S型鋪管船張緊器控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

李明婕，段夢(mèng)蘭，李 慧，張玉來(lái)，呂 博，葉 茂，董朋光

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊277500；3.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；4.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州434023；5.勝利油田 勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng)257032）①

在全球，海洋石油資源量占石油資源總量的34%［1］。隨著能源消耗的增長(zhǎng)以及陸地油氣資源的匱乏，加強(qiáng)對(duì)深海油氣資源的勘探開發(fā)，尋求新的資源是當(dāng)前面臨的主要任務(wù)［2－4］。

張緊器是海底管道鋪設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，從20世紀(jì)70年代起，少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的大型裝備公司開始了張緊器的研發(fā)，例如美國(guó)的Westech HMD公司、意大利REMACUT公司和荷蘭SAS公司。圖1所示為Westech HMD公司生產(chǎn)的750kN張緊器。這家公司具有40多a的張緊器制造經(jīng)驗(yàn)，具有生產(chǎn)恒張力控制值在200～1 000kN系列張緊器的能力。

1 張緊器的功能介紹及性能參數(shù)

鋪管船分為S型、J型和卷筒型3種［6－10］。張緊器結(jié)構(gòu)因鋪管方式的不同而存在差異。本文研究的張緊器適用于圖2所示的S型鋪管船。

鋪管時(shí)，管線經(jīng)托管架從鋪管船船尾下水，由船尾至海底是一段較長(zhǎng)的懸空段，鋪管船的垂蕩會(huì)造成管線懸空段的長(zhǎng)度與管線應(yīng)力的變化。當(dāng)船隨波浪上升時(shí)，管線對(duì)張緊器拉力增大，可能超過(guò)管線應(yīng)力極限值而破壞；當(dāng)船隨波浪下降時(shí)，管線對(duì)張緊器拉力變小，進(jìn)而會(huì)使管線承受很大彎曲應(yīng)力，若應(yīng)力超過(guò)管線材料的屈服極限，會(huì)引起管線產(chǎn)生塑性變形［11］。張緊器的作用即實(shí)現(xiàn)鋪管過(guò)程中的恒張力控制。對(duì)于張力為2 000kN的張緊器，采用三相異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的張緊方式，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

額定張力 2 000kN

最大放纜速度 40m／min

最大收纜速度 20m／min

適用管徑 101.6～1524mm （4～60英寸）

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張緊器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括上下履帶總成、主支架、液壓夾緊缸和液壓懸掛缸。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是由控制系統(tǒng)的指令控制的。本文主要研究2個(gè)方面。

1） 對(duì)張緊器遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)硬件組成和軟件控制流程，并利用MCGS進(jìn)行人機(jī)交互界面的開發(fā)。

2） 設(shè)計(jì)張緊器機(jī)電控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行電機(jī)同步性試驗(yàn)。

張緊器控制系統(tǒng)是涉及檢測(cè)、通信、電控等技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。包括5個(gè)子系統(tǒng)，即中央控制系統(tǒng)（CCS）、履帶驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、履帶夾緊控制系統(tǒng)、履帶調(diào)整控制系統(tǒng)和液壓動(dòng)力單元 （HPU）。采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能儀器與遠(yuǎn)程IPC協(xié)同控制（FCS／PCBCS）的技術(shù)方案，使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作?？刂葡到y(tǒng)通訊模式如圖4所示。

2.1 控制方案

根據(jù)張緊器鋪管工藝要求，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，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。控制系統(tǒng)的基本控制流程如圖5所示。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制核心采用德國(guó)BECKHOFF公司的C3350型IPC，并作為主站，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與底層各從站進(jìn)行通信。

主站卡FC3101置于IPC內(nèi)，通過(guò)Profibus－DP與從站耦合器BK3120聯(lián)系，現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備（智能儀器、傳感器、變頻器、比例閥、換向閥等）與對(duì)應(yīng)類型的I／O模塊相連。將液壓站控制系統(tǒng)單獨(dú)作為1個(gè)從站進(jìn)行控制，履帶驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、履帶夾緊控制系統(tǒng)和履帶調(diào)整控制系統(tǒng)作為1個(gè)從站進(jìn)行控制。

2.3 操控臺(tái)結(jié)構(gòu)

張緊器控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)操控臺(tái)主要功能是實(shí)現(xiàn)張緊器的手動(dòng)控制，例如系統(tǒng)啟動(dòng)、緊急停止、解除制動(dòng)、調(diào)整系統(tǒng)手動(dòng)控制、夾緊系統(tǒng)手動(dòng)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)等。同時(shí)通過(guò)顯示面板監(jiān)測(cè)手動(dòng)調(diào)整過(guò)程液壓缸的位置和鋪管過(guò)程中管線張力。現(xiàn)場(chǎng)操控臺(tái)面板如圖6所示。

2.4 控制軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 軟件環(huán)境設(shè)置

深水海底管道鋪設(shè)張緊器系統(tǒng)總體控制點(diǎn)多達(dá)上百點(diǎn)，MCGS組態(tài)軟件結(jié)合TwinCAT軟件的控制方式很好地解決了傳統(tǒng)PLC的諸多弊端。

TwinCAT軟件PLC（SoftPLC，也稱為軟邏輯SoftLogic）提供了與普通PLC同樣的功能，同時(shí)又具有PC環(huán)境的各種優(yōu)點(diǎn)。MCGS是1套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件［12］，是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的采用全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)軟件，具有實(shí)時(shí)性好、并行處理能力強(qiáng)、畫面豐富、生動(dòng)的特點(diǎn)。MCGS具有開放式結(jié)構(gòu)，兩者依據(jù)OPC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)通訊。

2.4.2 軟件通信模式

MCGS組態(tài)軟件與TwinCAT軟PLC的通信應(yīng)用 OPC軟件標(biāo)準(zhǔn)［13］，MCGS、TwinCAT 均具有OPC標(biāo)準(zhǔn)接口，兩者可以方便地連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理維護(hù)和對(duì)設(shè)備的有效控制。

使用BECKHOFF Profibus總線作為上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信紐帶，總線端子作為開放式靈活I(lǐng)／O系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)的同時(shí)提高了通訊速度。

2.4.3 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面開發(fā)

遠(yuǎn)程IPC主要實(shí)現(xiàn)張緊器的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，操作員通過(guò)操控面板或觸摸屏下達(dá)控制目標(biāo)參數(shù)、發(fā)送控制命令、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制夾緊缸和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。張緊器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面（HMI）采用MCGS開發(fā)，顯示面板信息如圖7所示。

3 半物理試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及組成

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

1） 工作原理 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)采用2臺(tái)電機(jī)同軸運(yùn)行模式，一臺(tái)電機(jī)模擬波浪模型，另一臺(tái)電機(jī)模擬驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)波浪模擬電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生正向或反向的拖動(dòng)力，通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)出，若驅(qū)動(dòng)電機(jī)能較好地跟隨模擬機(jī)的速度變化，則可消除速度差，使轉(zhuǎn)矩輸出恒為零。

2） 結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)采用變頻調(diào)速三相異步電機(jī)2臺(tái)（帶增量型旋轉(zhuǎn)編碼器）、行星齒輪減速器、離合器、轉(zhuǎn)矩傳感器同軸安裝的方式。電機(jī)的速度控制通過(guò)安裝在控制柜內(nèi)的變頻器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的速度控制均通過(guò)對(duì)變頻器的頻率控制實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖如8所示。

3.2 控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制臺(tái)采用IPC為控制中心，通過(guò)Profibus－DP總線進(jìn)行主、從站的通信，在中央控制系統(tǒng)的指揮下底層I／0模塊與智能儀器（恒張力PID調(diào)節(jié)儀）完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的監(jiān)控。

1） 波浪模擬電機(jī)控制 控制系統(tǒng)中PC機(jī)作為波浪模擬計(jì)算機(jī)，通過(guò)串行通信（RS232－RS485）控制變頻器的輸出頻率，從而控制波浪模擬電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2） 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制 系統(tǒng)將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值輸入PID調(diào)節(jié)儀，PID調(diào)節(jié)儀實(shí)時(shí)比較轉(zhuǎn)矩信號(hào)目標(biāo)值和采集值，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器使轉(zhuǎn)矩值保持在允許范圍內(nèi)。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制算法實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

1） 恒轉(zhuǎn)矩PID控制算法的實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)中，由于波浪模擬電機(jī)速度的變化，造成2臺(tái)同軸電機(jī)不同步，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩信號(hào)。系統(tǒng)采用專門的PID調(diào)節(jié)儀實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)矩信號(hào)，通過(guò)比較、PID調(diào)節(jié)、信號(hào)輸出控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使2臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩維持在允許的范圍內(nèi)。

2） 恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)結(jié)果分析 波浪模擬電機(jī)的速度按波浪模型頻率值實(shí)時(shí)變化，若波浪模擬電機(jī)拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩傳感器輸出值發(fā)生變化，采用PID調(diào)節(jié)后，以轉(zhuǎn)矩信號(hào)為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使2臺(tái)電機(jī)保持速度的動(dòng)態(tài)同步，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出值在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)波浪模擬電機(jī)按照波浪模型曲線進(jìn)行變速運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度也按照波浪電機(jī)的速度進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，2臺(tái)電機(jī)的速度曲線如圖9所示，轉(zhuǎn)速同步性良好，2條速度曲線基本重合。

圖10和表1分別為最高工況波浪等級(jí)下2臺(tái)電機(jī)間轉(zhuǎn)矩曲線和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表格。觀察曲線可知，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為5N·m，最大實(shí)際轉(zhuǎn)矩為6.2N·m，最小實(shí)際轉(zhuǎn)矩為4.0N·m，相對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的最大偏差在±1.2N·m，偏差平均值≤±0.3N·m。

5 結(jié)論

1） 為了促進(jìn)S型鋪管船用張緊器的研究，研制了控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)，轉(zhuǎn)矩量程為±30N·m，張力控制精度為1%。

2） 研制了半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和電控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)2部分。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)恒張力試驗(yàn)中，波浪模擬電機(jī)在波浪模擬計(jì)算機(jī)的控制下模擬現(xiàn)場(chǎng)波浪對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行干擾；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工控機(jī)和智能儀器的控制下，通過(guò)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)使2臺(tái)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)矩保持在允許的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

3） 電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出的試驗(yàn)結(jié)果表明，在控制系統(tǒng)作用下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在允許范圍內(nèi)，電機(jī)同步性良好，控制效果符合設(shè)計(jì)要求。

4） 當(dāng)前存在的問題主要在于如何直接將恒轉(zhuǎn)矩控制器采用的控制方法和程序應(yīng)用于張緊器的恒張力控制，這也是今后重點(diǎn)研究的方向。

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