一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统
阅读说明：本技术 一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统 (Automatic control system for offshore wind power multi-cylinder jacket foundation ) 是由 丁红岩 刘东华 张浦阳 裴爱国 乐丛欢 刘博� 黄宣旭 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于海上风电基础技术领域,公开了一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统,包括设置在多筒导管架基础上的监测模块和设置在运输安装船上的采集模块、数据处理模块、控制模块；监测模块包括陀螺仪、测深仪、倾角仪、压力计；陀螺仪、测深仪、倾角仪、压力计均与采集模块信号连接,采集模块与数据处理模块信号连接,数据处理模块与控制模块信号连接,控制模块与气泵、水泵和电控阀门信号连接,气泵、水泵和电控阀门与采集模块信号连接；数据处理模块配置有气浮运输模式和安装沉放模式。本发明能够提高施工过程的精度和可控性,降低对多筒导管架施工指挥人要求,实现施工过程自动化控制,降低施工风险。(The invention belongs to the technical field of offshore wind power foundations, and discloses an automatic control system for an offshore wind power multi-cylinder jacket foundation, which comprises a monitoring module arranged on the multi-cylinder jacket foundation, and an acquisition module, a data processing module and a control module which are arranged on a transport installation ship; the monitoring module comprises a gyroscope, a depth finder, an inclinometer and a pressure gauge; the gyroscope, the depth finder, the inclinometer and the pressure gauge are in signal connection with the acquisition module, the acquisition module is in signal connection with the data processing module, the data processing module is in signal connection with the control module, the control module is in signal connection with the air pump, the water pump and the electric control valve, and the air pump, the water pump and the electric control valve are in signal connection with the acquisition module; the data processing module is configured with an air-floatation transportation mode and an installation sinking mode. The method can improve the precision and controllability of the construction process, reduce the requirements on a multi-tube jacket construction commander, realize the automatic control of the construction process and reduce the construction risk.)
技术领域
本发明属于海上风电基础技术领域，具体的说，是涉及一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统。
背景技术
多筒导管架基础凭借其质量轻、承载力强、施工快捷且精度高等优势在海上风电领域越来越多的被使用。然而，目前多筒导管架基础的施工经验还有所欠缺，特别是在其气浮拖航及安装下沉阶段，对操作人或者指挥人的要求较高，一般需要具有相当经验的指挥人在现场进行指挥，而对多筒导管架基础施工时的操作指挥直接影响基础的施工质量，严重地，甚至会造成多筒导管架基础气浮运输倾倒或是沉放安装失败。
发明内容
本发明要解决的是海上风电多筒导管架基础在施工过程中对操作指挥人员要求较高，施工过程受人为因素影响较大的技术问题，提供了一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统，提高施工过程的精度和可控性，降低对多筒导管架施工指挥人要求，实现施工过程自动化控制，降低施工风险。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统，包括设置在多筒导管架基础上的监测模块和设置在运输安装船上的采集模块、数据处理模块、控制模块；
所述监测模块包括陀螺仪、测深仪、倾角仪、压力计；所述陀螺仪布置在所述多筒导管架基础的导管架顶部，用于获得所述多筒导管架基础三个方向的位移状态；所述测深仪设置在所述多筒导管架基础的每个吸力筒的筒壁内侧和筒壁外侧，用于获得每个吸力筒的内部液距和外部液距；所述倾角仪设置于所述多筒导管架基础的各个吸力筒盖板，用于获得所述多筒导管架基础的水平度；所述压力计设置于每个吸力筒的盖板底部，用于获得吸力筒的内部气体压力；
所述陀螺仪、所述测深仪、所述倾角仪、所述压力计均与所述采集模块信号连接，所述采集模块与所述数据处理模块信号连接，所述数据处理模块与所述控制模块信号连接，所述控制模块与气泵、水泵和电控阀门信号连接，所述气泵、所述水泵和所述电控阀门与所述采集模块信号连接；
所述电动阀门设置在每个吸力筒上，所述控制模块通过控制所述电动阀门、所述气泵、所述水泵的开关状态，能够实现对每个吸力筒的充气、放气、充水、抽水；
所述数据处理模块配置有气浮运输模式和安装沉放模式。
进一步地，所述内部液距为所述测深仪获得的吸力筒盖板与吸力筒内部水面之间的距离，所述外部液距为所述测深仪获得的吸力筒盖板与吸力筒外部水面之间的距离。
进一步地，所述气浮运输模式包括以下处理过程：
处理过程(一)：
当所述陀螺仪监测到多筒导管架基础存在竖直向下的位移，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启所述气泵和所有吸力筒的所述电动阀门，对吸力筒进行充气；直至所述陀螺仪监测到多筒导管架基础无垂向运动，所述采集模块将该信号传递给数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所述气泵和所有吸力筒的所述电动阀门，停止对吸力筒进行充气；
处理过程(二)：
当所述倾角仪监测到多筒导管架基础的倾角超过0.25°，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启所述气泵和当前位置最低的吸力筒的所述电控阀门，向当前位置最低的吸力筒进行充气；直至所述倾角仪监测到多筒导管架基础的倾角小于等于0.1°，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所述气泵和所有吸力筒的所述电动阀门，停止对吸力筒进行充气；
处理过程(三)：
当所述测深仪监测到多筒导管架基础中A吸力筒的内部液距与外部液距之差小于自浮设计值时，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启气泵和A吸力筒的所述电控阀门，向A吸力筒进行充气；直至A吸力筒的内部液距与外部液距之差达到自浮设计值，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所述气泵和所述电动阀门，停止对A吸力筒进行充气；
当所述测深仪监测到多筒导管架基础中A吸力筒的内部液距与外部液距之差大于自浮设计值时，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启A吸力筒的所述电控阀门，对A吸力筒进行放气；直至A吸力筒的内部液距与外部液距之差达到自浮设计值，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所述气泵和所述电动阀门，停止对A吸力筒进行放气。
更进一步地，当前位置最低的吸力筒由所述数据处理模块根据所述倾角仪的监测数据判断得到。
更进一步地，所述自浮设计值根据式(1)得到：
式(1)中：Δha为自浮设计值，单位为m；M为多筒导管架基础的总重力，单位为N； n为多筒导管架基础中吸力筒的个数；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s-2；r为吸力筒的半径，单位为m。
进一步地，所述安装沉放模式包括以下处理过程：
处理过程(一)：
当所述测深仪监测到多筒导管架基础中各吸力筒的外部液距大于0m，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启各吸力筒的所述电控阀门，对各吸力筒进行放气；直至所述测深仪监测到多筒导管架基础中各吸力筒的内部液距与外部液距之差达到沉放设计值，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所述气泵和所有吸力筒的所述电动阀门，停止对所述吸力筒进行放气；
处理过程(二)：
当所述测深仪监测到多筒导管架基础中各吸力筒的外部液距小于等于0m，且所述内部液距达到沉放临界值时，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启所述气泵和当前位置最低的吸力筒的所述电控阀门，向当前位置最低的吸力筒进行充气；直至所述测深仪监测到多筒导管架基础中各吸力筒的内部液距达到沉放设计值，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所述气泵和所有吸力筒的所述电动阀门，停止对吸力筒进行充气；
处理过程(三)：
当所述陀螺仪监测到多筒导管架基础在设计稳定时间内竖向位移为0，且所有吸力筒的所述电控阀门为关闭状态；所述采集模块将上述信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启所有吸力筒的所述电动阀门，对所述吸力筒进行放气；直至所述测深仪监测到多筒导管架基础中各吸力筒的内部液距等于0m，所述采集模块将上述信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启所述水泵和所有吸力筒的所述电动阀门，对所述吸力筒进行抽水；直至所述压力计监测到吸力筒内部压力达到压力设计值，所述采集模块将上述信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块由吸力筒内部压力达到压力设计值开始计时，计时至达到设计抽水时间，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭所有吸力筒的所述电动阀门。
更进一步地，当前位置最低的吸力筒和当前位置最高的吸力筒均由所述数据处理模块根据所述倾角仪的监测数据判断得到。
更进一步地，所述沉放设计值根据式(2)得到：
式(2)中：Δhb为沉放设计值，单位为m；M为多筒导管架基础的总重力，单位为N； n为多筒导管架基础中吸力筒的个数；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s-2；r为吸力筒的半径，单位为m；
所述沉放临界值根据式(3)得到：
其中，h1为沉放临界值，单位为m；M为多筒导管架基础总浮力，单位为N；n为多筒导管架基础中吸力筒2的个数；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s-2；r为吸力筒2的半径，单位为m。
更进一步地，在处理过程(二)中：
当所述倾角仪监测到多筒导管架基础的倾角超过0.25°，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块开启所述气泵和当前位置最低的吸力筒的所述电控阀门、当前位置最高的吸力筒的所述电控阀门，对当前位置最低的吸力筒进行充气并对当前位置最高的吸力筒进行放气，直至所述倾角仪监测到多筒导管架基础的倾角小于等于0.1°。
更进一步地，在处理过程(三)中：
当所述倾角仪监测到多筒导管架基础的倾角超过0.2°，所述采集模块将该信号传递给所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述控制模块关闭当前位置最低的吸力筒的所述电控阀门，直至所述倾角仪监测到多筒导管架基础的倾角小于等于0.1°。
本发明的有益效果是：
本发明的海上风电多筒导管架基础自动控制系统，利用控制模块、数据处理显示模块、采集模块及监测模块，在多筒导管架基础气浮运输及安装沉放过程可以实现自动控制，避免由于人为操作可能产生的风险。
在气浮运输过程中，根据监测模块的实时监控数据，自动调整电控阀门及泵系统，不需要配有专业人员对运输过程的多筒导管架基础进行实时调控，避免多筒导管架基础出现倾斜，运输过程中的水平度及安全性较高。
在安装沉放过程中，无需调动施工指挥对多筒导管架基础沉放进行值守，通过自动控制系统在多筒导管架基础下放入水过程中主动调节吸力筒内部存气量，在下放入泥过程中调节泵系统和电控阀门开闭，保证了沉放的速度和精度。
可见，本发明的海上风电多筒导管架基础施工自动控制系统，避免了人工调整带来的误差和劳动量，提高了多筒导管架基础施工的效率和精度。
附图说明
图1为海上风电多筒导管架基础的结构示意图；
图2为海上风电多筒导管架基础中单个吸力筒的结构示意图；
图3为本发明所提供海上风电多筒导管架基础施工自动控制系统的结构示意图。
上述图中：1、导管架，2、吸力筒，3、陀螺仪，4、测深仪，5、电控阀门；6、倾角仪；7、压力计。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1至图3所示，本发明提供了一种海上风电多筒导管架基础自动控制系统，主要包括监测模块、采集模块、数据处理模块、控制模块、泵系统和电控阀门5，采集模块、数据处理模块及控制模块均布置在运输安装船上，监测模块、泵系统和电控阀门5布置在多筒导管架基础上。监测模块与采集模块信号连接，采集模块与数据处理模块信号连接，数据处理模块与控制模块信号连接，泵系统和电控阀门5与控制模块和采集模块均有信号连接。
数据处理显示模块配置有相应的气浮运输模式及安装沉放模式，在多筒导管架基础的气浮运输及安装沉放阶段可以实现施工过程中的自动化控制，降低多筒导管架基础施工过程的操控难度，简化施工操作，使得施工过程快捷、方便、精度高。
多筒导管架基础一般包括3-4个吸力筒2，多个吸力筒2通过其上方筒顶加强段与导管架1连接。吸力筒2主体为钢筒，由筒壁及盖板构成。导管架1由空间桁架和过渡段焊接而成，空间桁架的立柱底部连接于吸力筒2的中心，过渡段用于与塔筒连接。多筒导管架基础结构强度高，承载力强，对深水风电场具有很强的适用性。
监测模块包括陀螺仪3、测深仪4、倾角仪6及压力计7，陀螺仪3、测深仪4、倾角仪6及压力计7均为现有技术中可以通过商业途径获得的传感器件。陀螺仪3布置在多筒导管架基础的导管架1顶部过渡段上，陀螺仪3能够获得多筒导管架基础三个方向(横轴、纵轴、竖轴)的位移状态。测深仪4设置在多筒导管架基础的每个吸力筒2筒壁内侧和筒壁外侧，内侧的测深仪4能够获得吸力筒2盖板与吸力筒2内部水面的距离，称为内部液距；外侧的测深仪4能够获得吸力筒2盖板与吸力筒2外部水面的距离，称为外部液距。倾角仪6设置于多筒导管架基础的各个吸力筒2盖板，倾角仪6能够获得多筒导管架基础的水平度。压力计7设置于每个吸力筒2盖板底部，压力计7能够获得每个吸力筒2内部气体压力。
陀螺仪3、测深仪4、倾角仪6及压力计7均与采集模块信号连接，用于将以上获得的信号传递给采集模块。
气泵、水泵和电动阀门5与采集模块信号连接，用于将气泵、水泵和电动阀门5的开关状态传递给采集模块。
采集模块用于将陀螺仪3、测深仪4、倾角仪6、压力计7、气泵、水泵和电动阀门5 传递的信号转换为数字信号，并传输给数据处理模块。
数据处理模块对接收到的数字信号进行处理，并将处理后的指令传递给控制模块。
控制模块与气泵、水泵和电动阀门5信号连接，用于根据数据处理模块发出的指令对气泵、水泵和电动阀门5的开关状态进行控制。
其中，数据处理模块内置有气浮运输模块及安装沉放模块，气浮运输模块用于实现气浮运输过程的全自动化操作，安装沉放模块用于实现安装沉放过程的全自动化操作。
作为一种可选的实施方式，数据处理模块配置有按键和显示屏幕，其中，按键用于输入或选择指令并将指令发出给控制模块；显示屏幕用于将监测模块、数据处理模块和控制模块的状态和数据可视化。
电动阀门5设置在每个吸力筒2的盖板上，通过电动阀门5与气泵或水泵的连接以及电动阀门5的开关状态，能够实现对每个吸力筒2的充气或放气，亦或是充水或抽水。
每个吸力筒2的盖板设有四个电动阀门5较为合理，四个电动阀门5以两两一组对称布置在盖板两边，其中两个电动阀门5常用，另外两个电动阀门5备用。
在气浮运输过程中数据处理模块采用气浮运输模式，在气浮运输模式下：
情况(一)：
当陀螺仪3监测到多筒导管架基础存在竖直向下的位移，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启气泵和所有吸力筒2的电动阀门5，对吸力筒2进行充气；直至陀螺仪3监测到多筒导管架基础无垂向运动，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和所有吸力筒2的电动阀门5，停止对吸力筒2进行充气。
情况(二)：
当倾角仪6监测到多筒导管架基础的倾角超过0.25°，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启气泵和当前位置最低的吸力筒2的电控阀门5，向当前位置最低的吸力筒2进行充气；直至倾角仪6监测到多筒导管架基础的倾角小于等于0.1°，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和所有吸力筒2的电动阀门5，停止对吸力筒2进行充气。
本申请中所有步骤的当前位置最低的吸力筒2和当前位置最高的吸力筒2均由数据处理模块根据倾角仪6监测数据判断得到。
需要说明的是，本申请中所有步骤中，当前位置最低吸力筒2是当前时刻多筒导管架基础中位置最低的吸力筒2。在向最低吸力筒2进行充气过程中，随着倾角仪6监测数据的变化，当前位置最低吸力筒2将发生改变为非当前位置最低吸力筒2，此时关闭非当前位置最低吸力筒2的电控阀门5，开启重新获得的当前位置最低吸力筒2的电控阀门5，重复操作。当前位置最高的吸力筒2的放气操作同理，此处不再赘述。
情况(三)：
当测深仪4监测到多筒导管架基础中A吸力筒2的内部液距与外部液距之差小于自浮设计值时，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启气泵和A吸力筒2的电控阀门5，向A吸力筒2进行充气；直至A吸力筒2的内部液距与外部液距之差达到自浮设计值，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和A吸力筒2的电动阀门5，停止对A吸力筒2进行充气。
当测深仪4监测到多筒导管架基础中A吸力筒2的内部液距与外部液距之差大于自浮设计值时，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启A吸力筒2的电控阀门5，对A吸力筒2进行放气；直至A吸力筒2的内部液距与外部液距之差达到自浮设计值，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和A吸力筒2的电动阀门5，停止对A吸力筒2进行放气。
其中，自浮设计值可以根据式(1)得到：
式(1)中：Δha为自浮设计值，单位为m；M为多筒导管架基础的总重力，单位为N； n为多筒导管架基础中吸力筒2的个数；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s-2；r为吸力筒2的半径，单位为m。
其中，A吸力筒2为多筒导管架基础中任意的一个或多个吸力筒2。
因此，本发明的海上风电多筒导管架基础自动控制体系，能够对多筒导管架基础气浮运输过程进行实时调节，降低多筒导管架基础拖航过程的风险，不需要配有专业的施工人员在操作设施旁值守，浮运过程方便、安全、稳定。
在安装沉放过程中数据处理模块采用安装沉放模式，在安装沉放模式下：
情况(一)：
在测深仪4监测到多筒导管架基础中各吸力筒2的外部液距大于0m时，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启各吸力筒2的电控阀门5，对各吸力筒2进行放气；直至测深仪4监测到多筒导管架基础中各吸力筒2的内部液距与外部液距之差达到沉放设计值，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和所有吸力筒2的电动阀门5，停止对吸力筒2进行放气；
其中，沉放设计值可以根据式(2)得到：
式(2)中：Δhb为沉放设计值，单位为m；M为多筒导管架基础的总重力，单位为N； n为多筒导管架基础中吸力筒2的个数；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s-2；r为吸力筒2的半径，单位为m。
情况(二)：
在测深仪4监测到多筒导管架基础中各吸力筒2的外部液距小于等于0m，且内部液距达到沉放临界值时，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启气泵和当前位置最低的吸力筒2的电控阀门5，向当前位置最低的吸力筒2进行充气；直至测深仪4监测到多筒导管架基础中各吸力筒2的内部液距达到沉放设计值，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和所有吸力筒2 的电动阀门5，停止对吸力筒2进行充气。
其中，沉放临界值可以根据式(3)得到：
其中，h1为沉放临界值，单位为m；M为多筒导管架基础总浮力，单位为N；n为多筒导管架基础中吸力筒2的个数；ρ为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s-2；r为吸力筒2的半径，单位为m。
在情况(二)中，当倾角仪6监测到多筒导管架基础的倾角超过0.25°，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启气泵和当前位置最低的吸力筒2的电控阀门5、当前位置最高的吸力筒2的电控阀门5，对当前位置最低的吸力筒2 进行充气并对当前位置最高的吸力筒2进行放气；直至倾角仪6监测到多筒导管架基础的倾角小于等于0.1°，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭气泵和所有吸力筒2的电动阀门5，停止对吸力筒2进行充气和放气。
情况(三)：
当陀螺仪3监测到多筒导管架基础在设计稳定时间内竖向位移为0时，且所有吸力筒 2的电控阀门5为关闭状态；说明多筒导管架基础自重下沉完成。采集模块将上述信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启所有吸力筒2的电动阀门5，对吸力筒2进行放气；直至测深仪4监测到多筒导管架基础中各吸力筒2的内部液距等于0m，采集模块将上述信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块开启水泵和所有吸力筒2的电动阀门5，对吸力筒2进行抽水；直至压力计7监测到吸力筒2内部压力达到压力设计值，采集模块将上述信号传递给数据处理模块，数据处理模块由吸力筒2内部压力达到压力设计值开始计时，计时至达到设计抽水时间，数据处理模块通过控制模块关闭所有吸力筒2的电动阀门5。
其中，设计稳定时间通常在5-30分钟范围内。
其中，压力设计值一般在超过施工地点水深的水压值20-50kPa范围内。
其中，设计抽水时间通常在0.5-3小时范围内。
在情况(三)中，当倾角仪6监测到多筒导管架基础的倾角超过0.2°，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块关闭当前位置最低的吸力筒2的电控阀门5；直至倾角仪6监测到多筒导管架基础的倾角小于等于0.1°，采集模块将该信号传递给数据处理模块，数据处理模块通过控制模块打开所有吸力筒2的电动阀门5。
本发明提供的一种海上风电多筒导管架基础自动控制体系，在多筒导管架基础运输至现场后进行自动沉放安装，从基础入水下放到完全沉入泥面均有能够及时调节，节省了劳动力，避免了人为操作可能产生的误差，施工过程快捷，基础安装水平度高。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
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