臍帶纜張緊器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李 寅，張仕民，王文明，劉培林，王曉華，李曉龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）＊

在開(kāi)發(fā)海洋油氣資源的過(guò)程中，需要高效可靠的鋪管敷纜設(shè)備。臍帶纜張緊器是鋪設(shè)臍帶纜的重要設(shè)備，能夠提供一定的夾緊力夾持管線并進(jìn)行鋪設(shè)，在鋪設(shè)時(shí)保持對(duì)臍帶纜的張緊力恒定，避免臍帶纜在風(fēng)浪、洋流以及臍帶纜自重等因素的作用下?lián)p壞［1］。

國(guó)外關(guān)于臍帶纜張緊器的研究開(kāi)展得比較早，根據(jù)臍帶纜張緊器履帶布置形式和數(shù)量分類，臍帶纜張緊器可分為兩履帶上下布置式、兩履帶水平布置式、三履帶對(duì)中布置式和四履帶對(duì)中布置式4種；其驅(qū)動(dòng)方式也分為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種［2］；產(chǎn)品也比較成熟，已經(jīng)可以生產(chǎn)具有從幾十到幾百千牛張緊力的張緊器，型號(hào)眾多，主要生產(chǎn)張緊器的廠家有：AQUATIC、ONE－OFFSHORE、ESTECH、SAS、Amclyde、Huisman等［3］。國(guó)內(nèi)的研究還處于起步階段，因此，國(guó)家在“十二五”期間開(kāi)展對(duì)臍帶纜鋪設(shè)技術(shù)的研究和設(shè)備的研制。

本文研究的控制系統(tǒng)是針對(duì)鋪設(shè)臍帶纜的四履帶結(jié)構(gòu)的張緊器，控制目的是在臍帶纜的鋪設(shè)過(guò)程中保持對(duì)臍帶纜的張緊力恒定［4］。張緊器與臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)的其他設(shè)備（例如：卷軸、A＆R絞車）之間也要有良好配合，以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1 控制過(guò)程分析

1.1 工作過(guò)程

張緊器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在進(jìn)行臍帶纜的鋪設(shè)過(guò)程前，首先要打開(kāi)張緊器頂部的開(kāi)合機(jī)構(gòu)，利用A＆R絞車與起重設(shè)備裝入臍帶纜；待臍帶纜導(dǎo)入后，閉合張緊器頂部的開(kāi)合機(jī)構(gòu)；夾緊液壓缸推動(dòng)相應(yīng)履帶夾持臍帶纜；撤下A＆R絞車；開(kāi)始鋪設(shè)。

圖1 張緊器結(jié)構(gòu)

需要棄管或?qū)肽殠Ю|接頭時(shí)，先停止驅(qū)動(dòng)過(guò)程，利用A＆R絞車?yán)∧殠Ю|；接著控制夾持臍帶纜的各履帶液壓缸開(kāi)始回撤，松開(kāi)臍帶纜；待上履帶完全收回至張緊器殼頂后，打開(kāi)張緊器頂部的開(kāi)合機(jī)構(gòu)，以便有足夠的空間取出臍帶纜進(jìn)行棄管或?qū)脒B接頭作業(yè)；最后，閉合頂部開(kāi)合機(jī)構(gòu)完成棄管，或者在A＆R絞車導(dǎo)過(guò)臍帶纜接頭后繼續(xù)鋪設(shè)作業(yè)［5］。

1.2 控制關(guān)鍵問(wèn)題

1） 由于臍帶纜本身能承受的夾持徑向載荷有限，在進(jìn)行夾緊操作過(guò)程中，張緊器履帶對(duì)臍帶纜的夾緊力要保持在一定的范圍內(nèi)。夾緊力過(guò)大會(huì)損壞臍帶纜，而夾緊力過(guò)小不能提供足夠的張緊力，臍帶纜與履帶之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，損壞履帶上的墊塊，繼而導(dǎo)致臍帶纜鋪設(shè)失敗［6］。

2） 當(dāng)進(jìn)行四履帶夾持臍帶纜操作時(shí)，需要保持各履帶對(duì)中夾持，即各履帶行程保持一致，這樣才能保證正好夾持臍帶纜，如果發(fā)生偏斜會(huì)損壞臍帶纜和張緊器。在各履帶進(jìn)行夾持以及回撤運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡量保持各液壓缸同步前進(jìn)與后退；如果各液壓缸不同步，會(huì)對(duì)履帶導(dǎo)軌以及滑塊造成損傷，當(dāng)履帶前后行程差距過(guò)大時(shí)，容易造成履帶“卡死”，影響張緊器對(duì)臍帶纜的正常夾緊作業(yè)。因此，在對(duì)張緊器的夾緊過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，一定要注意各液壓缸運(yùn)動(dòng)的同步性。

3） 在打開(kāi)張緊器頂部的開(kāi)合機(jī)構(gòu)時(shí)要保證上履帶已經(jīng)完全收回殼頂，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉損壞張緊器。在進(jìn)行開(kāi)合操作過(guò)程中要保持上履帶停止工作，避免損壞張緊器。

4） 在鋪設(shè)臍帶纜時(shí)保持恒張力鋪設(shè)。由于海洋環(huán)境較為復(fù)雜，時(shí)有海浪與洋流等不確定性因素，會(huì)對(duì)鋪設(shè)過(guò)程造成很大影響。在鋪設(shè)過(guò)程中，突發(fā)的海浪會(huì)對(duì)臍帶纜造成拉扯，對(duì)鋪管船造成沖擊，這都會(huì)增加或減小張緊器對(duì)臍帶纜的張緊力，當(dāng)張緊器對(duì)臍帶纜的張緊力超過(guò)臍帶纜能承受的載荷范圍時(shí)，會(huì)造成臍帶纜的損壞甚至斷裂，造成重大損失［7］。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

根據(jù)張緊器的工作過(guò)程，張緊器控制系統(tǒng)的主要功能是能夠控制張緊器履帶以一定夾緊力良好夾持臍帶纜，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行恒張力鋪設(shè)臍帶纜，還需要控制張緊器頂部的開(kāi)合機(jī)構(gòu)在進(jìn)行打開(kāi)、閉合操作時(shí)各部件的協(xié)同作業(yè)。張緊器的控制主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將各開(kāi)關(guān)與傳感器信號(hào)輸入IPC（Industrial Personal Computer，即工控機(jī)），IPC 再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線輸出控制指令，對(duì)各執(zhí)行元件進(jìn)行控制。整體控制系統(tǒng)框圖如圖2所示［8］。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

操作人員通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)下達(dá)指令，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到IPC，經(jīng)IPC處理后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制相應(yīng)的電磁繼電器動(dòng)作來(lái)完成電磁換向閥的相應(yīng)動(dòng)作，控制液壓缸前進(jìn)或后退。在液壓缸動(dòng)作的同時(shí)，分布于液壓系統(tǒng)上的位移傳感器和壓力傳感器提供信號(hào)給現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)I／O采集模塊，各信號(hào)由IPC處理后，再由現(xiàn)場(chǎng)總線的I／O模塊輸出對(duì)應(yīng)的電磁閥的相應(yīng)動(dòng)作，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)各夾緊液壓缸的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)夾緊過(guò)程中各液壓缸的同步。

對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作也是IPC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線采集到操作人員的指令后再進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。在進(jìn)行臍帶纜鋪設(shè)的過(guò)程中，張力傳感器測(cè)得的張緊器對(duì)臍帶纜的張力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)絀PC，經(jīng)過(guò)IPC分析處理后控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

在張緊器頂部的開(kāi)合機(jī)構(gòu)工作時(shí)，為監(jiān)測(cè)開(kāi)合機(jī)構(gòu)是否完全打開(kāi)，在開(kāi)合機(jī)構(gòu)布置行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)合機(jī)構(gòu)完全打開(kāi)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)，系統(tǒng)停止對(duì)液壓缸的操作。在開(kāi)合機(jī)構(gòu)工作時(shí)，為保護(hù)張緊器不受損害，控制系統(tǒng)會(huì)鎖死上履帶，使其不能運(yùn)動(dòng)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 IPC

張緊器控制系統(tǒng)采用基于IPC的PC控制技術(shù)，以IPC為核心，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與各控制開(kāi)關(guān)、傳感器以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信。操作人員通過(guò)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)以及人機(jī)界面下達(dá)指令，經(jīng)IPC處理后將控制信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)控制模塊

張緊器的驅(qū)動(dòng)元件是異步電機(jī)，本控制系統(tǒng)采用的是變頻控制方式，主要驅(qū)動(dòng)控制元件是變頻器。為了控制的需要，還需要增量型旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、張力傳感器來(lái)測(cè)量張緊器對(duì)臍帶纜張力的大小，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2.3 液壓控制模塊

張緊器對(duì)臍帶纜進(jìn)行夾緊以及頂部開(kāi)合機(jī)構(gòu)的運(yùn)行都要靠液壓缸來(lái)完成?？刂葡到y(tǒng)的液壓控制采用閥控缸的控制方式，通過(guò)對(duì)電磁換向閥的控制改變液壓缸的前進(jìn)或后退，通過(guò)對(duì)比例調(diào)速閥的控制調(diào)節(jié)液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度。為了使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在液壓系統(tǒng)中布置壓力傳感器和位移傳感器對(duì)液壓系統(tǒng)壓力以及各液壓缸行程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)［9］。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及對(duì)張緊器運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。液壓模塊主要顯示各液壓缸的壓力值、各履帶的行程、各履帶對(duì)管線的夾緊力等數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)模塊以時(shí)間曲線的形式顯示張緊器對(duì)管線鋪管的張力值、實(shí)時(shí)鋪管速度的瞬時(shí)值以及隨時(shí)間變化情況。各電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及功率以數(shù)值的形式顯示，以便隨時(shí)監(jiān)視張緊器的運(yùn)行情況。除此之外，還可以顯示各變頻器的運(yùn)行情況，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警。控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)人機(jī)界面

張緊器控制系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)人機(jī)界面進(jìn)行對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。全部參數(shù)設(shè)置完成后，通過(guò)程序輪流調(diào)用夾緊模塊子程序、上履帶開(kāi)合模塊子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊子程序，實(shí)現(xiàn)張緊器的一個(gè)完整的工作流程。流程結(jié)束后，程序返回到參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)進(jìn)行第2次循環(huán)調(diào)用。在系統(tǒng)工作的任何階段都可以進(jìn)行壓力、鋪管速度等參數(shù)的設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，系統(tǒng)仍正常工作，新參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)按照新參數(shù)為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行工作，即：參數(shù)設(shè)置與控制為并行工作過(guò)程，操作過(guò)程更加人性化。整個(gè)系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程

3 協(xié)同控制設(shè)計(jì)

在臍帶纜鋪設(shè)的過(guò)程中，由于張緊器與A＆R絞車、卷軸之間會(huì)進(jìn)行配合，因此需要張緊器與A＆R絞車、卷軸以及船內(nèi)控制室進(jìn)行協(xié)同控制。協(xié)同控制通信框圖如圖5所示。

圖5 協(xié)同控制通信框圖

3.1 協(xié)同組成

臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)需要協(xié)同控制的裝備包括張緊器、控制室顯示終端、卷軸、A＆R絞車。張緊器的主控臺(tái)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)與交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

3.2 通信方式

主控臺(tái)與張緊器之間的通信，即張緊器設(shè)備內(nèi)部通信通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成。設(shè)備間協(xié)同采用以太網(wǎng)方式：即主控臺(tái)、A＆R絞車、卷軸以及船內(nèi)控制室之間的通信以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為共享設(shè)備，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與信息共享。

3.3 工業(yè)以太網(wǎng)通信方案

在主控臺(tái)的IPC內(nèi)擴(kuò)展工業(yè)以太網(wǎng)卡，在操作間內(nèi)設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，卷軸及A＆R絞車的控制系統(tǒng)也分別由工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)線連入工業(yè)以太網(wǎng)的交換機(jī)，再接出數(shù)據(jù)線至鋪管船內(nèi)的控制室內(nèi)，將數(shù)據(jù)傳送至鋪管船內(nèi)的控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

3.4 張緊器與外部設(shè)備數(shù)據(jù)接口

為使協(xié)同控制順利進(jìn)行，各設(shè)備間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與信息共享，各設(shè)備需要輸出的變量以及接收設(shè)備如表1。其中T、A、R、C分別表示接收變量的設(shè)備：張緊器、A＆R絞車、卷軸以及船內(nèi)控制室。

由表1可知張緊器與各設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，其中船內(nèi)控制室將得到所有數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)整體系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的運(yùn)行以張緊器為核心，張緊器的鋪管速度將影響到A＆R絞車和卷軸的收放速度；而在進(jìn)行張力轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，張緊器夾緊力的大小以及對(duì)管線的張力也將影響到A＆R絞車的操作，A＆R絞車對(duì)管線的張力也在這一過(guò)程中對(duì)張緊器有所影響；張緊器、A＆R絞車和卷軸的運(yùn)行狀態(tài)將由各設(shè)備共享，當(dāng)1臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，其他設(shè)備將做出應(yīng)對(duì)措施。

表1 張緊器與外部設(shè)備共享數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了張緊器的工作過(guò)程以及控制關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)了臍帶纜張緊器控制系統(tǒng)的總體方案，以IPC為控制核心，對(duì)液壓缸壓力、位移以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)IPC進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)調(diào)整張緊器的工作狀態(tài)，并與A＆R絞車和卷軸協(xié)同作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)臍帶纜時(shí)的恒張力鋪設(shè)控制以及整體鋪設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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