天車升沉補償實驗裝置控制系統設計與實現

劉振東,2， 張彥廷， 劉明宇， 于曉光， 葛 政， 黃魯蒙

(1.中國石油大學 (華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580；2.中國石油大學 (華東) 石油工業(yè)訓練中心， 山東 青島 266580)

引言

海洋浮式鉆井裝置受到海浪影響會產生升沉運動，從而帶動鉆柱相對海底上下運動，引起井底鉆壓變化，降低鉆井效率，甚至引發(fā)鉆井事故，因此需要安裝升沉補償裝置[1-2]。天車升沉補償因占用甲板面積小、所需液壓管線短和鋼絲繩壽命不受影響等優(yōu)點，在浮式鉆井船和半潛式鉆井平臺上得到了廣泛應用[3-5]。

1 天車升沉補償實驗裝置簡介

為開展天車升沉補償實驗研究，設計開發(fā)了一套天車升沉補償實驗裝置[6]，如圖1所示。

1.搖臂裝置 2.天車 3.補償鋼絲繩 4.滑輪5.模擬升沉液壓缸 6.模擬井架 7.補償液壓缸 8.大鉤 9.負載鋼絲繩 10.模擬負載液壓缸圖1 天車升沉補償實驗裝置原理圖

該裝置通過模擬升沉液壓缸5依次帶動補償鋼絲繩3、大鉤8和模擬負載液壓缸9，模擬海浪升沉造成鉆柱運動，通過補償液壓缸7帶動天車2做與升沉運動相反的運動，以此抵消升沉運動，保證模擬負載絕對位置基本不變。由于海浪的升沉運動是實時變化的，這就要求對升沉補償裝置必須實現自動控制，設計一套穩(wěn)定、精確、響應快速的控制系統顯得尤為重要。

2 控制系統總體方案設計

天車升沉補償實驗控制系統以西門子PLC和WinCC為基礎[7-9]，PLC為實驗系統的控制模塊，系統采用2臺西門子PLC，分別控制泵站系統和閥臺系統。各傳感器將采集到的實時數據傳送至PLC[10-12]，經過PLC中的控制程序處理后，向實驗系統中的執(zhí)行元件發(fā)送控制指令，控制實驗裝置的運行狀態(tài)；上位機PC端利用WinCC來組態(tài)人機交互界面， PLC與WinCC之間采用TCP/IP協議進行通信，使得PLC與WinCC之間能夠相互進行數據傳輸，PC端既可以監(jiān)測PLC控制模塊中的各項參數，也可以向PLC控制模塊發(fā)送控制指令和修改各項控制參數?？刂葡到y原理如圖2所示。

泵站PLC主要控制實驗系統中升沉模擬運動系統和補償運動系統的泵出口流量和壓力。通過變頻器控制電機轉速控制定量泵出口流量，通過控制變量泵的排量控制變量泵出口流量，通過控制電磁溢流閥設定壓力和變量泵出口壓力來調節(jié)系統最高壓力。泵站系統能實時監(jiān)測液壓系統工作壓力、流量和液壓油溫度等參數，使系統能夠在設定工況下進行正常運行。閥臺PLC主要控制實驗系統中模擬升沉運動系統和補償運動系統中的電磁比例方向閥、比例調速閥和普通電磁換向閥等。

閥臺PLC與泵站PLC基于以太網的S7通信協議實現通信，2臺PLC之間能夠進行數據傳輸交換。上位機和下位機PLC通過TCP/IP協議進行通信，上位機可以將所有控制指令發(fā)送到PLC控制器中，控制整個實驗系統。通過組態(tài)軟件WinCC來監(jiān)控實驗系統的整體運行狀態(tài)，包括電機的轉速和扭矩、泵出口壓力和流量、油箱液位、油溫、補償缸三腔壓力等，當實驗系統出現故障時，系統將自動停止工作，并發(fā)出警報，提醒實驗操作人員進行故障排查。

3 控制系統硬件設計

西門子S7系列PLC主要包括S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200等類型，其中S7-300系列適用于中端離散自動化系統，較符合本系統的控制要求，因此選用S7-300系列。綜合考慮存儲器容量、系統響應時間、備用模擬量和數字量通道預留及經濟成本等因素，對PLC各模塊進行選型，如表1所示。

圖2 控制系統總體方案圖

表1 PLC模塊選型表

根據被測對象特性、響應速度、測量精度、所測數據作用等因素，對控制系統中所需傳感器進行選型，如表2所示。

表2 主要傳感器選型表

4 控制系統軟件設計

控制程序的編寫采用西門子公司開發(fā)的編程軟件STEP 7進行編寫，該軟件具有硬件組態(tài)、程序編寫、通信組態(tài)、程序運行監(jiān)控等功能。結合本實驗裝置的控制流程和控制要求，以及被控設備的機械、液壓和電氣特性等，將控制程序劃分為多個模塊，各模塊之間既相互獨立又可以實現相互通信，如圖3所示。

圖3 控制程序模塊圖

控制程序的核心部分是升沉補償實驗相關程序，采用閉環(huán)控制方式，其控制流程如圖4所示。該部分程序編寫在循環(huán)中斷組織塊OB35中，按設定時間循環(huán)執(zhí)行。

圖4 升沉補償運動控制流程圖

當PLC造波程序控制模擬升沉液壓缸做升沉運動時，姿態(tài)傳感器MRU實時檢測到海浪升沉位移，將其以電壓信號形式傳輸到PLC中，并與天車位移傳感器輸入到PLC中的天車位移信號進行比較，再經過PLC中PID控制程序或模糊控制程序計算后，輸出電壓信號給電磁比例換向閥，實時調節(jié)閥口方向及大小以控制補償液壓缸的運動方向和速度。升沉補償控制策略有PID控制、模糊控制和模糊PID控制3種方式。

5 監(jiān)控系統組態(tài)設計

WinCC是西門子公司提供的基于Windows操作系統的強大的HMI(Human Machine Interface)系統，廣泛應用于工程通信和過程可視化[13]，利用WinCC來組態(tài)上位機監(jiān)控界面，如圖5和圖6所示。監(jiān)控系統分為泵站監(jiān)控系統和閥臺監(jiān)控系統，其具體實現功能有檢測顯示各項數據功能、參數設置功能、數據趨勢曲線監(jiān)測功能、報警功能、用戶管理功能等。

圖5 泵站監(jiān)控系統主界面圖

6 實驗結果

實驗現場如圖7所示，以閥臺電控柜作為主要控制操作臺，泵站電控柜起監(jiān)測作用，通過PLC通信程序進行通信。

圖6 閥臺監(jiān)控系統主界面圖

1.泵站電控柜 2.泵站系統 3.閥臺電控柜 4.閥臺系統圖7 天車升沉補償實驗裝置實物圖

通過該控制系統進行升沉補償實驗，得到升沉補償運動位移曲線，如圖8所示，可以看出系統運行平穩(wěn)，大鉤位移較小，達到了補償目的。

圖8 升沉補償運動位移曲線圖

采用PID控制策略，在不同升沉幅值下進行多組對比實驗，實驗中大鉤(即模擬負載)最小位移為39.35 mm，最大位移為78.70 mm，由此可得系統補償率在90.16%到93.44%之間，平均補償率為91.8%，達到了預期效果，證明該控制系統滿足天車升沉補償要求。

在升沉幅值為500 mm、升沉周期為12 s工況下，分別采用PID控制、模糊控制和模糊PID控制3種方式，控制效果如表3所示，以模糊PID控制效果最優(yōu)。

圖9 不同工況下補償效果圖

表3 不同控制策略補償效果對比

控制算法s/mmη/%PID-39.35～42.4791.51模糊-32.34～30.4093.53模糊PID-19.50～19.5196.10

除以上實驗工況和實驗控制策略對補償效果有影響之外，升沉補償系統的硬件(如傳感器響應速度、PLC模塊采集速度、PLC計算速度、PLC模塊輸出速度、比例閥響應速度和調節(jié)性能、油缸響應速度等)對系統也有較大影響。

7 結論

海洋浮式鉆井升沉補償裝置是深海石油開發(fā)的重要裝備，其控制系統直接影響到升沉補償的穩(wěn)定性及補償效果，在整個系統中起到了至關重要的作用。提供了一套天車升沉補償控制系統設計方案，包括其總體方案設計、硬件設計、軟件設計、監(jiān)控系統設計等，并且通過實驗驗證了其可行性?？梢揽窟@一系統進一步展開各項天車升沉補償實驗研究，為天車升沉補償裝置原型樣機的控制系統研發(fā)奠定基礎。