPU根据系统预先设定数学模型配合伺服油缸，使其工作在恒张力模式下，具体的:CPU对检测到高架索的长度、高架索的速度、船体的升降运动状态、高架索张力值进行计算，根据不同工况通过控制伺服电机控制绞车的方向、速度、加速度和拉力，保证高架索张力维持在设定范围内。
[0063](2)波浪补偿装置
[0064]高架索波浪补偿采用双闭环控制，具备恒张力控制功能，由高架索绞车与液压伺服油缸协同工作进行补偿动作，两个补偿机构由驱动和控制系统统一控制，保证高架索始终处于恒张力状态。
[0065]波浪补偿装置包含被动波浪补偿和主动波浪补偿两部分。其中，液压伺服油缸为内环控制，其特点是反应迅速，补偿幅度小;高架索绞车为外环控制，其特点是反应迟后，但补偿幅度大，主要用于增大补偿幅度，保证作业安全。
[0066](2.1)被动波浪补偿
[0067]被动波浪补偿采用液压伺服油缸，液压伺服油缸包括伸缩杆，从高架索绞车5引出的高架索穿过伸缩杆的顶端，然后再绕过第2导向滑轮8-2、吊车装置7的第3固定端7-3后，固定到第4导向滑轮8-4的支撑架上；当液压伺服油缸的伸缩杆进行伸缩运动时，可带动高架索进行同步运动，进而调整高架索的张力值。
[0068]其工作原理为:液压伺服油缸为被动波浪补偿，当缆绳上张力值超过设定范围时，液压伺服油缸根据设定程序进行伸缩行程调节，该方式系统响应比较快但补偿范围有限，所以该波浪补偿方式用于海况比较好且高架索张力变化不大的情况，既可保证正常安全的补给作业，又节能环保。
[0069](2.2)主动波浪补偿
[0070]基于全集成运动控制的主动波浪补偿系统用于海况较差或者高架索张力变化比较大的情况下。其系统原理框图如图6所示
[0071]基于全集成运动控制的主动波浪补偿系统中，绞车卷筒轴编码器、船舶升降加速度传感器、张力传感器分别将高架索的长度、高架索的速度、船体的升降运动状态、高架索张力值等数据实时发送到运动控制器的CPU中，CPU通过计算得到高架索实际张力值与设定值由于波浪导致船体升降形成的偏差，上述数据经过CPU运算处理后输出控制信号控制绞车电机的转速、方向和转矩值，最终控制绞车收缆和放缆，实现主动波浪补偿。系统采用PID前馈控制，配合运动控制系统CPU微秒级的响应速度快速准确的输出信号到伺服驱动器，控制绞车收缆和放缆操作。
[0072](3)检测系统
[0073]检测系统包括:
[0074]高架索张力传感器，用于检测高架索的张力值；
[0075]高架索卷筒轴编码器，用于检测高架索的长度和速度值；
[0076]外牵索卷筒轴编码器，用于检测外牵索的长度和速度值；
[0077]内牵索卷筒轴编码器，用于检测内牵索的长度和速度值；
[0078]伺服油缸行程检测器，用于检测伺服油缸实际伸缩行程值；
[0079]船舶升降加速度传感器，用于检测船体的升降运动状态；
[0080]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。
[0081 ] 其中，对于制动器，可采用高速级制动器、气动水冷式动态制动器，因此，可同时配置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。
[0082]通过张力传感器检测牵引缆绳和张紧缆绳的张力值;编码器测量缆绳的速度和长度;接近开关检测制动器、棘轮棘爪打开/关闭位置;预留液压站和气动系统的传感器信号接口，采集压力、温度、液位、流量等信息，将采集到的信息经过处理，进行显示和记录，超过设定值发出报警信息并进行保护。
[0083](4)运动控制系统
[0084]本实用新型针对多轴联动设计了运动控制系统，将运动控制、逻辑控制及工艺控制功能集成化，为多轴复杂运动提供了完整的解决方案。高架索补给装置的运动控制复杂，对速度及精度的要求很高，本实用新型的运动控制系统解决高架索补给装置的复杂运动，由一个运动控制系统完成所有的运动控制任务，适用于具有许多运动部件的设备。
[0085]本实用新型运动控制系统有三个组成部分:
[0086]①工程开发系统
[0087]实现由一个系统解决所有运动控制、逻辑及工艺控制的问题，并且还能够提供所有必要的工具，从编程到参数设定，从测试调试到故障诊断。
[0088]②实时软件模块
[0089]实时软件模块提供了众多的运动控制及工艺控制功能，针对某一特定的设备所需的功能，灵活地选择相关的模块。
[0090]③硬件平台
[0091]作为运动控制系统的基础，由工程开发系统所开发且使用了实时软件，模块的应用程序可以运行在不同的硬件平台上，可根据高架索补给装置控制系统的特点选择最适合的硬件平台。
[0092]本实用新型的运动控制系统集V/F、矢量和伺服控制于一体、多轴资源共享、模块化设计，能实现高效而又复杂的运动控制。该运动控制系统内部有电流反馈环节，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，对电网无冲击，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。
[0093]该运动控制系统采用多轴控制的共直流母线DC/AC驱动器用于高架索补给装置的驱动控制，高架索补给装置在工作过程中，有些机构工作在电动状态，有些机构工作在发电状态;工作在发电状态的机构将电能反馈到直流母线上，由工作在电动状态的机构将其消耗掉，不同于传统的驱动器通过外接制动电阻将反馈的电能消耗掉，这样既节能环保又提高了系统电能的利用率，同时减少了制动电阻的投资，避免了制动电阻散热的问题；当工作在电动状态的机构无法将反馈的电能消耗掉时可以根据具体情况选择通过制动电阻消耗或则直接反馈至电网。
[0094]运动控制系统性能参数:IPO时钟周期为0.25-0.5ms，伺服时钟周期为0.25ms，插补时钟周期为0.25ms ,Profibus时钟周期为Ims ,Profinet时钟周期为0.25ms，运行内存为128MB。
[0095]共直流母线系统还有以下优点:功率因数高，可达95%以上;通过12脉整流变压器和整流单元大大降低电网谐波;系统动态响应高，允许高架索补给装置频繁动作。运动控制系统公共直流母线系统单线图如图7所示: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电机变频器连接;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。逆变器的设置数量为4个，分别为第I逆变器、第2逆变器、第3逆变器和第4逆变器;第I逆变器的一端与直流母线连接，第I逆变器的另一端与高架索绞车变频器连接;第2逆变器的一端与直流母线连接，第2逆变器的另一端与外索引绞车变频器连接;第3逆变器的一端与直流母线连接，第2逆变器的另一端与内索引绞车变频器连接;第4逆变器的一端与直流母线连接，第4逆变器的另一端与升降绞车变频器连接。
[0096](5)货物自动供给系统
[0097]货物自动供给系统包括自动仓储系统12、升降机13以及传送车14;
[0098]对于自动仓储系统12，其主要设计原理参考图8，在内部布置和货舱设计上，尽量使补给品能够在船内迅速提取和移动，并且采用自动仓库技术，通过系统CHJ控制与管理传送装置和补给物资。自动仓储系统自动记忆货物存放位置，利用无人搬运车系统、自动存取叉车与条形码扫描设备，可以自动存取货物。
[0099]自动仓储系统是由高层立体货架、货物存取设备、出入库输送设备、控制系统及周边设备组成的自动化系统。自动仓储系统能充分利用存储空间，通过计算机可实现设备的联机控制，以先入先出的原则，迅速准确地存、取物品。
[0100]具体的，包括:高层立体货架、货物存取设备、出入库输送设备以及仓储控制系统；
[0101]高层立体货架是自动仓储系统的基础部分，主要是存放货物的货架组成机构，一般来说，货架都比较高，能够充分的利用仓库空间。在设计储存结构的时候，需要考虑到货物存取的便利度，还要考虑到防火、防潮、防倾斜的要求。主要由单元货架、活动货架、拣选式仓库组成，单元货架用来存放货物，活动货架主要是可以进行合并和拆分的货架，能够节省出大量的空间，拣选式货架主要是方便人员拣选而设计的。
[0102]货物存取设备主要是穿梭于货架之间用来存取货物的设备，也叫堆垛机，具有准确、安全、高效的优点，能够在各种巷道之间来回穿梭，能够适应各种货物的装载量和作业量，能够根据具体的要求设计成不同尺寸大小以适应存取需求。
[0103]出入库输送设备主要是将货物输送进出仓库的设备，与货物存取设备、存储设备连接成一个系统整体，根据输送量的大小，选择合适规格皮带输送机或者升降机等设备以配合装运、收发等一系列作业流程。
[0104]仓储控制系统主要用于控制所有设备，采用计算机控制方式显示，能够提高设备控制的精度，能够帮助实现整个控制系统的高效运行。
[0105]本实用新型中，补给船上配备了在轨道上行走的铲车、皮带输送机、升降机等机械化搬运设备，在内部布置和货舱设计上，采用自动仓库技术，使补给物品能够在船内迅速提取和移动，系统使用计算机控制与管理传送装置和补给物资，能够将货物从补给船的储存舱直接补给到接收舰的接收舱。因此，本实用新型提高了舱内物资的快速传输效率和补给过程的自动化程度，提高补给速度、缩短补给时间、增强海上补给的安全性和可靠性。
[0106](6)多种网络通讯技术
[0107]为了保证系统安全，降低系统故障率，本实用新型采用了三种网络通讯技术，即现场总线、以太网和Drive-CLiQ通讯技术，实现自动化系统的互联。Drive-CLiQ接口采用专用的Drive-CLiQ电缆连接，PROFIBUS DP通讯和以太网通讯介质为光缆。控制器与驱动之间采用驱动专用的Drive-CLiQ接口进行通讯，主控制器与各分站和子系统控制器之间采用PROFIBUS DP网络通讯；人机界面HMI系统与控制器之间通过以太网进行通讯。将各个子系统连到同一个控制系统中，使各种海况下补给设备能够通过高架缆索实现自动对接，节约大量人力。
[0108]为了避免采用单一网络通讯时，因一个站通讯故障而导致系统的网络瘫痪问题，本实用新型采用三种网络组成冗余环网的通讯技术，防止通讯局部故障时影响系统其它部分的通讯，这样提高了通讯可靠性、维护简单；
[0109]本实用新型采用工业级网络交换机，使控制系统更加稳定可靠，三种网络组成的冗余环网实现对整个系统内的每一台设备进行管理和控制。本实用新型还增加了无线通讯网络，实现补给船与被补给船之间的数据交换，实现双船协同操作高架索补给装备，达到补给系统的双船冗余，整个补给过程可由一船操作完成。
[0110](7)HMI人机界面系统
[0111]补给缆绳输出长度、缆绳张力值、缆绳速度、驱动器输出功率、驱动器输出电流、驱动器输出频率、系统报警和故障信息、各个机构的工作状态等内容通过趋势图或列表的形式显示并存储，方便查询，并可导出到excel表格中用于试验分析和处理。拥有操作权限的工程师可通过HMI设置系统参数。
[0112]HMI选用西门子触摸屏、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。支持USB、以太网、串口通讯，可插入CF存储卡。
[0113]工控机具有Web发布功能，通过internet网络可远程监视系统运行状态、读取系统各运行参数。
[0114]故障报警模块主要完成故障报警信息的显示及记录，故障查询、统计及分析，故障事件触发回放等功能，大大缩短故障排除时间，并为设备维护提供参考信息。
[0115]故障报警信息保存在系统的实时故障数据库和历史故障数据库中，每条故障信息均显示以下内容:故障代码、设备代码、机构代码、故障级别、故障信息、发生时间、结束时间、帮助解释等。所有的历史故障记录均可转换成EXCEL的形式进行文件存档，并提示存储路径。方便故障查询、统计及分析功能，便于分析故障产生的原因，减少维修时间。
[0116]本实用新型针对主要电气设备(如电机、驱动器、断路器、接触器、PLC、按钮、选择开关、指示灯等)建立设备信息库。存储这些电气设备的设备编号、型号、厂家、铭牌参数、允许运行时间、允许动作次数、累计运行时间、累计动作次数等等。系统运行时自动记录主要电气设备(如电机、驱动器、断路器、接触器、PLC等等)的运行状态，自动累计其运行时间、动作次数，并实时存储入设备信息库。系统自动比较主要电气设备累计使用时间和允许使用时间对比，提示进行维护和保养。
[0117]本实用新型提供的恒张力高架索海上补给系统，具有安全、高效、抗风浪能力强等优点，具体优点如下:
[0118](I)高架索采用恒张力自适应控制，补给过程不需人工参与，减小货物在索道上的振动，提尚补给效率。
[0119](2)补给船与接受船之间在补给过程中采用协同控制，提高适应恶劣海况的能力。
[0120](3)应用波浪补偿技术和张力测量反馈控制技术对高架索进行波浪补偿、保持高架索张力恒定的双闭环控制，补偿两船的相对运动;保证货物在船舶摇摆条件下安全、平稳地起吊和着陆，防止货物与作业船甲板间相互碰撞。
[0121](4)采用现场总线、以太网和Drive-CLiQ通讯和无线控制技术，补给过程可视化。
[0122](5)自动仓储控制系统，发送和接收端货物具备自动装卸能力。
[0123](6)海上补给系统综合集成化，实现舱内物资快速传输。
[0124](7)多轴联动控制系统，将运动控制、逻辑控制及工艺控制功能集成化，提高补给速度及精度，避免货物在靠近供给船和接收船与作业船发生意外碰撞。
[0125](8)运动控制系统集V/F、矢量和伺服控制于一体、多轴资源共享、模块化设计，实现海上补给系统高效而复杂的运动控制。
[0126](9)船舶运动信息检测与共享，海上补给装置的钢丝绳恒张力控制与检测，绞车动态平衡信息传输及反馈控制，离合器精确运动控制及伺服驱动技术。
[0127]本实用新型还提供一种恒张力高架索海上自适应控制补给方法，如图9所示，包括以下步骤:
[0128]步骤I，系统上电初始化并自动进行系统自检，HMI界面上自动显示自检信息；
[0129]需要补给时，补给船与接受船需要先进行信息对接，船舶运动信息检测与共享、海上补给装置的钢丝绳恒张力控制与检测、绞车动态平衡信息传输及反馈、离合器精确运动及伺服驱动信息，进行两船之间的协同控制。然后将补给船上的外牵引索、内牵引索和高架索联接到接受船上，两船进入补给启动状态。
[0130]步骤2，补给船的自动仓储系统工作，准备补给货物;接受船上的自动仓储系统工作，准备接收货物；
[0131 ] S卩:控制补给船自动仓储系统12动作，使补给船货物存取设备自动从高层立体货架的对应位置取出需补给的补给货物，并将补给货物运输到位于补给船升降机13内部的传送车14上；
[0132]步骤3，控制补给船升降机13进行上升运动，使补给船升降机13将传送车14提升到预先制定的位置;同时，控制接受船升降机13到达预先制定的接收货物位置；
[0133]步骤4，补给船升降机上的传送车14被固定到吊车装置7后，自动启动外索引绞车
3、内索引绞车4、高架索绞车5和波浪补偿装置6;其中，根据系统预先设定数学模型控制外索引绞车3工作在牵引模式下，控制内索引绞车4工作在恒张力模式下，控制高架索绞车5配合波浪补偿装置6工作在恒张力模式下，最终实现传送车14快速、平稳、安全的从补给船向接受船传输；
[0134]具体的，传送车和吊车装置位于高架索上，由内、外牵索牵引做往复运动，两台牵引绞车同步运转，保持牵索张力和速度在设定范围内，牵引吊车装置从补给船向接受船运动;波浪补偿装置和张力测量装置对高架索进行波浪补偿和高架索张力恒定控制，适应船舶摇摆和偏航对传送作业的影响。
[0135]本步骤中，控制高架索绞车5配合波浪补偿装置6工作在恒张力模式下，具体为:
[0136]步骤4.1，设定高架索长度给定值，高架索长度给定值为常数;设定高架索张力给定值，高架索张力给定值为常数；
[0137]步骤4.2，实时检测高架索实际长度值;实时通过船舶升降加速度传感器获得船舶实时位置偏差值；
[0138]高架索长度给定值作为第I比较器的正向输入，高架索实际长度值作为第I比较器的负向输入，船舶实时位置偏差值作为第I比较器的正向输入，第I比较器对各输入进行运算后，第I比较器的输出值输入到第I高架索PID，经运算后，输入到第2比较器的正向输入，同时，高架索张力传感器检测到的高架索实际张力值作为第2比较器的负向输入，高架索张力给定值作为第2比较器的正向输入;经第2比较器运算后输入到第2高架索PID;
[0139]第2高架索PID的输出作为第3比较器的正向输入，船舶升降加速度传感器所获得的船舶实时位置偏差值作为第3比较器的正向输入，第3比较器的输出作用于高架索伺服驱动器，进而调整高架索绞车转动速度和转动方向，实现高架索恒张力；
[0140]或者:
[0141]控制高架索绞车5配合波浪补偿装置6工作在恒张力模式下，具体为:
[0142]步骤4.a，控制系统实时获得高架索实际张力值，并判断高架索实际张力值是否超出设定张力范围，如果是，则执行步骤4.b;
[0143]步骤4.b，按照预先设定的数学模型控制伺服油缸的伸缩行程，伺服油缸调整为一级补偿，反应迅速补偿幅度小，并在控制伺服油缸伸缩行程的过程中，实时判断以下两个条件是否发生，当发生条件I时，执行步骤4.c;当发生条件2时，结束本流程；
[0144]条件1:伺服油缸行程超出设定行程范围；
[0145]条件2，高架索实际张力值位于设定张力范围之内；
[0146]步骤4.c，停止伺服油缸行程调整，对高架索绞车进行控制，高架索绞车调整为二级补偿，反应滞后，但补偿幅度大，具体控制方法为:
[0147]系统根据预先设定数学模型对高架索绞车的方向、速度、加速度和拉力进行控制，实时判断以下两个条件是否发生，当发生条件3时，执行步骤4.d;当发生条件4时，结束本流程；
[0148]条件3，高架索长度超出了允许范围；
[0149]条件4，高架索张力恢复调整在设定张力范围内；
[0150]步骤4.d，此时，系统自动调整没能达到要求且超出自动调整范围，则切换为手动调整模式，由操作员通过微动方法调整，直到使高架索张力恢复调整在设定张力范围内。其中，手动模式也是应急操作模式，任何自动系统中必须保留手动模式。
[0151 ]步骤5，在传送车14从补给船向接受船传输过程中，通过对外牵索9和内牵索10长度的检测，判断传送车14是否送到接受船，若货物到达接受船的预先制定位置处，则将传送车14内的货物自动卸载到接受船升降机的内部，然后，控制接受船升降机进行下降运动，使接受船升降机将货物下降运输到预先制定的位置；
[0152]控制接受船自动仓储系统动作，使接收船货物存取设备自动从升降机取下货物，并输送到接受船高层立体货架的对应位置。
[0153]传送车回程控制过程为:
[0154]补给船的绞车反转，传送吊车返回补给船预先制定的位置，此时补给船上的自动仓储系统和升降机已将货物准备在预先制定的位置等待传送吊车装载货物。接受船的升降机将货物下放到自动仓储系统进行货物传输与码垛。
[0155]本实用新型的技术指标及产生的效益:
[0156]本实用新型中，传送车和吊车装置位于高架索上，由内、外牵索牵引做往复运动，两台牵引绞车同步运转，保持牵索张力和速度在设定范围内，牵引吊货小车往返于补给船与接受船之间；为适应船舶摇摆和偏航对传送作业的影响，设置波浪补偿装置和张力测量装置对高架索进行波浪补偿，保持高架索张力恒定。
[0157]补给船距为40m，补给高度差为4m，高架索张力为80KN，补给工况为4级海况及以下。
[0158]本实用新型的恒张力高架索海上补给系统，产业化后可新增就业岗位10人以上，为相关产业发展带来机遇，直接对电子、电机、电缆、驱动系统等产业带动需求;突破海上补给技术瓶颈，打破国外垄断，参与国际竞争，促进我国海洋工程装备的技术创新，为我国海洋工程装备国产化进程产生较高的经济效益和良好的社会效益。
[0159]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。
【主权项】
1.一种恒张力高架索海上补给系统，其特征在于，包括第I支撑柱(I)、第2支撑柱(2)、外索引绞车(3)、内索引绞车(4)、高架索绞车(5)、波浪补偿装置(6)、导向滑轮组以及吊车装置(7); 其中，所述外索引绞车(3)、所述内索引绞车(4)、所述高架索绞车(5)、所述波浪补偿装置(6)和所述第I支撑柱(I)均布置于补给船，所述第2支撑柱(2)布置于接受船;所述吊车装置(7)布置于所述第I支撑柱(I)和所述第2支撑柱(2)之间； 所述导向滑轮组包括第I导向滑轮(8-1)、第2导向滑轮(8-2)、第3导向滑轮(8-3)和第4导向滑轮(8-4);所述第I导向滑轮(8-1)、所述第2导向滑轮(8-2)和所述第3导向滑轮(8-3)按由上而下方向，依次固定于所述第I支撑柱(I)的上部;所述第4导向滑轮(8-4)固定于所述第2支撑柱(2); 所述外索引绞车(3)的外牵索(9)依次绕过所述第I导向滑轮(8-1)和所述第4导向滑轮(8-4)后，固定到所述吊车装置(7)的第I固定端(7-1);所述内索引绞车⑷的内牵索(10)绕过所述第3导向滑轮(8-3)后，固定到所述吊车装置(7)的第2固定端(7-2);所述高架索绞车(5)的高架索(11)依次绕过所述波浪补偿装置(6)、所述第2导向滑轮(8-2)、所述吊车装置(7)的第3固定端(7-3)后，固定到所述第4导向滑轮(8-4)的支撑架上。2.根据权利要求1所述的恒张力高架索海上补给系统，其特征在于，所述外索引绞车(3)、所述内索引绞车(4)和所述高架索绞车(5)均包括卷扬机、伺服驱动器、伺服电机以及绞车附加装置;所述伺服电机通过所述伺服驱动器与所述卷扬机联动； 其中，所述绞车附加装置包括棘轮棘爪止定装置、制动器、离合器以及压绳器。3.根据权利要求2所述的恒张力高架索海上补给系统，其特征在于，所述波浪补偿装置(6)为液压伺服油缸，所述液压伺服油缸包括伸缩杆，从所述高架索绞车(5)引出的高架索穿过所述伸缩杆的顶端，然后再绕过所述第2导向滑轮(8-2)、所述吊车装置(7)的第3固定端(7-3)后，固定到所述第4导向滑轮(8-4)的支撑架上；当所述液压伺服油缸的伸缩杆进行伸缩运动时，可带动所述高架索进行同步运动，进而调整所述高架索的张力值。4.根据权利要求3所述的恒张力高架索海上补给系统，其特征在于，外索引绞车的伺服驱动器、内索引绞车的伺服驱动器和高架索绞车的伺服驱动器采用多轴控制的共直流母线驱动器，包括:12脉整流变压器、整流器、第I逆变器、第2逆变器、第3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第I逆变器的一端，所述第I逆变器的另一端用于与外索引绞车的伺服电机连接； 所述直流母线还并联连接到所述第2逆变器的一端，所述第2逆变器的另一端用于与内索引绞车的伺服电机连接； 所述直流母线还并联连接到所述第3逆变器的一端，所述第3逆变器的另一端用于与高架索绞车的伺服电机连接； 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。
【文档编号】B66C21/00GK205499270SQ201620245404
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】樊成
【申请人】上海阜有海洋科技有限公司