一种复合筒型基础下沉稳装的控制系统的制作方法

本发明涉及工程施工控制系统领域，具体是一种复合筒型基础下沉稳装的控制系统。

背景技术：

如今能源短缺问题日益显著，地球的石油、煤炭等非可再生能源储存有限，世界各国争相开发新型绿色能源。风能便是大家共同关注的焦点之一。目前世界上应用到最多的海上基础主要有六种：三脚架基础、单桩基础、钢质桁架重力基础、钢筋混凝土重力基础、浮置式基础和复合筒型基础。海上风机复合筒型基础是一种适于海上风力发电开发的基础类型，它可以承受较高的载荷。复合筒型基础的沉放安装是非常重要的海上施工过程，是复合筒型基础实现工程应用的前提。利用负压原理对海上风力发电装置基础平台进行调平作业，节约材料、基础稳固、节省施工时间。复合筒型基础的负压下沉是指复合筒型基础靠自重和压载贯入地基一定深度，筒内达到密封条件后，再用水泵或真空泵从筒内向外抽水或抽泥，使筒内压力低于筒外。在这样的压力下复合筒型基础被下沉贯入地基。复合筒型基础所受到的下沉阻力具有相当的复杂性。解决复合筒型基础负压下沉的难题是实现海上风力发电装置规模化的前提，其中对复合筒型基础平台的倾角控制重中之重，工程上要求倾角必须小于0.1°，一旦大于0.1°将可能造成严重的施工事故。

目前对于复合筒型基础下沉方法并没有实现对复合筒型基础的实时监测控制，包括对各个舱体流量、压力和深度等参数的实时监测、对复合筒型基础的自动调平、对基础下沉过程的实时控制。如天津大学的《海上风电筒型基础结构一体化施工安装研究》中介绍的应用高压气举结合负压下沉的方法进行复合筒型基础的下沉稳装，其对基础拖航过程中对基础的舱内液位状态不能进行实时监测，基础负压下沉过程中的水平度、沉降量、负压值等参数采集5分钟记录一次，控制过程中对各个阀门采用按钮控制，在其实验过程中，下沉的入水深度达到了1.7m，下沉稳装过程中的调平水平度5％。其问题在于采集的参数不够全面，数据采集5分钟记录一次没有达到实时性，阀门采用按钮控制缺乏直观效果，而且最终的入水深度只实现了1.7m深度，但实际的工程中是需要达到的入水深度是12m。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种复合筒型基础下沉稳装的控制系统。该系统可实现对整个复合筒型基础下沉稳装的控制，包括对基础平台倾角的实时监测和调平；对各个舱体压力、液位、入水深度等参数的实时监测；对各个舱体电动阀及抽水注水管道电动阀的手动控制和自动控制。整个控制系统有利于海上风力发电的高效率和高稳定性，节省建设和维护成本，结构简单，操作方便。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种复合筒型基础下沉稳装的控制系统，其特征在于所述控制系统包括控制柜和外部用电器；所述外部用电器均放置于复合筒型基础的适当位置，用于检测相关数据和执行相应的动作；所述外部用电器包括触摸屏、声光报警器、两轴倾角仪、水深传感器、总流量计、孔压力计、液位计、舱内电动阀和管路电动阀；所述控制柜包括plc、模拟量扩展模块、数字量扩展模块和继电器；所述plc的两个串口分别与触摸屏和两轴倾角仪连接，直接采集两轴倾角仪和触摸屏的信号；所述plc通过继电器与舱内电动阀连接；所述plc通过模拟量扩展模块分别与水深传感器、总流量计、孔压力计和液位计连接；所述plc通过数字量扩展模块和继电器分别与声光报警器和管路电动阀连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本控制系统能够实现复合筒型基础平台的自动/手动调平、下沉和入泥，并能远程控制，系统简单，操作方便，能够满足复合筒型基础下沉入泥的工艺要求。

(2)本控制系统设置手动控制模式，可以通过触摸屏中的各个按钮对七个舱内电动阀和四个管路电动阀进行开闭控制，实现了抽水、注水以及对整个控制系统的启动、停止和急停动作。

(3)本控制系统还设置自动控制的模式，可以通过对七个舱内电动阀的开闭实现整个复合筒型基础平台的自动调平，省去了人工施工调平的步骤，根据两轴倾角仪的调平算法，触摸屏中随时显示倾角状况并可自动调平。当倾角大于0.1°时，声光报警器自动报警，同时触摸屏会弹出倾角过大的警告，实现了千分之三的水平度要求，操作直观、方便。

(4)在拖航过程中能够通过安装在七个舱内的液位计实现七个舱内的液位的监测，在复合筒型基础下沉稳装过程中通过安装在复合筒型基础平台的孔压力计、总流量计、水深传感器和两轴倾角仪可以实现七个舱的压力、总流量、入水深度和倾角的监测。

(5)触摸屏将基础平台的倾角参数、各舱体的压力、流量、液位、深度等参数进行实时存储，有利于后期的调取和查看。

(6)本控制系统利用四个管路电动阀的相互连用实现了七个舱体的注水和抽水。使得原本繁重的施工工艺变得十分简单，完美的实现了复合筒型基础下沉入泥过程的自动化、智能化。

(7)本控制系统实现了复合筒型基础下沉入泥12m的深度。

附图说明

图1是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的整体结构框图；

图2是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的控制柜外部结构示意图；

图3是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的控制柜内部结构示意图；

图4是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的plc接线原理示意图；

图5是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的模拟量扩展模块接线原理示意图；

图6是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的数字量扩展模块接线原理示意图；

图7是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的触摸屏-手动控制窗口示意图；

图8是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的触摸屏-自动控制窗口示意图；

图9是本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统一种实施例的触摸屏-数值显示窗口示意图；(图中：1、触摸屏；2、声光报警器；3、电源指示灯；4、电源启动按钮；5、电源停止按钮；6、控制柜外壳；7、plc；8、模拟量扩展模块；9、数字量扩展模块；10、继电器；11、ac220v火线端子；12、dc24v+电源端子；13、dc24v-电源端子；14、声光报警器接线端子；15、电动阀com端接线端子；16、dc12v-电源端子；17、dc12v+电源端子；18、预留接线端子；19、孔压力计接线端子；20、水深传感器接线端子；21、液位计接线端子；22、总流量计接线端子；23、电动阀接线端子；24、空气开关；25、ac220v电源；26、dc24v开关电源；27、dc12v开关电源；28、ac220v零线端子；29、两轴倾角仪；30、水深传感器；31、总流量计；32、孔压力计；33、液位计；34、舱内电动阀；35、管路电动阀)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种复合筒型基础下沉稳装的控制系统(参见图1-9，简称控制系统)，其特征在于所述控制系统包括控制柜和外部用电器；所述外部用电器包括触摸屏1、声光报警器2、两轴倾角仪29、水深传感器30、总流量计31、孔压力计32、液位计33、舱内电动阀34和管路电动阀35；所述控制柜包括plc7、模拟量扩展模块8、数字量扩展模块9和继电器10；所述plc7的两个串口分别与触摸屏1和两轴倾角仪29连接，直接采集两轴倾角仪29和触摸屏1的信号；所述plc7通过继电器10与舱内电动阀34连接；所述plc7通过模拟量扩展模块8分别与水深传感器30、总流量计31、孔压力计32和液位计33连接；所述plc7通过数字量扩展模块9和继电器10分别与声光报警器2和管路电动阀35连接。

所述触摸屏1安装在控制柜外壳6的上部；

所述控制柜还包括ac220v火线端子11、dc24v+电源端子12、dc24v-电源端子13、声光报警器接线端子14、电动阀com端接线端子15、dc12v-电源端子16、dc12v+电源端子17、预留接线端子18、孔压力计接线端子19、水深传感器接线端子20、液位计接线端子21、总流量计接线端子22、电动阀接线端子23、空气开关24、ac220v电源25、dc24v开关电源26、dc12v开关电源27和ac220v零线端子28；

所述控制柜还包括电源指示灯3、电源启动按钮4和电源停止按钮5；所述控制柜外壳6从上至下依次安装有声光报警器2、电源指示灯3、电源启动按钮4和电源停止按钮5，位于触摸屏1的右侧；电源指示灯3、电源启动按钮4和电源停止按钮5通过控制柜内部供电；

所述控制柜内部第一排从左至右依次安装有plc7、六个模拟量扩展模块8和一个数字量扩展模块9；plc7采集两轴倾角仪29和触摸屏1的信号；所述模拟量扩展模块8用于对plc7的模拟量扩展，采集水深传感器30、总流量计31、孔压力计32和液位计33的模拟量信号；所述数字量扩展模块9用于plc7的数字量扩展，通过数字量信号控制声光报警器2、舱内电动阀34和管路电动阀35；

所述控制柜内部第二排安装有继电器10，共二十六个继电器，继电器的型号根据外部用电器的型号选择；所述继电器10接在舱内电动阀34和管路电动阀35与plc7之间，起保护作用，弱电控制强电，防止plc7不能驱动舱内电动阀34和管路电动阀35；

控制柜内部第三排从左至右依次安装有ac220v电源25、空气开关24、dc24v开关电源26、dc12v开关电源27、ac220v零线端子28、ac220v火线端子11、dc24v+电源端子12、dc24v-电源端子13、dc12v+电源端子17、dc12v-电源端子16和电动阀com端接线端子15；所述ac220v电源25通过ac220v零线端子28和ac220v火线端子11与外部用电器连接，为外部用电器提供220v交流电源；所述空气开关24起到保护作用；所述dc24v开关电源26通过dc24v+电源端子12和dc24v-电源端子13与外部用电器连接，为外部用电器提供24v直流电源；所述dc12v开关电源27通过dc12v+电源端子17和dc12v-电源端子16与外部用电器连接，为外部用电器提供12v直流电源；具体为：所述ac220v电源25通过ac220v零线端子28和ac220v火线端子11与总流量计31连接；所述ac220v电源25通过ac220v零线端子28和电动阀com端接线端子15与舱内电动阀34和管路电动阀35连接；所述dc24v开关电源26通过dc24v+电源端子12和dc24v-电源端子13分别与触摸屏1、水深传感器30、孔压力计32和液位计33连接；所述dc12v开关电源27通过dc12v+电源端子17和dc12v-电源端子16与两轴倾角仪29连接，为外部用电器提供12v直流电源；

控制柜内部第四排从左至右依次安装有电动阀接线端子23、声光报警器接线端子14和预留接线端子18；所述声光报警器2通过声光报警器接线端子14和ac220v零线端子28与控制柜连接；具体是：声光报警器2的正端通过声光报警器接线端子14与继电器10连接，负端与ac220v零线端子28连接；

所述舱内电动阀34和管路电动阀35通过电动阀接线端子23和电动阀com端接线端子15与控制柜连接；具体是：舱内电动阀34和管路电动阀35的com端子通过电动阀com端接线端子15与控制柜连接，舱内电动阀34和管路电动阀35的open端子和close端子通过电动阀接线端子23分别与继电器10的一组触点的常开触点和另一组触点的常闭触点连接；

控制柜内部第五排从左至右依次安装有预留接线端子18、总流量计接线端子22、液位计接线端子21、水深传感器接线端子20和孔压力计接线端子19；所述水深传感器30通过水深传感器接线端子20与控制柜连接；所述总流量计31通过总流量计接线端子22与控制柜连接；所述孔压力计32通过孔压力计接线端子19与控制柜连接；所述液位计33通过液位计接线端子21与控制柜连接；

本实施例中外部用电器的数量是一个触摸屏1、一个声光报警器2、一个两轴倾角仪29、两个水深传感器30、一个总流量计31、七个孔压力计32、七个液位计33、七个舱内电动阀34和四个管路电动阀35；所述一个两轴倾角仪29、两个水深传感器30、一个总流量计31、七个孔压力计32、七个液位计33、七个舱内电动阀34和四个管路电动阀35均放置于复合筒型基础的适当位置，用于检测相关数据和执行相应的动作。

所述plc7是西门子s7-200系列中型号为cpu224xp的plc；所述模拟量扩展模块8的型号是em231系列西门子模拟量输入扩展模块；所述数字量扩展模块9的型号是em223系列西门子数字量扩展模块；所述触摸屏1是昆仑通态触摸屏。

所述plc7用于对整个控制系统进行控制，对两轴倾角仪29、水深传感器30、总流量计31、孔压力计32、液位计33采集的信息进行实时监测处理和对舱内电动阀34和管路电动阀35实时控制；plc7与触摸屏1进行双向通信，plc7将信号传送给触摸屏1，同时plc7也会接收到触摸屏1的控制指令；plc7与两轴倾角仪29、七个舱内电动阀39、四个管路电动阀40和一个声光报警器2进行单向通信，两轴倾角仪29将信号传给plc7，plc7将触摸屏1的控制指令发送给七个舱内电动阀34、四个管路电动阀35和一个声光报警器2；plc7与六个模拟量扩展模块8和一个数字量扩展模块9直接连接，两个水深传感器30、总流量计31、七个孔压力计32和七个液位计33通过六个模拟量扩展模块8将信号传给plc7。

所述触摸屏1用于提供人机交互界面，用于对整个下沉过程中各数据的实时显示和控制，实时显示各个电动阀的开闭状态、各个传感器的数值显示、以及复合筒型基础平台倾斜的最高点方向；手动控制舱内电动阀34和管路电动阀35的开闭动作以及声光报警器2的启停；

所述两轴倾角仪29用于测量复合筒型基础平台的倾角信息；

所述水深传感器30用于采集复合筒型基础平台入水深度信息；

所述总流量计31用于采集复合筒型基础总流量信息；

所述孔压力计32用于采集复合筒型基础七个舱体压力信息；

所述液位计33用于采集复合筒型基础七个舱体液位信息；

所述舱内电动阀34、管路电动阀35和声光报警器2用于接收plc7的控制指令进行动作。

所述plc7的接线原理是(参见图4)：plc7的1l、2l和3l端子接dc24v+电源端子12，1m和2m接dc24v-电源端子13；plc7的q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、q0.4、q0.5、q0.6、q0.7、q1.0和q1.1端子分别与对应的继电器10连接，接地端子接地，n端子接ac220v零线端子28，l1端子接ac220v火线端子11。

所述模拟量扩展模块8的接线原理是(参见图5)：模拟量扩展模块8的每组端子接入一个外部用电器，将两个水深传感器30、一个总流量计31、七个孔压力计32和七个液位计33分别接入各组端子，多余的端子为预留端子；

所述水深传感器30的接线是：模拟量扩展模块8的rd端子和d+端子与水深传感器30的信号+端子连接，模拟量扩展模块8的d-端子与水深传感器30的信号-端子连接，水深传感器30的电源+端子接dc24v+电源端子12，电源-端子接dc24v-电源端子13；

所述总流量计31的接线是：模拟量扩展模块8的ra和a+端子与总流量计31的i+端子连接，模拟量扩展模块8的a-端子与总流量计31的com端子连接，总流量计31的l1接ac220v零线端子28，l2接ac220v火线端子11；

所述七个孔压力计32的接线是：模拟量扩展模块8的rc和c+端子与孔压力计32的信号-端子连接，模拟量扩展模块8的c-端子接dc24v-电源端子13，孔压力计32的信号+端子接dc24v+电源端子12；

所述七个液位计33的接线是：模拟量扩展模块8的rb和b+端子与液位计33的信号+端子连接，模拟量扩展模块8的b-端子与液位计33的信号-端子连接，液位计33的电源+接dc24v+电源端子12，液位计的33电源-接dc24v-电源端子13。

所述数字量扩展模块9的接线原理是(参见图6)：数字量扩展模块9的1l+、l+和2l端子接dc24v+电源端子12，m端子接dc24v-电源端子13，数字量扩展模块9的q2.0、q2.1、q2.2、q2.3、q2.4、q2.5、q2.6和q2.7端子分别与对应的继电器10连接。

本发明复合筒型基础下沉稳装的控制系统的工作原理和工作流程是：

工作原理：开机初始化之后，首先判断各模块是否正常工作，如果各模块异常则返回再初始化，直到各模块正常工作；基础开始下沉，启动七个舱内电动阀39进行抽水来调节控制基础平台的下沉速度，实时监测基础平台的倾斜角，如果倾角大于0.1°，则基础平台处于不水平的状态，要控制七个舱内电动阀的开闭状态来对基础平台进行调平，直到基础平台达到水平状态，即基础平台的倾斜角度小于等于0.1°，继续下沉，判断基础平台在海床上是否稳装，如果没有稳装，则继续下沉，直到基础平台下沉至海床，结束程序。

工作流程：按下电源启动按钮4启动控制柜，此时与控制柜连接的两轴倾角仪29、两个水深传感30、总流量计31、七个孔压力计32以及七个液位计33开始工作，触摸屏1被开启，此时触摸屏1处于手动控制状态；手动控制界面左侧是七个舱内电动阀34(一号阀门-七号阀门)的控制按钮、阀门指示灯、以及基础平台倾斜的最高点方向的箭头；阀门指示灯为绿色表示阀门开启，红色表示阀门关闭；通过箭头指向的最高点方向对七个舱内电动阀34进行控制，从而实现基础平台的调平工作；右上部分是四个管路电动阀35(八号阀门-十一号阀门)的控制按钮和阀门指示灯；如果打开八号阀门和九号阀门，基础平台则处于抽水的状态；如果打开十号阀门和十一号阀门，基础平台则处于注水的状态，基础平台抽水时基础下沉，注水时基础入泥稳装。界面上还包括操作说明按钮，点击操作说明按钮，触摸屏1的界面会转换到操作说明界面；右下部分实时显示了三个参数，即基础倾斜度、舱总流量和入水深度；界面的右下方是四个按钮，点击自控启动按钮，触摸屏界面会转换到自动控制界面；点击系统停止按钮，整个系统停止工作，但是传感器依然处于工作状态；点击数值界面按钮，触摸屏转换到数值界面；点击手动控制按钮，触摸屏转换到手动控制界面。

所述手动控制界面中点击自控启动按钮，触摸屏界面转换到自动控制界面，在自动控制界面中七个舱内电动阀34(一号阀门-七号阀门)和四个管路电动阀35(八号阀门-十一号阀门)均处于系统的自动控制中，在界面中能够实时看到基础平台倾斜的最高点方向的箭头、指示灯(七个舱内电动阀的开闭状态)。右上部同样实时显示基础倾斜度、舱总流量和入水深度的参数数据，右下方是自控启动、系统停止、手动控制、数值界面四个按钮，指示灯是绿色的表示该按钮处于按下的状态。

在触摸屏界面中点击数值显示按钮，触摸屏界面转换到数值显示界面，在界面中能够实时看到基础平台倾斜的最高点方向的箭头、指示灯(七个舱内电动阀34的开闭状态)。右上方为四个管道电动阀35的开闭状态显示，此时系统处于自动控制状态；左下方实时显示七个孔压力计32、七个液位计33和总流量计31的数值；右上部同样实时显示基础倾斜度、舱总流量和入水深度的参数数据，下部是点此进入详细数据窗口、自动控制、手动控制三个按钮。

在触摸屏界面中点击点此进入详细数据窗口按钮进入详细数据窗口，该界面是对各个传感器数值得实时显示、生成的实时数据曲线，以及产生的历史报表；点击回到数值界面按钮进入数值界面，点击回到手动界面按钮进入手动控制界面，点击回到自动界面按钮进入自动控制界面。

所述触摸屏界面的报警，在基础平台下沉过程中处于平衡状态则七个舱内电动阀34全开，基础平台倾角小于0.095°，基础平台处于平衡；当倾角大于0.1°时，系统报警，触摸屏界面会弹出警告-倾斜角过大；当总流量计测得的舱总流量过小时，触摸屏界面会弹出警告-流量过小，同时声光报警器2会启动，警告窗口可自行关闭。

本发明未述及之处适用于现有技术。