海洋模塊鉆機、修井機上下底座移動閉環(huán)控制技術(shù)

張超 （中海石油 （中國）有限公司天津分公司生產(chǎn)部，天津300452）

由于受條件和成本的制約，海洋油氣開采的井位只能采取多井位叢式布置。為提高作業(yè)效率，要求海洋模塊鉆機、修井機等作業(yè)裝備在不拆裝的狀態(tài)下能快捷、安全的整體移動，實現(xiàn)在任意井位的作業(yè)。以固定平臺模式進(jìn)行油氣開采作業(yè)的裝備，在鉆井、修井作業(yè)時變換作業(yè)井位是通過海洋模塊鉆機、修井機上下底座的移動來實現(xiàn)的。底座的移動雖然有滾動和滑動兩種，但推動方式都為左右液壓油缸分別推動，而且上下底座移動部件的結(jié)構(gòu)和推動方式都基本一致。為保證上下底座移動時的安全和效率，左右液壓油缸伸縮的同步至關(guān)重要。左右液壓油缸伸縮的同步精度、作業(yè)的安全性、操作及相關(guān)人員數(shù)量、對操作人員的熟練程度要求、作業(yè)時的心理壓力等都與同步方式和控制系統(tǒng)的選擇有關(guān)。同步控制系統(tǒng)按照控制的基本理論進(jìn)行劃分，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類。系統(tǒng)自己不能依靠左右液壓油缸伸縮的同步結(jié)果對左右液壓油缸伸縮的同步進(jìn)行自動隨時修正的控制系統(tǒng)通稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)自己能檢測左右液壓油缸伸縮的同步狀態(tài)并以此為依據(jù)自動對左右液壓油缸的同步進(jìn)行隨時修正的控制系統(tǒng)通稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)由于系統(tǒng)具體構(gòu)成不同，在安全性、性能、操作、效率、系統(tǒng)成本等方面都有很大的差別。

1 常用的開環(huán)控制系統(tǒng)

我國海洋模塊鉆機、修井機上下底座移動常用的液壓控制系統(tǒng)都為開環(huán)控制系統(tǒng)，都需要其他人員對底座移動的同步狀態(tài)進(jìn)行觀察與測量，指揮操作人員對底座移動進(jìn)行控制和對左右油缸的伸縮進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)底座移動。為了實現(xiàn)左右油缸的同步，現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)也采用液壓同步元件組成液壓同步控制系統(tǒng)，力爭實現(xiàn)同步控制?，F(xiàn)有的液壓同步系統(tǒng)主要有兩種，一種是采用分流集流閥也叫同步閥，它利用2個初始狀態(tài)下具有一定大小比例的節(jié)流口將進(jìn)口流量按比例分配，同時通過載荷壓力反饋的原理來補償因載荷壓力變化而引起的流量變化，它只控制流量按比例分配，不控制流量大小。分流集流閥的主要特點是壓力損失大，不適用低壓系統(tǒng)。在理想工作條件下的同步精度約為5%左右，另外流量的變化范圍也會影響同步精度的穩(wěn)定性。另一種是使用同步馬達(dá)，同步馬達(dá)是用2個等排量的液壓馬達(dá)同軸連接，從而保證其輸出流量相同，在理想工作條件下同步馬達(dá)的同步精度約為2%左右，其自身精度主要受2個馬達(dá)制造精度的影響。

依靠液壓同步閥或液壓同步馬達(dá)組成的普通純液壓同步系統(tǒng)，在移動距離短、精度要求低、中小負(fù)載或載荷平衡、左右導(dǎo)軌阻力基本相等、安全風(fēng)險低的應(yīng)用場合，完全能滿足使用要求。當(dāng)需要進(jìn)行長距離的移動控制時，由于本身同步精度低，液壓管線布置差異大，尤其是在大載荷和兩邊載荷不平衡時，誤差和積累誤差加大。由于液壓系統(tǒng)自己沒有對同步的實際狀態(tài)進(jìn)行檢測，更沒有利用實際結(jié)果對控制進(jìn)行自動修正，在諸多不利因素的影響下，同步控制效果往往很差，必須依靠人為觀察與指揮，通過特殊操作來進(jìn)行底座移動。

2 先進(jìn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)

國外先進(jìn)的海洋模塊鉆機、修井機上下底座移動常用的液壓控制系統(tǒng)都為電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)，有些甚至實現(xiàn)了自動控制。應(yīng)用普通的電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行底座移動作業(yè)時，基本上只需要一個人進(jìn)行全部操作，而且安全、輕松、方便、快捷。應(yīng)用全自動的電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行底座移動作業(yè)，則只需要設(shè)置目標(biāo)位等參數(shù)，控制系統(tǒng)就能自動的將上下底座移動到目標(biāo)位置。

電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)是利用各種傳感器對各種工作狀態(tài)進(jìn)行實時采集，由控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與對工作狀態(tài)進(jìn)行安全分析后，根據(jù)工況要求和作業(yè)流程，對執(zhí)行器件實施有效控制。由于采取電控液方式，操作系統(tǒng)與控制系統(tǒng)分開安裝，從而保證操作系統(tǒng)輕便、小巧，可在安全位置手持操作。

左右油缸伸縮閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理就是將左右油缸人為的分為主動油缸和跟隨油缸，操作人員控制主動油缸的伸縮量與伸縮速度，控制系統(tǒng)對主動油缸的伸縮量與伸縮速度進(jìn)行檢測，然后自動控制跟隨油缸的伸縮量與伸縮速度，使其保持與主動油缸的伸縮量和伸縮速度一致。針對上下底座移動部件的特殊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)還必須對油缸插銷板的狀態(tài)進(jìn)行檢測，以實現(xiàn)油缸的正確和自動的往復(fù)伸縮。為了安全和自動控制的需要，系統(tǒng)必須對油缸的實際油壓進(jìn)行監(jiān)測，以保證對作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行綜合安全分析。

3 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析

開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是組成簡單，相對成本較低，系統(tǒng)自身可靠性高。缺點是使用時必須要其他人員協(xié)助進(jìn)行同步狀態(tài)觀察，操作人員根據(jù)觀察結(jié)果對左右驅(qū)動進(jìn)行單獨控制。完全靠人的視覺進(jìn)行同步判斷，存在很大的安全風(fēng)險，因為距離移動體太遠(yuǎn)時觀察的不太準(zhǔn)確，距離移動體太近又不安全，也不符合操作規(guī)范。另外，當(dāng)控制系統(tǒng)閥件出現(xiàn)故障加上操作人員疏忽時，則存在更大的安全風(fēng)險。因此，采用普通純液壓同步系統(tǒng)，必須要其他人員協(xié)助觀察，操作人員謹(jǐn)慎、緩慢地操作，而且必須有人工作在危險區(qū)，才能基本保證完成移動作業(yè)。同時，當(dāng)導(dǎo)軌出現(xiàn)變形、嚴(yán)重銹蝕時，必須先對導(dǎo)軌進(jìn)行維修與維護，否則不能進(jìn)行有效作業(yè)。

電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點是組成相對復(fù)雜，相對成本也較高，由于系統(tǒng)自身相對復(fù)雜，出現(xiàn)故障的概率增加。優(yōu)點一是作業(yè)時的安全性非常高，因為液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障對安全性幾乎沒有影響，在出現(xiàn)事關(guān)安全的故障時，控制系統(tǒng)的安全分析程序和安全控制程序會保證系統(tǒng)的安全。比如伸縮控制原則為同步伸縮，液壓系統(tǒng)任何造成不同步的故障都會得到有效控制。電控系統(tǒng)在開機時首先進(jìn)行自檢，判斷傳感器是否正常；在作業(yè)時，傳感器和控制器出現(xiàn)任何非正常變化，系統(tǒng)的故障分析子系統(tǒng)都會作出相應(yīng)的安全控制和報警。從人身安全來說，作業(yè)人員利用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，可在安全區(qū)域?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作，可有效避免特殊事故狀況下的人身傷害事故。優(yōu)點二是效率高，操作簡單，尤其是帶自動控制功能的系統(tǒng)，幾乎不需要操作人員的操作技巧，系統(tǒng)對作業(yè)極限參數(shù)進(jìn)行了限制，所以，除場地、作業(yè)條件限制外的其他安全風(fēng)險非常小。優(yōu)點三是對導(dǎo)軌、偏載等的要求大大降低，出現(xiàn)導(dǎo)軌不平、導(dǎo)軌摩擦阻力嚴(yán)重不同、左右載荷嚴(yán)重偏載等情況，系統(tǒng)都能保證正常、安全的作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)的防爆與防腐技術(shù)屬通用技術(shù)，可得到有效保證。

4 結(jié)論

綜合以上分析，海洋模塊鉆機、修井機上下底座移動采用電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很高的性能價格比，系統(tǒng)成本增加大約在10萬元左右，但帶來的安全、效率確更有價值，尤其是對導(dǎo)軌變形后，只要不十分嚴(yán)重，使用電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)完全能正常作業(yè)，在這方面可大大降低平臺維修與維護費用。

采用先進(jìn)的控制技術(shù)，既是裝備制造與改造的發(fā)展方向，也是提高效率、降低作業(yè)人員的勞動強度、減少作業(yè)風(fēng)險、降低作業(yè)成本的有效方法。利用電控液閉環(huán)控制系統(tǒng)代替現(xiàn)有的開環(huán)控制系統(tǒng)，將給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。