發(fā)布時間：2015-02-03 09:20

 

【摘要】 近年來,由于對清潔能源的迫切需求我國風力發(fā)電發(fā)展迅速。雙饋型風力發(fā)電機組作為主力機型,因其工況復雜,各類事故頻發(fā),其中火災事故占有較大比例,給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。本文研究設計一套適用于海上雙饋型風力發(fā)電機組的自動消防機器人系統(tǒng)。將機器人與海上雙饋型風電機組相結合,實現(xiàn)機艙內(nèi)局部滅火功能,與原有消防系統(tǒng)設計中全湮滅式的滅火方式相較,具有良好的發(fā)展?jié)摿�；通過分析機艙特點,借助二維平面圖將傳感器位置坐標化,實現(xiàn)火源位置定位；使用PLC作為機器人主控制器協(xié)調(diào)傳感器信號采集、電機運動、火情識別、消防動作等功能,仿真分析其滿足性能需求；依據(jù)攝像頭拍照處理圖像進行近距離精確定位,完成機器人智能化判斷及行走；延用與風電機組主控同一類型及傳輸方式,達到機器人與風電機組主控、中控室遠程監(jiān)控的無縫連接；具備自檢功能,減少由于機器人器件故障造成誤報警和誤消防；可為風力發(fā)電機組日常維護提供輔助監(jiān)測,起到有效降低運維成本的作用。本文的研究內(nèi)容是對風電自動消防技術的全新探索,研究設計一個功能合理、硬件結構緊湊、控制邏輯清晰的自動消防機器人系統(tǒng)總體設計方案,具備良好應用前景。 

第1章緒論

1.1課題研究的背景和意義
近年來，我國風電產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展期，2012年風電發(fā)電量占全國電力的2%，首次超過核電成為排名第三的電源[1]。隨著風電技術走向成熟，尤其是海上風電技術的迅猛發(fā)展，風力發(fā)電機組大型化、巨型化的趨勢已十分明顯[2]。
風電機組工況復雜，各類事故頻發(fā)，其中火災事故占有相當大的比例，多造成風電機組全部燒毀，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。截止2009年12月31日，全球共發(fā)生風機重大事故715起，其中火災占138起，占總起數(shù)的19.3%，位列重大事故的第二位[3]。在我國，據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年至2012年共發(fā)生了 30余起風電機組火災事故[4]。
主流的風電機組包括雙饋型和直驅(qū)型。直驅(qū)型風電機組依靠永磁體作為定子勵磁，具有傳動鏈簡單，機艙載荷小的優(yōu)點。但受制于永磁體的體積，直驅(qū)型風機不適合向大型化發(fā)展。相較而言，雙饋型風電機組通過齒輪箱提高發(fā)電機轉速，可降低發(fā)電機設計難度，具有大型化優(yōu)勢，更適合海上風電機組。但雙饋型機舷內(nèi)容納了更多機械零部件、電氣設備、高速旋轉設備等，設備運行環(huán)境相對惡劣，若發(fā)生火災所造成的損失也隨之增加。風力發(fā)電機組的設備造價昂貴，在機船半封閉式環(huán)境內(nèi)，火源擴散速度快，一旦發(fā)生火災，造成的損失非常嚴重。
現(xiàn)有大部分風電機組沒有配備自動消防系統(tǒng)，僅配備便攜式滅火器，在風機并網(wǎng)運行過程中，機艙無人情況下，并不能起有效作用。以海上雙饋型風電機組為例：其底部設計有海基基礎，且葉片較長，其機艙高度多處于近100m高情況；機艙內(nèi)部空間復雜、火災隱患多；現(xiàn)有機型多安裝在水深10m、離岸10km的“雙十”區(qū)域，釆取人工或高空滅火造價高昂。故自動消防系統(tǒng)在海上雙饋型風機上的應用需求尤為突出。
自動控制技術和信息化的發(fā)展為風電機組實現(xiàn)自動消防功能提供了可能。使用機器人實現(xiàn)海上雙饋型風力發(fā)電機組的自動消防，成為海上風電的研究熱點。相對于傳統(tǒng)風電消防而言，自動消防機器人系統(tǒng)具有判斷準確、反應迅速、全天候運行、環(huán)境適應性強等特點。
此外，風電機組內(nèi)運行工況復雜，監(jiān)控多個主要部件的運行狀況可以有效降低風機的維護成本，提高維護人員工作效率。自動消防機器人在機組日常運行時也可以通過附加相應功能模塊，釆集多種監(jiān)控信號，為機組的日常監(jiān)控提供幫助。
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1.2風電機組火災特點
風電機組主要由葉輪、機船、塔架及控制系統(tǒng)組成，葉輪與機船形成相對封閉的橫向分區(qū)，機船與塔架形成相對封閉的縱向分區(qū)。風電機組的結構和主要部件布局圖如圖1.1所示。

圖1.1風4i機組結構圖其中，圖1為測風傳感器；2為維修用吊車；3為帶變頻器的VMP控制器；4為發(fā)電機；5為斜角調(diào)節(jié)液壓虹；6為水冷卻器；7為齒輪箱；8為主軸；9為斜角調(diào)節(jié)系統(tǒng)；10為輪轂罩；11為變獎軸承；12為葉片；13為風輪鎖定銷；14為液壓控制車元；15為扭矩臂；16為機船底座；17為機械制動器；18為偏航軸承；19為液力稱合器。
火災事故分析認為，風電機組具有以下火災特性：
可燃物種類多。風電機組葉片、輪轂和機艙外殼等大部分都是玻璃鋼復合材料制作，均為可燃性材料；風機齒輪箱下部的漏油，滴落在地面上與空氣中的粉塵、纖維混合形成油泥，也具有可燃性。風電機組中的電動設備、加熱器、變壓器、開關柜、電線電纜等電氣設備極易產(chǎn)生電氣火災。
火災蔓延速度快。發(fā)生火災時，機艙內(nèi)火災蔓延迅速，加之塔架很高，風力較大，火勢將快速蔓延至整個機組，葉片和機艙內(nèi)帶有火焰高溫的殘片掉落在機組周圍的大片區(qū)域，極易引起風電場森林和草原火災[5]。
經(jīng)濟損失慘重。風電機組中的設備昂貴，各主要部件的造價高達數(shù)百萬元，大型海上雙饋型風電機組造價近億元。電氣元件燒毀后無法修復，有些機械元件雖然在火情消除后可以通過維護繼續(xù)使用，但是也將嚴重縮短使用壽命。
風屯機組起火原因主要包括摩擦產(chǎn)生熱量引燃油品類易燃物質(zhì)、電氣電纜絕緣失效、電纜過流、電氣連接松動、雷擊及機端氣候等原因[6]。易起火部件分布在機艙內(nèi)部前部、中部和后部。
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第2章系統(tǒng)方案規(guī)劃及環(huán)境分析

海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人的設計與機舷環(huán)境緊密相關，其具有以下特點：（1)機械部件多、需具備整體防腐保護，整個機艙空間隨兆瓦數(shù)增加而增加。（2)火災類型特殊。雙饋型風力發(fā)電機組機般布局呈半敞開式，意味著出現(xiàn)火情時火勢蔓延較快。（3)風電機組機艙內(nèi)部空間有限�？紤]到盡可能增大整機載荷的設計余量，在機船空間內(nèi)減小部件的外形尺寸和減輕重量十分重要。（4)網(wǎng)絡信號傳輸環(huán)境特殊。對于大型風電場和海上風電場，有線通信網(wǎng)絡已不能完全滿足風電場監(jiān)控通信系統(tǒng)對可靠性和安全性的要求，配以適當?shù)臒o線通信網(wǎng)絡將有可能成為大型風電場通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。
為適應今后大型化風電發(fā)展趨勢,對于海上雙饋型風力發(fā)電機組機艙這種特殊環(huán)境，要實現(xiàn)機器人代替人工進行機艙巡檢，必須解決機器人運行空間、軌跡、歸位、定點消防、視頻輔助、通信傳輸?shù)纫幌盗嘘P鍵技術問題。

2.1海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人設計原則
(1)海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人及其附屬設施應遵循海上雙饋型風力發(fā)電機組機艙內(nèi)構造物安裝與安全相關規(guī)定。
(2)在不違反安全規(guī)定的前提下，海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人的工程施工應釆用對現(xiàn)有海上雙饋型風力發(fā)電機組機船影響最小的方案進行設計。
(3)機器人應具備在海上雙饋型風力發(fā)電機組機艙內(nèi)全自動運行的能力，并隨時可以經(jīng)過中控室命令切換至遙控模式。
(4)機器人應具備在海上雙饋型風力發(fā)電機組機艙內(nèi)完成自動消防的功能。滅火器的釋放取決于對溫感、煙感傳感器的信號輸入及視頻圖像信號的確認。
(5 )海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人運動系統(tǒng)應具備路徑優(yōu)化能力，以應對出現(xiàn)火情時需要快速、準確動作的緊急情況。
(6)機器人應具備實時視頻監(jiān)控的功能。作為自動消防功能的輔助及機船狀態(tài)監(jiān)測的手段之一。
(7)機器人的檢測能力覆蓋整個海上雙饋型風力發(fā)電機組機艙，并可根據(jù)需要進行功能擴展。
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2.2海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人功能規(guī)劃
本文旨在對大型海上雙饋型風力發(fā)電機組機船自動消防機器人進行系統(tǒng)初步設計�？紤]到海上雙饋型風電機組離岸距離遠、離地高度高、機艙空間大、內(nèi)部部件多且復雜的客觀環(huán)境條件，以及火災隱患點多、火情蔓延快的特點，若實現(xiàn)自動消防，機器人系統(tǒng)首先要具備自動識別火情及報警功能。機器人可根據(jù)機艙出現(xiàn)的火情，對機組主控及中控室發(fā)出停機、報警等信號，并實時監(jiān)測自身部件工作狀態(tài)，保障系統(tǒng)整體正常運行；同時，機組維護人員可切換機器人至手動模式，手動模式下機器人行進動作遵循人工命令操作。
其次，機器人系統(tǒng)要具備快速、平穩(wěn)行走能力。通過第一章對機器人運動形式的敘述，結合雙饋型風電機組機艙特點，采用軌道式機器人使其具備對機艙內(nèi)部進行全方位覆蓋行走、監(jiān)測的能力。機器人在自動狀態(tài)下能夠按照預先規(guī)劃的路徑完成整個風電機組機艙的消防巡檢工作；同時，機器人能夠?qū)Ψ答伒膱缶盘栠M行快速響應，通過自主定位、計算，以最優(yōu)路徑行進至起火點附近；為保證運動準確性，機器人在某位置進行位置校驗，以消除行進過程中的累計誤差；還能夠?qū)π羞M路線能進行自動校準，以保證行進路徑準確。
然后，機器人系統(tǒng)要實現(xiàn)消防滅火功能。能夠?qū)鞲衅鞣答伒男盘栠M行火情的初步探測，并有能力對火情進行自動（圖像處理）或人工二次確認，以確保不會出現(xiàn)誤判；在確�；鹎橛行Ш�，對火災能夠執(zhí)行有效的滅火作業(yè)。
之后，機器人系統(tǒng)若實現(xiàn)與風機主控、遠程中控室的信號傳輸及視頻輔助監(jiān)控，還需借助風電場現(xiàn)有通訊進行連接。
另外，機器人自身應具備防火能力，排除在火災中自身損壞的可能；遠程中控室工作人員也可切換機器人至手動模式，通過遠程網(wǎng)絡監(jiān)控操控機器人運動。
海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人系統(tǒng)功能拓撲圖如圖2.1所示：

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第3章機器人硬件設計................................. 17
3.1控制單元設計................................. 17
3.1.1主控制器的選擇................................. 17
3.1.2主控制器性能測試................................. 18
3.2驅(qū)動單元設計................................. 19
3.3導軌及布線設計................................. 22
3.3.1導軌架設計原則................................. 22
3.3.2布線方案及參數(shù)................................. 23
3.4通信單元設計................................. 23
3.5機器人整體系統(tǒng)設計................................. 25
3.6機器人狀態(tài)功能自檢................................. 27
3.7本章小結................................. 28
第4章運動控制及程序設計................................. 29
4.1機器人控制邏輯................................. 29
4.2機器人運動控制................................. 30
4.2.1定位系統(tǒng)設計................................. 30
4.2.2運動控制邏輯................................. 32
4.2.3運動控制算法................................. 34
4.3精確定位................................. 35
4.4自動巡檢................................. 39
4.5本章小結................................. 41

第5章消防單元設計

消防單元包括本機器人系統(tǒng)的火源探測與滅火動作執(zhí)行兩個功能模塊。火源探測包含機艙內(nèi)各類傳感器選型及布置，以及視頻圖像處理方法，己達到及時準確地發(fā)現(xiàn)火情并反饋給主控制器作用。滅火動作模塊即滅火劑選型和釋放方式的設計，需要確定適合海上雙饋型風電機組環(huán)境的有效滅火劑，再根據(jù)局部消防的需求考慮機器人攜帶的滅火劑量及觸發(fā)條件。
本章針對這些內(nèi)容的設計進行論述。

5.1火災感應器的選擇與布置
5.1.1光電式煙感探測器
煙感探測器是一種自動消防系統(tǒng)中常用的、對環(huán)境使用范圍較廣的火災探測器，可用于風機機艙內(nèi)部的火災監(jiān)測，外形如圖5.1所示。結構尺寸為：直徑100mm，厚度43mm，體積適用機船環(huán)境。

圖5.1煙感探測器該類探測器以單片機作為控制元件，采用紅外線散射原理探測火災。電路主要由紅外線發(fā)射部分和接收部分組成，發(fā)射管與接收管置于光學暗室中，光學暗室可屏蔽外界雜散光干擾但不影響煙塵進入。在無煙狀態(tài)下只接收很弱的紅外光，當有煙塵進入時，由于散射作用使接收光信號增強，當煙塵達到一定濃度時可輸出報警信號。
煙感傳感器工作溫度為-10°C+60°C，工作濕度10~95%，可以滿足海上雙饋型風電機組的機艙環(huán)境。工作電源24VDC,自動檢測模式下每1.67s檢測一次，符合設計要求。該傳感器具有繼電器無源觸點開關發(fā)射ZigBee協(xié)議無線信號，有效距離50m，可以實現(xiàn)在機艙內(nèi)與機器人的無線通信。尺寸小巧，可以采用吸頂式方法安裝在機艙頂部。
機船內(nèi)前部為機械部件集中的區(qū)域，潤滑油脂是主要易燃物。潤滑油脂的燃燒往往伴隨煙霧，且機械旋轉部件不便于布置溫感設備，只能將傳感器布置與機胎罩頂部，故機船前部區(qū)域使用煙感傳感器更為合理。
5.1.2溫感探測器
溫感探測器外形及線路與煙感探測器相似，特別適用于發(fā)生火災時有劇烈溫升的場所，可與煙感探測器配合使用。其外形圖如圖5.2所示。

圖5.2溫感探測器探測器采用熱敏電阻作為傳感器，傳感器輸出信號經(jīng)過電壓變換后輸入到單片機，單片機利用智能算法進行信號處理。當單片機檢測到火警信號后，向控制器發(fā)出火災報警信息，，并通過控制器點亮火警指示燈，輸出量為開關量電壓信號。
溫感探測器采用9VDC供電，繼電器無源觸電輸出，可滿足機船功能需求。該類探測器一般安裝在監(jiān)測對象的附近，如距離太遠，在火災早期就無法起到監(jiān)測作用，因此，溫感探測器一般用作二級報警用探測器，安裝在密封較好的控制柜內(nèi)。
機艙后部為電氣元件集中的區(qū)域，主要包括控制柜、電壓柜、變流柜等。電氣火災往往由這些柜體內(nèi)部的某個器件引起，最先在柜體內(nèi)部燃燒。因為柜體造成的物理隔離，煙霧不宜被探測到，然而金屬柜體良好的導熱性能很快就能通過溫度變化體現(xiàn)出來�？梢詫馗袀鞲衅靼惭b在相關電氣柜體上，達到最靈敏探測電氣火災的目的。
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第6章結論與展望

本文根據(jù)目前風力發(fā)電機組消防系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，針對市場占有率較高的雙饋型風力發(fā)電機組大型化、海上化的發(fā)展趨勢，初步設計一款具有良好發(fā)展?jié)摿�、兼具輔助監(jiān)控風電機組運行的海上雙饋型風力發(fā)電機組自動消防機器人系統(tǒng)。
本文的突出貢獻有以下幾方面：
(1)機器人技術與風電機組的創(chuàng)新結合。本文將機器人與海上雙饋型風力發(fā)電機組相結合，依托雙饋型風電機組機艙特點，設計一套釆用雙伺服電機驅(qū)動、基于行車架正交導軌方式運動的機器人；根據(jù)傳感器矩陣式覆蓋收集火情信號，能夠?qū)崿F(xiàn)定位及精確運動，完成局部消防兼具輔助監(jiān)控風電機組運行狀態(tài)的自動消防機器人系統(tǒng)。
(2)邏輯嚴謹完整的控制程序。為實現(xiàn)機器人自動定位、消防動作功能，本文提出了控制機器人定位運動方法，包括通過編碼器脈沖計數(shù)實現(xiàn)自主位置確定，目標位置判斷和最優(yōu)路徑計算，還可依靠起始位置的行程幵關實現(xiàn)誤差校正。本文還提出，當機器人行進至探測點附近時，啟動精確定位方法，依靠環(huán)形攝像頭采集圖像，通過火焰識別的圖像處理方法實現(xiàn)火情智能確認，并根據(jù)兩點定位原理確定火源精確位置，指引機器人對該位置噴射滅火劑。
(3)消防單元定制型設計。本文論證了雙饋型風電機組適用的火災探測傳感器，提出了攝像頭環(huán)360°全周靜態(tài)拍照圖像識別火情的方法，并探討了不同滅火劑的工作特性，根據(jù)局部消防的需求，計算滅火劑攜帶容量。
本文對雙饋型風力發(fā)電機組自動消防系統(tǒng)的設計還處于概念設計階段，還有一些需要完善的地方。電氣硬件的運算性能是否滿足系統(tǒng)需求，尤其是圖像處理功能的要求，有待實驗驗證。驅(qū)動電機的功率需要根據(jù)機器人的具體重量、行進速度進行設計，在滿足運動性能要求的前提下使機器人負載最小化。精確定位涉及的火焰識別圖像處理方法需要具體編程并實驗驗證。機器人主控方法的程序?qū)崿F(xiàn)需要通過實驗驗證。滅火方法的可靠性需要實驗驗證，滅火容量設計在保證滅火效果下實現(xiàn)最優(yōu)等等。
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本文編號：11813