海上双馈型风力发电机组自动消防机器人系统设计

发布时间：2015-02-03 09:20

 

【摘要】 近年来,由于对清洁能源的迫切需求我国风力发电发展迅速。双馈型风力发电机组作为主力机型,因其工况复杂,各类事故频发,其中火灾事故占有较大比例,给企业带来巨大的经济损失。本文研究设计一套适用于海上双馈型风力发电机组的自动消防机器人系统。将机器人与海上双馈型风电机组相结合,实现机舱内局部灭火功能,与原有消防系统设计中全湮灭式的灭火方式相较,具有良好的发展潜力；通过分析机舱特点,借助二维平面图将传感器位置坐标化,实现火源位置定位；使用PLC作为机器人主控制器协调传感器信号采集、电机运动、火情识别、消防动作等功能,仿真分析其满足性能需求；依据摄像头拍照处理图像进行近距离精确定位,完成机器人智能化判断及行走；延用与风电机组主控同一类型及传输方式,达到机器人与风电机组主控、中控室远程监控的无缝连接；具备自检功能,减少由于机器人器件故障造成误报警和误消防；可为风力发电机组日常维护提供辅助监测,起到有效降低运维成本的作用。本文的研究内容是对风电自动消防技术的全新探索,研究设计一个功能合理、硬件结构紧凑、控制逻辑清晰的自动消防机器人系统总体设计方案,具备良好应用前景。 

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义
近年来，我国风电产业进入高速发展期，2012年风电发电量占全国电力的2%，首次超过核电成为排名第三的电源[1]。随着风电技术走向成熟，尤其是海上风电技术的迅猛发展，风力发电机组大型化、巨型化的趋势已十分明显[2]。
风电机组工况复杂，各类事故频发，其中火灾事故占有相当大的比例，多造成风电机组全部烧毁，给企业带来巨大的经济损失。截止2009年12月31日，全球共发生风机重大事故715起，其中火灾占138起，占总起数的19.3%，位列重大事故的第二位[3]。在我国，据不完全统计，2009年至2012年共发生了 30余起风电机组火灾事故[4]。
主流的风电机组包括双馈型和直驱型。直驱型风电机组依靠永磁体作为定子励磁，具有传动链简单，机舱载荷小的优点。但受制于永磁体的体积，直驱型风机不适合向大型化发展。相较而言，双馈型风电机组通过齿轮箱提高发电机转速，可降低发电机设计难度，具有大型化优势，更适合海上风电机组。但双馈型机舷内容纳了更多机械零部件、电气设备、高速旋转设备等，设备运行环境相对恶劣，若发生火灾所造成的损失也随之增加。风力发电机组的设备造价昂贵，在机船半封闭式环境内，火源扩散速度快，一旦发生火灾，造成的损失非常严重。
现有大部分风电机组没有配备自动消防系统，仅配备便携式灭火器，在风机并网运行过程中，机舱无人情况下，并不能起有效作用。以海上双馈型风电机组为例：其底部设计有海基基础，且叶片较长，其机舱高度多处于近100m高情况；机舱内部空间复杂、火灾隐患多；现有机型多安装在水深10m、离岸10km的“双十”区域，釆取人工或高空灭火造价高昂。故自动消防系统在海上双馈型风机上的应用需求尤为突出。
自动控制技术和信息化的发展为风电机组实现自动消防功能提供了可能。使用机器人实现海上双馈型风力发电机组的自动消防，成为海上风电的研究热点。相对于传统风电消防而言，自动消防机器人系统具有判断准确、反应迅速、全天候运行、环境适应性强等特点。
此外，风电机组内运行工况复杂，监控多个主要部件的运行状况可以有效降低风机的维护成本，提高维护人员工作效率。自动消防机器人在机组日常运行时也可以通过附加相应功能模块，釆集多种监控信号，为机组的日常监控提供帮助。
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1.2风电机组火灾特点
风电机组主要由叶轮、机船、塔架及控制系统组成，叶轮与机船形成相对封闭的横向分区，机船与塔架形成相对封闭的纵向分区。风电机组的结构和主要部件布局图如图1.1所示。

图1.1风4i机组结构图其中，图1为测风传感器；2为维修用吊车；3为带变频器的VMP控制器；4为发电机；5为斜角调节液压虹；6为水冷却器；7为齿轮箱；8为主轴；9为斜角调节系统；10为轮毂罩；11为变奖轴承；12为叶片；13为风轮锁定销；14为液压控制車元；15为扭矩臂；16为机船底座；17为机械制动器；18为偏航轴承；19为液力稱合器。
火灾事故分析认为，风电机组具有以下火灾特性：
可燃物种类多。风电机组叶片、轮毂和机舱外壳等大部分都是玻璃钢复合材料制作，均为可燃性材料；风机齿轮箱下部的漏油，滴落在地面上与空气中的粉尘、纤维混合形成油泥，也具有可燃性。风电机组中的电动设备、加热器、变压器、开关柜、电线电缆等电气设备极易产生电气火灾。
火灾蔓延速度快。发生火灾时，机舱内火灾蔓延迅速，加之塔架很高，风力较大，火势将快速蔓延至整个机组，叶片和机舱内带有火焰高温的残片掉落在机组周围的大片区域，极易引起风电场森林和草原火灾[5]。
经济损失惨重。风电机组中的设备昂贵，各主要部件的造价高达数百万元，大型海上双馈型风电机组造价近亿元。电气元件烧毁后无法修复，有些机械元件虽然在火情消除后可以通过维护继续使用，但是也将严重缩短使用寿命。
风屯机组起火原因主要包括摩擦产生热量引燃油品类易燃物质、电气电缆绝缘失效、电缆过流、电气连接松动、雷击及机端气候等原因[6]。易起火部件分布在机舱内部前部、中部和后部。
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第2章系统方案规划及环境分析

海上双馈型风力发电机组自动消防机器人的设计与机舷环境紧密相关，其具有以下特点：（1)机械部件多、需具备整体防腐保护，整个机舱空间随兆瓦数增加而增加。（2)火灾类型特殊。双馈型风力发电机组机般布局呈半敞开式，意味着出现火情时火势蔓延较快。（3)风电机组机舱内部空间有限。考虑到尽可能增大整机载荷的设计余量，在机船空间内减小部件的外形尺寸和减轻重量十分重要。（4)网络信号传输环境特殊。对于大型风电场和海上风电场，有线通信网络已不能完全满足风电场监控通信系统对可靠性和安全性的要求，配以适当的无线通信网络将有可能成为大型风电场通信系统发展的趋势。
为适应今后大型化风电发展趋势,对于海上双馈型风力发电机组机舱这种特殊环境，要实现机器人代替人工进行机舱巡检，必须解决机器人运行空间、轨迹、归位、定点消防、视频辅助、通信传输等一系列关键技术问题。

2.1海上双馈型风力发电机组自动消防机器人设计原则
(1)海上双馈型风力发电机组自动消防机器人及其附属设施应遵循海上双馈型风力发电机组机舱内构造物安装与安全相关规定。
(2)在不违反安全规定的前提下，海上双馈型风力发电机组自动消防机器人的工程施工应釆用对现有海上双馈型风力发电机组机船影响最小的方案进行设计。
(3)机器人应具备在海上双馈型风力发电机组机舱内全自动运行的能力，并随时可以经过中控室命令切换至遥控模式。
(4)机器人应具备在海上双馈型风力发电机组机舱内完成自动消防的功能。灭火器的释放取决于对温感、烟感传感器的信号输入及视频图像信号的确认。
(5 )海上双馈型风力发电机组自动消防机器人运动系统应具备路径优化能力，以应对出现火情时需要快速、准确动作的紧急情况。
(6)机器人应具备实时视频监控的功能。作为自动消防功能的辅助及机船状态监测的手段之一。
(7)机器人的检测能力覆盖整个海上双馈型风力发电机组机舱，并可根据需要进行功能扩展。
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2.2海上双馈型风力发电机组自动消防机器人功能规划
本文旨在对大型海上双馈型风力发电机组机船自动消防机器人进行系统初步设计。考虑到海上双馈型风电机组离岸距离远、离地高度高、机舱空间大、内部部件多且复杂的客观环境条件，以及火灾隐患点多、火情蔓延快的特点，若实现自动消防，机器人系统首先要具备自动识别火情及报警功能。机器人可根据机舱出现的火情，对机组主控及中控室发出停机、报警等信号，并实时监测自身部件工作状态，保障系统整体正常运行；同时，机组维护人员可切换机器人至手动模式，手动模式下机器人行进动作遵循人工命令操作。
其次，机器人系统要具备快速、平稳行走能力。通过第一章对机器人运动形式的叙述，结合双馈型风电机组机舱特点，采用轨道式机器人使其具备对机舱内部进行全方位覆盖行走、监测的能力。机器人在自动状态下能够按照预先规划的路径完成整个风电机组机舱的消防巡检工作；同时，机器人能够对反馈的报警信号进行快速响应，通过自主定位、计算，以最优路径行进至起火点附近；为保证运动准确性，机器人在某位置进行位置校验，以消除行进过程中的累计误差；还能够对行进路线能进行自动校准，以保证行进路径准确。
然后，机器人系统要实现消防灭火功能。能够对传感器反馈的信号进行火情的初步探测，并有能力对火情进行自动（图像处理）或人工二次确认，以确保不会出现误判；在确保火情有效后，对火灾能够执行有效的灭火作业。
之后，机器人系统若实现与风机主控、远程中控室的信号传输及视频辅助监控，还需借助风电场现有通讯进行连接。
另外，机器人自身应具备防火能力，排除在火灾中自身损坏的可能；远程中控室工作人员也可切换机器人至手动模式，通过远程网络监控操控机器人运动。
海上双馈型风力发电机组自动消防机器人系统功能拓扑图如图2.1所示：

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第3章机器人硬件设计................................. 17
3.1控制单元设计................................. 17
3.1.1主控制器的选择................................. 17
3.1.2主控制器性能测试................................. 18
3.2驱动单元设计................................. 19
3.3导轨及布线设计................................. 22
3.3.1导轨架设计原则................................. 22
3.3.2布线方案及参数................................. 23
3.4通信单元设计................................. 23
3.5机器人整体系统设计................................. 25
3.6机器人状态功能自检................................. 27
3.7本章小结................................. 28
第4章运动控制及程序设计................................. 29
4.1机器人控制逻辑................................. 29
4.2机器人运动控制................................. 30
4.2.1定位系统设计................................. 30
4.2.2运动控制逻辑................................. 32
4.2.3运动控制算法................................. 34
4.3精确定位................................. 35
4.4自动巡检................................. 39
4.5本章小结................................. 41

第5章消防单元设计

消防单元包括本机器人系统的火源探测与灭火动作执行两个功能模块。火源探测包含机舱内各类传感器选型及布置，以及视频图像处理方法，己达到及时准确地发现火情并反馈给主控制器作用。灭火动作模块即灭火剂选型和释放方式的设计，需要确定适合海上双馈型风电机组环境的有效灭火剂，再根据局部消防的需求考虑机器人携带的灭火剂量及触发条件。
本章针对这些内容的设计进行论述。

5.1火灾感应器的选择与布置
5.1.1光电式烟感探测器
烟感探测器是一种自动消防系统中常用的、对环境使用范围较广的火灾探测器，可用于风机机舱内部的火灾监测，外形如图5.1所示。结构尺寸为：直径100mm，厚度43mm，体积适用机船环境。

图5.1烟感探测器该类探测器以单片机作为控制元件，采用红外线散射原理探测火灾。电路主要由红外线发射部分和接收部分组成，发射管与接收管置于光学暗室中，光学暗室可屏蔽外界杂散光干扰但不影响烟尘进入。在无烟状态下只接收很弱的红外光，当有烟尘进入时，由于散射作用使接收光信号增强，当烟尘达到一定浓度时可输出报警信号。
烟感传感器工作温度为-10°C+60°C，工作湿度10~95%，可以满足海上双馈型风电机组的机舱环境。工作电源24VDC,自动检测模式下每1.67s检测一次，符合设计要求。该传感器具有继电器无源触点开关发射ZigBee协议无线信号，有效距离50m，可以实现在机舱内与机器人的无线通信。尺寸小巧，可以采用吸顶式方法安装在机舱顶部。
机船内前部为机械部件集中的区域，润滑油脂是主要易燃物。润滑油脂的燃烧往往伴随烟雾，且机械旋转部件不便于布置温感设备，只能将传感器布置与机胎罩顶部，故机船前部区域使用烟感传感器更为合理。
5.1.2温感探测器
温感探测器外形及线路与烟感探测器相似，特别适用于发生火灾时有剧烈温升的场所，可与烟感探测器配合使用。其外形图如图5.2所示。

图5.2温感探测器探测器采用热敏电阻作为传感器，传感器输出信号经过电压变换后输入到单片机，单片机利用智能算法进行信号处理。当单片机检测到火警信号后，向控制器发出火灾报警信息，，并通过控制器点亮火警指示灯，输出量为开关量电压信号。
温感探测器采用9VDC供电，继电器无源触电输出，可满足机船功能需求。该类探测器一般安装在监测对象的附近，如距离太远，在火灾早期就无法起到监测作用，因此，温感探测器一般用作二级报警用探测器，安装在密封较好的控制柜内。
机舱后部为电气元件集中的区域，主要包括控制柜、电压柜、变流柜等。电气火灾往往由这些柜体内部的某个器件引起，最先在柜体内部燃烧。因为柜体造成的物理隔离，烟雾不宜被探测到，然而金属柜体良好的导热性能很快就能通过温度变化体现出来。可以将温感传感器安装在相关电气柜体上，达到最灵敏探测电气火灾的目的。
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第6章结论与展望

本文根据目前风力发电机组消防系统研究现状，针对市场占有率较高的双馈型风力发电机组大型化、海上化的发展趋势，初步设计一款具有良好发展潜力、兼具辅助监控风电机组运行的海上双馈型风力发电机组自动消防机器人系统。
本文的突出贡献有以下几方面：
(1)机器人技术与风电机组的创新结合。本文将机器人与海上双馈型风力发电机组相结合，依托双馈型风电机组机舱特点，设计一套釆用双伺服电机驱动、基于行车架正交导轨方式运动的机器人；根据传感器矩阵式覆盖收集火情信号，能够实现定位及精确运动，完成局部消防兼具辅助监控风电机组运行状态的自动消防机器人系统。
(2)逻辑严谨完整的控制程序。为实现机器人自动定位、消防动作功能，本文提出了控制机器人定位运动方法，包括通过编码器脉冲计数实现自主位置确定，目标位置判断和最优路径计算，还可依靠起始位置的行程幵关实现误差校正。本文还提出，当机器人行进至探测点附近时，启动精确定位方法，依靠环形摄像头采集图像，通过火焰识别的图像处理方法实现火情智能确认，并根据两点定位原理确定火源精确位置，指引机器人对该位置喷射灭火剂。
(3)消防单元定制型设计。本文论证了双馈型风电机组适用的火灾探测传感器，提出了摄像头环360°全周静态拍照图像识别火情的方法，并探讨了不同灭火剂的工作特性，根据局部消防的需求，计算灭火剂携带容量。
本文对双馈型风力发电机组自动消防系统的设计还处于概念设计阶段，还有一些需要完善的地方。电气硬件的运算性能是否满足系统需求，尤其是图像处理功能的要求，有待实验验证。驱动电机的功率需要根据机器人的具体重量、行进速度进行设计，在满足运动性能要求的前提下使机器人负载最小化。精确定位涉及的火焰识别图像处理方法需要具体编程并实验验证。机器人主控方法的程序实现需要通过实验验证。灭火方法的可靠性需要实验验证，灭火容量设计在保证灭火效果下实现最优等等。
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本文编号：11813