深水自升式鉆井平臺升降控制系統(tǒng)設(shè)計

馬愛軍，周金鑫，唐文獻，齊繼陽

近年來，隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，全球?qū)υ唾Y源消費需求量將進一步增大。受陸地資源的逐漸減少、瀕臨枯竭的威脅，世界上很多國家開始將目光轉(zhuǎn)向海洋，通過鉆井技術(shù)獲取石油等海洋資源，由此推動了鉆井平臺的發(fā)展［1］。移動自升式平臺不僅可以作為鉆井、修井和生產(chǎn)平臺，而且還可以作為整治港口的作業(yè)平臺，因此海洋自升式鉆井平臺設(shè)計與研究是非常有意義的一項工作。

目前，關(guān)于自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)的研究主要集中在環(huán)境載荷分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相關(guān)的控制系統(tǒng)開發(fā)［2］。自升式鉆井平臺包括平臺本體、升降系統(tǒng)等，其中升降控制系統(tǒng)作為海洋鉆井平臺升降裝置的關(guān)鍵部分，國內(nèi)建造的自升式海洋平臺及其控制系統(tǒng)幾乎全部由國外廠商供貨［3-4］。近幾年，國內(nèi)從事海洋工程的各大公司和科研院所為了打破國外公司對升降系統(tǒng)的壟斷，紛紛將自升式海上鉆井平臺的升降系統(tǒng)作為重點開發(fā)對象進行研究，但到目前為止國內(nèi)自主研發(fā)的升降系統(tǒng)還未應(yīng)用到實際項目中，由此可見，對于自升式海上平臺升降系統(tǒng)的開發(fā)工作是迫在眉睫的。

本文通過對現(xiàn)有自升式平臺的升降控制系統(tǒng)研究，結(jié)合平臺所工作的參數(shù)條件，通過系統(tǒng)的建模、控制程序的研究以及一系列控制軟件的使用，設(shè)計出一套完整的升降控制系統(tǒng)方案。

1 自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)模型分析

本文研究的自升式海洋鉆井平臺實物是在理論設(shè)計基礎(chǔ)上縮小100倍的模型，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在現(xiàn)場，樁腿插入海底支撐并固定平臺，通過電機驅(qū)動齒輪齒條升降裝置，使平臺完全或部分露出水面，形成不受波浪影響的穩(wěn)定平臺。

圖1 平臺整體結(jié)構(gòu)圖

自升式鉆井平臺整體結(jié)構(gòu)為三角形狀類型，特點是移動自升式，能夠適應(yīng)海上的惡劣環(huán)境，實現(xiàn)平臺升降的自動控制。平臺本體由3個樁腿支撐，其中樁腿帶有樁靴，每個樁腿由3根主弦桿構(gòu)成。計算機自動控制系統(tǒng)要對平臺升降的高度、平臺水平傾斜度，3個電機的電流、電壓、頻率等各種參數(shù)進行監(jiān)測，并對電動機啟動、停止進行控制。

1.2 自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)的組成

本文研究的自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)，其功能由一組機械傳動裝置及其相應(yīng)的控制單元實現(xiàn)。機械傳動裝置采用的是齒輪齒條傳動機構(gòu)，該結(jié)構(gòu)操作性能良好，并具有平穩(wěn)連續(xù)升降的能力，升降速度快，操作靈活，只要加大裝置的動力，升降的速度就能提高［5］。此外考慮到實際模型的體積并不是很大，質(zhì)量也不算太重，再加上升降速度方面的要求，選用電機驅(qū)動的齒輪齒條式升降裝置。平臺升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本平臺用的齒輪齒條升降系統(tǒng)，是在平臺的每根主弦桿上設(shè)置一根齒條，然后在每個樁腿上的一根齒條上設(shè)一個小齒輪。動力通過步進電機驅(qū)動小齒輪，然后傳遞給與齒輪嚙合的齒條，從而帶動平臺的升降［6］。齒輪齒條升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 齒輪齒條升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 自升式鉆井平臺升降鎖緊裝置

自升式鉆井平臺采用的是氣壓鎖緊裝置，鎖緊結(jié)構(gòu)采用一段齒條與升降齒條嚙合來鎖緊，每條樁腿上對稱放置一對鎖緊機構(gòu)。其原理是通過氣泵產(chǎn)生氣體來推動換向閥，進而使氣壓缸運動，推動鎖緊齒條與升降齒條相互嚙合，達到對整個樁腿的鎖緊的目的。鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.4 自升式鉆井平臺升降原理

自升式鉆井平臺為三樁腿式的，齒輪齒條升降裝置安裝在樁腿與平臺交接處，齒輪齒條升降裝置的齒條沿樁腿弦桿鋪設(shè)，而與齒條相嚙合的小齒輪安裝在步進電機上面，步進電機驅(qū)動小齒輪，使樁腿和平臺作相對的上下運動，其中步進電機自帶減速器。

圖4 鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

自升式鉆井平臺升降原理為：平臺通過升降系統(tǒng)將樁腿伸入海底，當(dāng)樁腿到達海底時，能將平臺升離水面一定距離，以承載平臺質(zhì)量。工作的過程是：放樁、升起平臺、降下平臺、拔樁。在整個升降過程中，控制系統(tǒng)精確顯示平臺和樁腿的升降速度、升降距離等信息，可靠地控制每一根樁腿的升降。由于樁腿和平臺的質(zhì)量分配不均，再加上其他的因素，3個樁腿會出現(xiàn)升降誤差，這也直接導(dǎo)致平臺升降過程中出現(xiàn)傾斜狀況。如果傾斜比較嚴(yán)重，平臺會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，因此在自動控制狀態(tài)下，必須嚴(yán)格限制平臺的傾斜程度。

2 升降控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自升式鉆井平臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2．1．1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對本平臺布置特點，選擇分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在這里分為二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：設(shè)備層、單元層。控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。設(shè)備層由一個S7-200樁腿控制器組成，主要功能是連接和控制現(xiàn)場設(shè)備，接收單元層的指令，并將現(xiàn)場的環(huán)境信息和設(shè)備運行的狀況返回到單元層。單元層由PC機組成，PC機上裝有西門子組態(tài)軟件WINCC，S7-200樁腿控制器中的數(shù)據(jù)經(jīng)ETH-PPI傳送給一類主站PC機，從而完成對所有數(shù)據(jù)的實時采集與處理，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制對象的監(jiān)測和控制。

圖5 控制系統(tǒng)原理框圖

2．1．2 控制系統(tǒng)的硬件描述

a．PC 機。

在PC機上采用西門子公司的編程軟件Step7進行編程，應(yīng)用過程監(jiān)控軟件WINCC實現(xiàn)人機接口，WINCC監(jiān)控軟件為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。此外PC機可以通過ETH-PPI與S7-200樁腿控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳輸。

b．樁腿控制器。

選擇西門子公司的SIMATIC S7-200系列PLC中的CPU226CN作為控制編程器，負(fù)責(zé)對升降系統(tǒng)進行控制，并控制各節(jié)點的運動。此外在CPU226CN中還附加了模塊EM231CN(1個)和模塊EM253(3個)用來分別控制傾角傳感器和步進電機驅(qū)動器。

c．ETH-PPI。

ETH-PPI選用CP243i，它是目前最流行的西門子PLC S7-200用轉(zhuǎn)換器。CP243i將西門子S7-200的PPI協(xié)議轉(zhuǎn)換為西門子的PROFINET協(xié)議(TCP/IP)，使西門子S7-200可以與各種知名上位軟件實現(xiàn)遠距離、高速通信，并可以同時連接Step7，并對西門子S7-200進行編程。

d．傳感器。

在自升式鉆井平臺中，主要使用了兩種傳感器：一種是激光測距傳感器，選用SKD，主要功能是用來測試平臺升降的高度;另一種是傾角傳感器，選用SCA128T(RION)，主要是用來測量平臺的傾斜度。

2.2 下位機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2．2．1 PLC軟件設(shè)計及邏輯控制功能

PLC通過控制軟件對升降裝置施以邏輯控制?？刂葡到y(tǒng)的主要功能有：

a．手動控制功能。3個樁腿同時控制，有4種操作方式，即樁腿上升、樁腿下降、平臺上升、平臺下降。手動控制主要用于平臺升降開始和結(jié)束階段的調(diào)整及自動控制操作失靈情況下。

b．自動控制功能。自動控制與手動控制的轉(zhuǎn)換由手動、自動控制按鈕切換。4個樁腿也是同時控制，可以實現(xiàn)樁腿的上升和下降及平臺的上升和下降。

c．平衡控制功能。本平臺采用傾角傳感器來測量平臺的傾斜狀況，并將數(shù)值反饋到PLC，PLC根據(jù)數(shù)值與預(yù)先設(shè)定好的水平精度值作比較，并做出相應(yīng)的處理，實現(xiàn)平臺的平衡。

2．2．2 平衡控制的實現(xiàn)

本平臺通過PLC實現(xiàn)平衡控制。通過一個傾角傳感器測量平臺靜態(tài)重力加速度變化，并測量出平臺的傾斜度，進而根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的算法來調(diào)節(jié)平臺的水平度。該平臺的平衡控制系統(tǒng)如圖6所示。平衡控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，傾角傳感器采集平臺X向和Y向的傾角度數(shù)值，并將傾角度數(shù)值反饋到PLC，PLC根據(jù)傾角度數(shù)值與預(yù)先設(shè)定好的水平精度值作比較。若超過預(yù)先設(shè)定值，則發(fā)出指令給步進驅(qū)動器，來控制步進電機的速度，從而調(diào)節(jié)平臺傾斜度的大?。?］。

圖6 平衡控制系統(tǒng)

2.3 上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計

本平臺系統(tǒng)的監(jiān)控是系統(tǒng)采用WINCC組態(tài)軟件編寫的。設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)是為了實時顯示現(xiàn)場設(shè)備的工作數(shù)據(jù)，讓操作人員能直觀地了解現(xiàn)場工作的狀況，便于操作人員控制設(shè)備，并能提供報警故障等功能。監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

2．3．1 WINCC 與 Step7 集成

本平臺中WINCC為PLC S7-200提供驅(qū)動軟件，在這里將WINCC與Step7合用，在Step7中配置的變量可以在與WINCC的聯(lián)接時直接使用，這樣就大幅度提高了工作效率。在管理器中，把PLC程序、數(shù)據(jù)塊和符號表都集成到WINCC項目中，此外還把WINCC和Step7安裝在同一臺計算機上，以保證兩者的版本一致。在建立Step7項目后，可以在SIMATIC MANAGER里直接建立新的WINCC 項目［8］。

2．3．2 監(jiān)控界面設(shè)計

通過建立WINCC項目來完成監(jiān)控界面設(shè)計。監(jiān)控界面在編輯界面中加入各種圖形對象，并把相應(yīng)的屬性賦予圖形和符號，能夠?qū)崟r顯示現(xiàn)場設(shè)備的工作數(shù)據(jù)，如升降系統(tǒng)的各種參數(shù)和運行狀態(tài)。此外監(jiān)控界面還能提供報警故障等功能，可以發(fā)送控制指令。監(jiān)控界面如圖8所示。在監(jiān)控狀態(tài)下，平臺運動畫面如圖9所示。

圖8 監(jiān)控界面

3 結(jié)束語

圖9 平臺運動畫面

本文設(shè)計的自升式鉆井平臺升降控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的參數(shù)是理想工況下的數(shù)據(jù)，而實際工作條件下升降系統(tǒng)的工況更加復(fù)雜，影響因素更多，因此參數(shù)需要在現(xiàn)場調(diào)試時進一步測定?？梢詫⒆陨姐@井平臺升降系統(tǒng)的控制方案應(yīng)用于實際操作控制中，與工業(yè)實踐相結(jié)合，進一步提高升降控制系統(tǒng)的運行效率。如何設(shè)計出一個更加科學(xué)準(zhǔn)確的實驗方案，將成為今后平臺控制系統(tǒng)的研究重點和關(guān)鍵。

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