蘇長(zhǎng)青，鄭文彬，曾悠兵，丁德甫

（九江精密測(cè)試技術(shù)研究所，江西 九江 332000）

一種用于登乘棧橋的主動(dòng)波浪補(bǔ)償方法

蘇長(zhǎng)青，鄭文彬，曾悠兵，丁德甫

（九江精密測(cè)試技術(shù)研究所，江西 九江 332000）

針對(duì)高海況下風(fēng)電塔運(yùn)行維護(hù)的實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)一種帶有主動(dòng)補(bǔ)償功能的登乘棧橋。分析棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)償模型的計(jì)算分析。以高速數(shù)字信號(hào)處理器為核心構(gòu)建補(bǔ)償控制系統(tǒng)，利用運(yùn)動(dòng)參考單元實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)維船的姿態(tài)及升沉變化，根據(jù)補(bǔ)償模型計(jì)算出液壓缸所需的運(yùn)動(dòng)行程，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，分別進(jìn)行橫搖、縱搖及升沉的補(bǔ)償, 確保棧橋末端與塔基相對(duì)穩(wěn)定，從而確保風(fēng)電塔維護(hù)人員安全登乘。對(duì)運(yùn)維船進(jìn)行的碼頭系泊試驗(yàn)結(jié)果表明：該棧橋系統(tǒng)可有效補(bǔ)償波浪對(duì)運(yùn)維船的影響，完全滿足高海況下的運(yùn)維通勤需求。

登乘棧橋；主動(dòng)波浪補(bǔ)償；運(yùn)動(dòng)參考單元

0 引 言

隨著能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)海上風(fēng)電行業(yè)迅速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)安裝數(shù)量大幅增長(zhǎng)[1]。然而，受潮汐、臺(tái)風(fēng)、氣流和閃電等環(huán)境因素影響，海上風(fēng)電機(jī)組容易出現(xiàn)故障。因此，海上風(fēng)場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)時(shí)通常需要配置維護(hù)船舶來(lái)提供通勤服務(wù)，將專業(yè)技術(shù)人員安全、快速地運(yùn)抵作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。面對(duì)突發(fā)情況，專業(yè)化的運(yùn)維船舶在抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，由于潮汐和海上風(fēng)浪的疊加作用，使得海面與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼爬梯間的落差過(guò)大，無(wú)法攀爬登陸?，F(xiàn)階段海上輸送風(fēng)電塔維護(hù)人員一般采用直升機(jī)輸送和船舶吊機(jī)輸送2種方式，其中：直升機(jī)輸送需要風(fēng)電塔額外提供直升機(jī)降落平臺(tái)，考慮到直升機(jī)尺寸的限制，每次輸送的維護(hù)人員數(shù)量有限；而船舶吊機(jī)輸送時(shí)，吊機(jī)懸掛的吊籃會(huì)隨著船舶的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，一旦船體劇烈搖晃，吊籃里維護(hù)人員的安全將難以得到保證。

目前，國(guó)內(nèi)帶有波浪補(bǔ)償功能的裝置及專利多見于起重機(jī)、鉆探機(jī)、打撈作業(yè)和并靠補(bǔ)給等設(shè)備中[2]，對(duì)于海上風(fēng)電登乘設(shè)備，尚無(wú)成熟的登靠裝置可用。

1 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)維船在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)共有6個(gè)維度，分別為3個(gè)線運(yùn)動(dòng)和3個(gè)角運(yùn)動(dòng)。其中：3個(gè)線運(yùn)動(dòng)用橫蕩、縱蕩及升沉來(lái)表示；3個(gè)角運(yùn)動(dòng)用歐拉角來(lái)表示，分別為航向、縱搖及橫搖。國(guó)內(nèi)某些型號(hào)的主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)采用Stewart平臺(tái)來(lái)補(bǔ)償船舶在6個(gè)維度上的運(yùn)動(dòng)[3]，將登乘棧橋安裝于船頭中心位置，使用時(shí)運(yùn)維船一直頂著風(fēng)電塔基，可消除橫蕩和縱蕩的影響，并可保證航向的穩(wěn)定，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，登乘棧橋只需要補(bǔ)償船體的橫搖、縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，具有3個(gè)維度的補(bǔ)償量。在結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)的登乘棧橋由補(bǔ)償橫搖運(yùn)動(dòng)的橫搖油缸、補(bǔ)償縱搖運(yùn)動(dòng)和升沉運(yùn)動(dòng)的縱搖油缸及伸縮油缸組成，此外還包括登乘梯、扶手及安裝底座等裝置，系統(tǒng)的總質(zhì)量約1450kg，具體結(jié)構(gòu)形式見圖1。

2 補(bǔ)償模型分析

登乘棧橋的升沉補(bǔ)償是通過(guò)比例閥來(lái)控制液壓油缸的行程，從而推動(dòng)整個(gè)棧橋在動(dòng)態(tài)情況下保持穩(wěn)定。縱搖運(yùn)動(dòng)與升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)復(fù)合在一起，影響末端登乘點(diǎn)的位置；橫搖運(yùn)動(dòng)只影響登乘棧橋的姿態(tài)。下面分別對(duì)這2部分進(jìn)行補(bǔ)償分析。

2.1 橫搖補(bǔ)償

對(duì)登乘棧橋的橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，抽象出由L1，L2和L3組成的三角形（見圖2）。從圖2中可看出，在橫搖運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中，只需保持L2與水平面的夾角β恒定，即可保證平臺(tái)的穩(wěn)定。由圖2可知

式(1)中：α為L(zhǎng)1與L2的夾角；θ為L(zhǎng)1與甲板的夾角；γ為甲板繞艏艉線與水平面的夾角（即橫搖角），右舷下降為正，通過(guò)運(yùn)動(dòng)參考單元測(cè)量得到；β為L(zhǎng)2與水平面的夾角。θ和β均由機(jī)械尺寸設(shè)計(jì)值確定。

只需調(diào)節(jié)L3的大小（即液壓油缸的行程），即可改變?chǔ)恋拇笮。３枝潞愣?，從而保持棧橋基座的穩(wěn)定。

2.2 縱搖及升沉補(bǔ)償

對(duì)登乘棧橋的縱搖運(yùn)動(dòng)及升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，抽象出由L6，L7和L8組成的三角形（見圖3）。從圖3中可看出，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，要通過(guò)改變L7來(lái)調(diào)整登乘梯的姿態(tài)，通過(guò)改變L9來(lái)調(diào)整登乘梯的長(zhǎng)度，確保登乘點(diǎn)T的穩(wěn)定。

假設(shè)縱搖角和升沉均為 0，以運(yùn)動(dòng)參考單元安裝點(diǎn)O為原點(diǎn)，船頭方向?yàn)閤軸正方向，垂直水面向上為y軸正方向，建立坐標(biāo)系。以登乘梯保持水平時(shí)的登乘點(diǎn)T為穩(wěn)定目標(biāo)點(diǎn)，則T點(diǎn)的坐標(biāo)為

式(2)中：L4為船頭與運(yùn)動(dòng)參考單元的距離；L5為O′A′的長(zhǎng)度；L6為A′B′的長(zhǎng)度。

在升沉運(yùn)動(dòng)與縱搖運(yùn)動(dòng)復(fù)合下，運(yùn)動(dòng)參考單元安裝點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至O′點(diǎn)，B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至B′點(diǎn)，可計(jì)算出B′點(diǎn)的坐標(biāo)為

式(3)中：θ為艏艉線與水平面的夾角（即縱搖角），艏抬高為正，通過(guò)運(yùn)動(dòng)參考單元測(cè)量得到；h為運(yùn)動(dòng)參考單元測(cè)得的安裝點(diǎn)的升沉。

此時(shí)可通過(guò)距離公式計(jì)算出B′T的長(zhǎng)度為

縱搖補(bǔ)償油缸L7的長(zhǎng)度為

只需調(diào)節(jié)L7和L9的大小（即液壓油缸的行程），即可改變?chǔ)碌拇笮『偷浅颂莸拈L(zhǎng)度，從而保持棧橋末端與風(fēng)電塔基座的相對(duì)穩(wěn)定。

3 控制系統(tǒng)

風(fēng)電塔登乘系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)時(shí)采集液壓油缸中位置傳感器的信息和運(yùn)動(dòng)參考單元輸出的姿態(tài)信息，并通過(guò)補(bǔ)償計(jì)算得到液壓油缸的目標(biāo)位置，將其輸出給液壓閥控制油缸的行程。數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司的高性能浮點(diǎn)處理器TMS320C6713，主頻達(dá) 300MHz，浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)1200MFLOPS，保證了棧橋補(bǔ)償運(yùn)算的速度和精度，滿足實(shí)時(shí)控制的需求。運(yùn)動(dòng)參考單元采用 MEMS傳感器，橫搖及縱搖精度≤0.2°，升沉10cm或量程的10%，支持最大15s的升沉周期，并可根據(jù)波浪周期自動(dòng)調(diào)整。其質(zhì)量?jī)H為45g，防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP68，可較好地適應(yīng)船用設(shè)備所處的濕熱、鹽霧和霉菌等惡劣環(huán)境?？刂葡到y(tǒng)組成框圖見圖4。

實(shí)時(shí)控制器利用前述的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算出保持棧橋末端穩(wěn)定所需的油缸行程，組成帶前饋和非線性補(bǔ)償?shù)拇?jí)控制系統(tǒng)，以減小軌跡跟蹤誤差[4-5]。系統(tǒng)工作時(shí)有手動(dòng)和主動(dòng)穩(wěn)定2種模式，不同模式有不同的控制邏輯。系統(tǒng)上電時(shí)處于空閑模式，給液壓系統(tǒng)上電，并充滿蓄能器。按下手動(dòng)控制按鈕，手動(dòng)模式運(yùn)行指示燈常亮，在手動(dòng)模式下可通過(guò)控制3個(gè)油缸對(duì)應(yīng)的增大和減小按鈕對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。按下主動(dòng)穩(wěn)定模式按鈕，主動(dòng)補(bǔ)償模式運(yùn)行指示燈常亮，棧橋自動(dòng)打開，運(yùn)動(dòng)到平衡位置，隨后進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，保持棧橋穩(wěn)定。

在補(bǔ)償模式下，系統(tǒng)監(jiān)控所有的狀態(tài)，包括運(yùn)動(dòng)參考單元反饋的姿態(tài)信息（用于判斷海況）、液壓油缸的行程信息及補(bǔ)償目標(biāo)值與實(shí)際值的誤差等，并根據(jù)不同的條件給出警告或故障指示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在船廠進(jìn)行碼頭系泊狀態(tài)下的試驗(yàn)驗(yàn)證，以測(cè)試登乘棧橋的補(bǔ)償效果（見圖5）。由于試驗(yàn)時(shí)天氣條件較好，通過(guò)采用人工造浪（即其他船舶從附近經(jīng)過(guò)）的方式來(lái)模擬較惡劣的海況。試驗(yàn)結(jié)果見表1，補(bǔ)償前距離是運(yùn)維船的船首與風(fēng)電塔基的相對(duì)距離，補(bǔ)償后距離是登乘梯末端與風(fēng)電塔基的相對(duì)距離，數(shù)據(jù)均通過(guò)系在末端的皮尺測(cè)量得到。由此可知，最大距離誤差在補(bǔ)償前為76.5cm，在補(bǔ)償后為23.2cm，小于成年人平均步長(zhǎng)60cm的1/2，可滿足運(yùn)維人員的安全輸送需求。

表1 登乘棧橋系泊試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于補(bǔ)償后誤差，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)是由以下幾個(gè)方面的原因造成的：

1 ) 運(yùn)動(dòng)參考單元安裝后，其測(cè)量坐標(biāo)系與棧橋坐標(biāo)系有一定的偏差，由于成本原因，該項(xiàng)目選用的運(yùn)動(dòng)參考單元升沉精度較差，只有10cm；

2 ) 棧橋設(shè)計(jì)尺寸較大，不可避免地存在形變；

3 ) 液壓控制系統(tǒng)雖然選用了響應(yīng)較快的伺服比例閥，但其在動(dòng)作時(shí)仍存在一定的延時(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研發(fā)的登乘棧橋系統(tǒng)已完成碼頭系泊試驗(yàn)，下一步將進(jìn)行海試。該新型棧橋登靠系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)控制，利用液壓系統(tǒng)對(duì)船舶運(yùn)行進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償, 可降低登乘過(guò)程中登乘梯與風(fēng)電塔的相對(duì)運(yùn)動(dòng),提高轉(zhuǎn)移風(fēng)電塔運(yùn)維人員的安全性，對(duì)保證風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)作有重要作用，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

[1] 國(guó)家能源局.國(guó)家能源局關(guān)于海上風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)展有關(guān)情況的通報(bào)：國(guó)能新能（2015）343號(hào)[Z].

[2] 白玉，胡永攀.海上并靠補(bǔ)給波浪補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].船舶與海洋工程，2016, 32 (5): 1-4.

[3] 盧道華，高文超，王佳，等.主動(dòng)波浪補(bǔ)償平臺(tái)及其試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].船舶工程，2015, 37 (11): 41-43.

[4] 魏素芬，楊文林，張?bào)糜?，?液壓絞車主動(dòng)升沉補(bǔ)償控制研究[J].液壓與氣動(dòng)，2009 (7): 27-29.

[5] DO K D, PAN J.Nonlinear control of an active heave compensation system[J].Ocean Engineering，2005, 35 (5): 558-571.

An Active Wave Compensation Method for the Gangway of Wind Turbine Maintenance Vessel

SU Chang-qing，ZHENG Wen-bin，ZENG You-bing，DING De-fu

（Jiujiang Institute of Precision Measurement and Testing Technology, Jiujiang 332000, China）

This paper introduces a gangway designed with active compensation to meet the requirement of wind turbine maintenance in high seas.The structural design of the gangway is analyzed, and then the computational analysis of the compensation model is carried out.High speed digital signal processor is used as the core of the compensation control system which measures the real-time attitude and heave motions of the maintenance vessel with the motion reference unit, calculates the required stroke of the hydraulic cylinder according to the compensation model, and controls the hydraulic system to realize roll, pitch and heave compensation.It is in this way to maintain the relative distance between the end of the gangway and the base of the wind turbine, and to ensure the safe embarkation of the wind turbine maintainers.Mooring experiment of the maintenance vessel at the quay shows that the system can effectively compensate for the wave influence on the vessel, which well satisfies the embarkation requirement in high seas.

accessing gangway; accessing gangway system; active wave compensation; motion reference unit

U448.18

A

2095-4069 (2017) 04-0022-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.005

2017-04-11

蘇長(zhǎng)青，男，工程師，1985年生。2006年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)主要從事慣性技術(shù)及海洋工程裝備的研究工作。