一種優(yōu)化的單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)的控制策略

（上海衡拓船舶設(shè)備有限公司，上海 200031）

0 引言

自升式平臺是指具有活動樁腿且其主體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進行作業(yè)，并能將主體降回海面和回收樁腿的平臺[1]，其原理為：船體通過升降系統(tǒng)將樁腿伸入海底，當(dāng)樁腿到達海底時，能將船身升離水面一定距離以承載船體重量，為海洋作業(yè)提供一個平穩(wěn)的工作平臺[2]。插銷式升降系統(tǒng)廣泛用于需要頻繁升降的平臺，升降油缸在平臺升降時提供提升力并具有一定的液壓緩沖作用，插銷對平臺具有鎖定功能，極大地提高了平臺的安全性能。液壓插銷式升降系統(tǒng)具有空間占比小、自重輕和成本低的優(yōu)點[3]。升降系統(tǒng)作為自升式平臺中的關(guān)鍵部分，在平臺的設(shè)計制造中和使用中歷來受到高度重視，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺的安全使用效果[4]。單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)作為一種比較傳統(tǒng)的形式，在液壓升降系統(tǒng)中仍占據(jù)較大的比重。然而平均速度慢、效率低成為了掣肘該型升降系統(tǒng)發(fā)展的重要因素，因此，如何提高效率成為了該型升降系統(tǒng)設(shè)計者的重要課題。

本文以某海洋施工平臺（圖1）為例，介紹液壓插銷式升降系統(tǒng)的升降機構(gòu)、原理、傳統(tǒng)控制策略和優(yōu)化控制策略。

圖1 海洋施工平臺

1 升降系統(tǒng)組成

該平臺的升降系統(tǒng)由升降機構(gòu)、液壓設(shè)備和電控設(shè)備組成，如圖2所示。

圖2 升降系統(tǒng)構(gòu)成

平臺共有4條樁腿，每條樁腿含1套升降機構(gòu)，每套升降機構(gòu)包括1個固定環(huán)梁和1個活動環(huán)梁，每個環(huán)梁中設(shè)有 4個插銷；固定環(huán)梁與平臺連接固定，活動環(huán)梁由總共 4個升降油缸驅(qū)動上下活動，活動環(huán)梁由導(dǎo)向板導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

液壓設(shè)備根據(jù)布置位置可分為液壓泵站和控制閥組。液壓設(shè)備共2套液壓泵站，每套泵站可驅(qū)動2套升降機構(gòu)，左、右舷各 1套；控制閥組安裝在樁邊，分為升降控制回路和插銷控制回路。

電控設(shè)備根據(jù)分布分為集控臺、電機啟動柜、泵站控制箱和樁邊操作箱。

圖3 單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)升降機構(gòu)

2 單樁升降原理

本文以提升平臺為例，介紹傳統(tǒng)單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)單樁邏輯控制方法，如圖4所示。

闡述圖4中每個步驟的狀態(tài)如下：

步驟①中，固定環(huán)梁及活動環(huán)梁插銷處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于縮回狀態(tài)；

步驟②中，固定環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，活動環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于縮回狀態(tài)；

步驟③中，固定環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，活動環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，升降油缸伸出；

步驟④中，固定環(huán)梁及活動環(huán)梁插銷處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于伸出狀態(tài)；

步驟⑤中，固定環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，活動環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，升降油缸處于伸出狀態(tài)；

步驟⑥中，固定環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，活動環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，升降油缸縮回；

步驟⑦中，固定環(huán)梁及活動環(huán)梁插銷處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于縮回狀態(tài)。

提升平臺的一個運行周期為①?⑦，下降平臺的一個運行周期為⑦?①。

圖4 單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)單樁邏輯控制示意圖

3 傳統(tǒng)控制策略

為避免由于傾斜引起的海洋平臺側(cè)翻事故，需要海洋平臺保持水平狀態(tài)上升或下降[5]。在傳統(tǒng)方法中，單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)的控制策略如下文所述。

將平臺的4條樁腿分別命名為1#、2#、3#及4#樁。

以提升平臺為例，當(dāng) 4條樁腿的固定環(huán)梁都處于拔銷狀態(tài)，控制系統(tǒng)以某條樁腿的位置為標(biāo)定位置，如1#樁位置，其他3條樁腿控制系統(tǒng)均是以1#樁位置為指令信號的位置控制系統(tǒng)，同時會根據(jù)與預(yù)設(shè)值的位置相差的大小整定控制系統(tǒng)參數(shù)，如圖5所示。

圖5 固定環(huán)梁都拔銷時的控制策略框圖

當(dāng)某條樁腿的固定環(huán)梁插銷時，如 1#樁插銷，其他樁腿停在當(dāng)前位置，等待 1#樁腿活動環(huán)梁拔銷、升降油缸回程、活動環(huán)梁插銷、固定環(huán)梁拔銷到位后，所有的樁腿再同時運動，如圖6所示。

在這種策略下，能夠保證當(dāng)1#樁在固定環(huán)梁插銷、升降油缸回程時，平臺各樁腿的相對位置不會變化，始終在允許的傾斜范圍內(nèi)，平臺不至于有傾覆危險。但這種策略的缺點同樣明顯，海洋平臺在海上的作業(yè)區(qū)域并不固定，需要不斷地進行移位作業(yè)，然而海床的狀況并不一致，平臺壓樁完畢后不能保證 4個樁壓入海床的長度一致，即 4個樁的銷孔可能不在一個水平面上。根據(jù)平臺升降一個節(jié)距的運行周期內(nèi)，升降系統(tǒng)需等待固定環(huán)梁插銷和升降油缸回程的次數(shù)，將升降系統(tǒng)分四種工況：

1）工況 1：不等待工況。平臺所有樁腿銷孔分布在同一水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個運行周期內(nèi)無需等待（只需等待自身運行周期內(nèi)的插拔銷及升降油缸回程）；

圖6 任一樁腿固定環(huán)梁插銷時的控制策略

2）工況2：等待一次工況。4條樁腿銷孔分布在2個水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個運行周期內(nèi)只需等待一次插拔銷及升降油缸回程；

3）工況3：等待兩次工況。4條樁腿銷孔分布在3個水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個運行周期內(nèi)需等待兩次插拔銷及升降油缸回程；

4）工況4：等待三次工況。平臺4條樁腿銷孔分布在 4個水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個運行周期內(nèi)需等待三次插拔銷及升降油缸回程。

圖7所示的入泥形式是傳統(tǒng)控制策略下最惡劣的情況，4條樁腿的銷孔都不在一個水平面。以 1#樁提升平臺為例，1#樁提升平臺一個節(jié)距，分別需要等待2#、3#、4#樁腿的固定環(huán)梁插銷及升降油缸回程，即3次插拔銷和升降油缸回程。

圖7 一種平臺樁腿入泥的形式

因此，平臺實際運動的平均速度為

式中：為平均升降速度；μ為升降系統(tǒng)升降過程工況 1比重值；V1為升降系統(tǒng)升降過程工況 1速度；β為升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值；V2為升降系統(tǒng)升降過程工況2速度；α為升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值；V3為升降系統(tǒng)升降過程工況3速度；η為升降系統(tǒng)升降過程工況4比重值；V4為升降系統(tǒng)升降過程工況4速度。

該海洋施工平臺在升降效用試驗中的升降速度為

V1=12 m/h；V2=10 m/h；V3=7.5 m/h；V4=5.6 m/h

相關(guān)參數(shù)為

S=1 600 mm；Δ=100 mm

式中：S為升降油缸行程；Δ為平臺傾斜允許范圍內(nèi)的位置差。

假設(shè)升降油缸性能一致，且升降油缸運動停止時落在油缸全行程任意位置的概率是相同的。

根據(jù)上述參數(shù)，任意兩條樁腿銷孔分布在一個水平面內(nèi)的概率為

δ=Δ/S=0.062 5

升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況4比重值為

將上述參數(shù)帶入式（1）中，計算得

在該海洋施工平臺的升降效用試驗中發(fā)現(xiàn)，工況4在整個升降效用試驗中比重較大，導(dǎo)致單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)平均速度大大降低，這也是國內(nèi)該型升降系統(tǒng)平均速度始終保持在一個比較低的水平上的主要原因。

4 優(yōu)化控制策略

4.1 優(yōu)化控制策略I

基于平臺平均升降速度的計算公式，平臺傾斜允許范圍內(nèi)的位置差Δ是影響平均升降速度的一個因素。將Δ=100 mm增加到Δ′=200 mm。

改進后的相關(guān)參數(shù)為

式中：Δ′為平臺傾斜允許范圍內(nèi)的位置差。

根據(jù)上述參數(shù)，任意兩條樁腿銷孔分布在一個水平面內(nèi)的概率為

升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況4比重值為

將上述參數(shù)帶入式（1），計算得

與傳統(tǒng)控制策略相比，升降速度平均值提高了

式中：'λ為增加Δ后的速度差率。

4.2 優(yōu)化控制策略II

從上述試驗結(jié)果可知，若減少升降過程中等待其他樁腿固定環(huán)梁插銷和升降油缸回程的次數(shù)，可以有效提高平臺平均升降速度，基于此結(jié)論，提出優(yōu)化控制策略II。

在平臺壓樁完畢后，操作人員根據(jù)圖8所示HMI主界面顯示的平臺傾角，進行調(diào)平工作。

圖8 某海洋施工平臺升降系統(tǒng)監(jiān)控界面主界面

調(diào)平工作完成后，控制系統(tǒng)記錄此時的各樁腿位置為相對零位，對樁腿重新分組，如圖9所示。

控制系統(tǒng)計算當(dāng)前各樁腿升降油缸的位移，將位移差絕對值最小 2條樁腿編成一組，看成一個單元。如圖7所示海床狀態(tài)，設(shè)2#樁與3#樁位置差較小，則將 2#樁相對位置調(diào)至與 3#樁相對位置一致，并將 2#樁和3#樁看成一個單元，之后進入正常工作流程。但在實際情況中，編為一組的 2條（或以上）樁腿的升降設(shè)備性能不可能完全一致，所以在同樣指令信號的情況下，隨著時間的累積，2條樁腿的位置偏差也會越來越大，最后導(dǎo)致平臺的傾斜過大。那么，在這一組樁腿的內(nèi)部，同樣需要保證其同步性能。

在圖10的策略中，以2#樁和3#樁分組為例。當(dāng)平臺所有樁腿固定環(huán)梁都處于拔銷狀態(tài)時，設(shè)置2#樁腿位置為標(biāo)定高度，2#樁腿以1#樁腿位置為指令信號，3#樁腿以2#樁腿位置為指令信號，這樣系統(tǒng)就組成了一個多級隨動系統(tǒng)。

圖9 優(yōu)化的分組方法示意圖

圖10 優(yōu)化的控制策略

當(dāng)某條樁腿處于固定環(huán)梁插銷狀態(tài)時，如1#樁固定環(huán)梁插銷，其他樁腿都停在當(dāng)前位置，等待1#樁升降油缸回程到位、固定環(huán)梁拔銷到位后，所有的樁腿再同時運動；但當(dāng)2#樁固定環(huán)梁插銷時，3#樁并不停止，而是根據(jù)圖10框內(nèi)的策略繼續(xù)保持與2#樁的同步，進入插銷及升降回程過程。

這樣，在系統(tǒng)調(diào)試完成后，既能保證平臺始終運動在允許的傾斜范圍內(nèi)，又能保證被分成一組的 2條樁腿的同步性。

與傳統(tǒng)控制策略比較，優(yōu)化后的升降系統(tǒng)每運動一個周期，最多只需要等待 2次升降油缸回程和固定環(huán)梁插銷，即去除了工況4。

因此，平臺實際運動的平均速度為

該海洋施工平臺在升降效用試驗中的升降速度為

V1=12 m/h；V2=10 m/h；V3=7.5 m/h

相關(guān)參數(shù)為

S=1 600 mm；Δ=100 mm

假設(shè)升降油缸性能一致，且升降油缸運動停止時落在油缸全行程內(nèi)的概率是相同的。

根據(jù)上述參數(shù)，任意 2條樁腿銷孔分布在一個水平面內(nèi)的概率為

那么，升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

將上述參數(shù)帶入式（2），計算得

與傳統(tǒng)控制策略相比，升降速度的加權(quán)平均值提高了。

式中：λ′′為優(yōu)化分組后的速度差率。

4.3 優(yōu)化控制策略III

綜合考慮優(yōu)化策略I和優(yōu)化策略II，在增加平臺傾斜允許位置差Δ的同時對樁腿進行優(yōu)化分組。

優(yōu)化后的相關(guān)參數(shù)為

根據(jù)上述參數(shù)，任意 2條樁腿銷孔分布在一個水平面內(nèi)的概率為

升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

將上述參數(shù)帶入式（2），計算得

與傳統(tǒng)控制策略相比，升降速度平均值提高了。

式中：λ′′′為優(yōu)化分組并增加Δ后的速度差率。

對比傳統(tǒng)控制策略、優(yōu)化控制策略I、優(yōu)化控制策略II及優(yōu)化控制策略III的平均升降速度，如表1所示。表中G為樁腿組數(shù)。

表1 各控制策略下的相關(guān)參數(shù)

從上述結(jié)果分析，平臺升降平均速度的小大取決于每個工況下的速度V、任2條樁腿銷孔分布在一個水平面內(nèi)的概率δ及每個工況速度的比重值，然而提高每個工況下的速度意味著增加系統(tǒng)的設(shè)計及建造成本，本文不做考慮。本文優(yōu)化策略從兩個角度出發(fā)：1）考慮增加任意 2條樁腿銷孔分布在一個水平面內(nèi)的概率δ（即Δ），從而增加了其他工況的比重值；2）考慮消除速度最低的工況、對樁腿進行優(yōu)化分組，增加其他工況下的比重值進而達到了增加平均速度的目的。

根據(jù)上述計算結(jié)果，在優(yōu)化的控制策略下，有效提高了升降系統(tǒng)的平均速度，縮短了平臺的升降作業(yè)周期并滿足系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計經(jīng)濟性的要求。

5 結(jié)論

本文闡述了某單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制策略，在傳統(tǒng)控制策略下，系統(tǒng)的平均升降速度=5.964 m/h；為了解決單步進液壓插銷式升降系統(tǒng)平均速度低的問題，在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化方案：采用優(yōu)化控制策略I，′=6.338 7 m/h，平均升降速度提高了 6.304%；采用優(yōu)化控制策略 II，，平均升降速度提高了30.99%；采用優(yōu)化控制策略III，′′=8.117 2 m/h，平均升降速度提高了36.13%。優(yōu)化控制策略減少了升降系統(tǒng)運行中的等待時間，提高了平臺的平均升降速度，提升了平臺的作業(yè)效率。本文可為升降系統(tǒng)控制程序設(shè)計人員提供參考。

[1] 中國船級社.上移動平臺入級規(guī)范[S].北京： 人民交通出版社, 2012.

[2] 趙亞楠, 郝軍, 汪莉, 等.自升式風(fēng)電安裝船樁腿及升降系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].船舶工程, 2010, 32(1)：1-4.

[3] 羅鋼華, 楊秀禮, 徐軍.插銷式液壓升降系統(tǒng)概述及其組成[J].船舶工程, 2016(S2)： 135-142.

[4] 李文華, 張銀東, 陳海泉, 等.自升式海洋石油平臺液壓升降系統(tǒng)分析[J].液壓與氣動, 2008(8)：23-25.

[5] 江志鋼, 徐瀟.一種海洋平臺的液壓升降系統(tǒng)的控制方法： 中國, 103938602 A[P].2014-07-23.