海洋平臺基座吊機(jī)3D區(qū)域限制防碰撞系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周巍巍,李 津,張春雨,王 新

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300451)

目前，渤海油田作業(yè)者通常采用嚴(yán)格規(guī)范的吊裝作業(yè)程序、安全管控措施等管理手段，通過地面人員的觀察、指揮與吊車司機(jī)的協(xié)同配合來規(guī)避海洋平臺吊機(jī)的碰撞風(fēng)險。但這種方式一方面降低了吊裝作業(yè)效率，另一方面也增加了地面人員的安全風(fēng)險。因此，從技術(shù)層面開展吊機(jī)防碰撞措施的研究非常有必要，應(yīng)考慮增加防碰撞系統(tǒng)，以保證海洋平臺基座吊機(jī)的安全、平穩(wěn)運行。

1 防碰撞系統(tǒng)的現(xiàn)狀

平臺起重機(jī)由于臂架長，經(jīng)常遠(yuǎn)距離起吊貨物，而操作者受操作環(huán)境的影響，在某些時候不能準(zhǔn)確地判斷出起重機(jī)與障礙物的相對位置。如貿(mào)然操作，可能會導(dǎo)致起重機(jī)碰撞甚至發(fā)生嚴(yán)重的安全事故；如果此時安排其他人員去現(xiàn)場觀察，既增加了操作時間，也增加了現(xiàn)場觀察人員的安全風(fēng)險。提高起重機(jī)的防碰撞功能，將其作為操作輔助功能，能夠擴(kuò)大吊機(jī)操作人員的操作視野，提高安全可靠性，從而降低因誤判操作帶來的風(fēng)險。

目前，普遍采用的是在吊臂上安裝雷達(dá)進(jìn)行防碰撞，此方案需要在吊臂上密集地布置傳感器，硬件投入大且不能有效解決吊鉤及吊重物部位與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞的問題；還有一種解決方案是在扒桿頭部安裝攝像頭監(jiān)控，需要吊車司機(jī)在工作過程中時刻盯著顯示器，所以這2種方案中防碰撞問題都沒有得到很好的解決。本文介紹一種基于3D區(qū)域限制防碰撞技術(shù)，是一種可以輔助音頻提示報警及主動限制危險操作的新型平臺吊機(jī)安全保障方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

3D區(qū)域限制防碰撞系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和絕對值編碼器組成，3D區(qū)域限制防碰撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)可以與起重機(jī)原控制系統(tǒng)集成設(shè)計，也可以設(shè)計成一套獨立的系統(tǒng)與原控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 3D區(qū)域限制防碰撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC負(fù)責(zé)位置的計算和障礙物位置的存儲，觸摸屏負(fù)責(zé)編碼器信號的標(biāo)定和障礙物位置的手動增減，絕對值編碼器用于各機(jī)構(gòu)位置和速度的檢測。系統(tǒng)各部件之間通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接，絕對值編碼器要選擇帶以太網(wǎng)口支持Profinet協(xié)議的類型；PLC安裝在控制箱內(nèi)，控制箱和觸摸屏可以安裝在司機(jī)室內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以與PLC安裝在同一控制箱內(nèi)，如果編碼器與PLC之間的距離過長(超過50 m)，則需將工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)安裝在PLC與編碼器之間，實現(xiàn)單一通訊距離不超過50 m，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

在通過觸摸屏對各編碼器信號進(jìn)行標(biāo)定后，PLC就能夠根據(jù)編碼器實時監(jiān)測的位置信號計算出起重機(jī)實時的空間位置(起升高度、變幅角度和回轉(zhuǎn)角度)，通過與系統(tǒng)中保存的障礙物的位置進(jìn)行對比，在接近障礙物時系統(tǒng)可以計算出通過障礙物所需要的空間位置(如臂架所需揚起的高度，吊鉤所需起升到的高度等)，在與障礙物的距離小于安全距離時，PLC控制機(jī)構(gòu)停止動作，以保障不與障礙物發(fā)生碰撞。

依據(jù)防碰撞控制流程，系統(tǒng)會預(yù)先進(jìn)行吊機(jī)移動體(包括吊臂、吊鉤及貨物)回轉(zhuǎn)方向上碰撞判斷，當(dāng)?shù)鯔C(jī)移動體靠近水平限制區(qū)域時，系統(tǒng)通過觸摸屏和蜂鳴器發(fā)出風(fēng)險提示; 當(dāng)?shù)鯔C(jī)移動體進(jìn)一步接近水平限制區(qū)域時，系統(tǒng)會限制該方向上的回轉(zhuǎn)操作，此時操作人員只能反方向回轉(zhuǎn)或?qū)⒈奂芴猎竭^障礙物的高度。

如果系統(tǒng)判斷在回轉(zhuǎn)方向上沒有發(fā)生碰撞的可能，則系統(tǒng)將進(jìn)行變幅方向上障礙物防撞的判斷。當(dāng)?shù)鯔C(jī)移動體靠近變幅角度限制區(qū)域時，系統(tǒng)通過觸摸屏和蜂鳴器發(fā)出風(fēng)險提示，當(dāng)?shù)鯔C(jī)移動體進(jìn)一步接近變幅角度限制區(qū)域時，系統(tǒng)會限制該方向上的變幅操作，此時操作人員只能反方向變幅或通過回轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離該回轉(zhuǎn)角度上的障礙物。

如果系統(tǒng)判斷在變幅方向上沒有碰撞發(fā)生的可能，則進(jìn)行吊鉤下放方向上障礙物防撞的判斷，當(dāng)?shù)鯔C(jī)移動體靠近高度限制區(qū)域時，系統(tǒng)通過觸摸屏和蜂鳴器發(fā)出風(fēng)險提示，當(dāng)?shù)鯔C(jī)移動體進(jìn)一步接近高度限制區(qū)域時，系統(tǒng)會停止該方向上的下放操作，此時操作人員只能起升吊鉤、增幅至越過障礙物的高度或回轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離該變幅方向上的障礙物。

3 編碼器的設(shè)置

編碼器是通過光源照射將位置和角度信號進(jìn)行編制和解讀，并轉(zhuǎn)換為可用于通訊、傳輸和存儲數(shù)字信號的光電設(shè)備，是一種用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的常用傳感器器件， 它具有分辨率高、響應(yīng)速度快和輸出穩(wěn)定等特點，非常適合于吊機(jī)數(shù)據(jù)采集。

編碼器一般分為增量型與絕對型，在增量型編碼器的情況下，位置是由零位標(biāo)記開始計算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。絕對型編碼器在掃描周期內(nèi)每個位置的輸出代碼讀數(shù)是唯一的，當(dāng)電源斷開時，其并不與實際的位置分離；如果電源再次接通，位置讀數(shù)仍是當(dāng)前的、有效的。而增量型編碼器電源再次接通，必須每次都要去尋找零位標(biāo)記。因此選用絕對型編碼器來測量吊車回轉(zhuǎn)角度，可實現(xiàn)每一個位置絕對唯一、抗干擾，且當(dāng)回轉(zhuǎn)編碼器不動作或者失電時，仍可依靠傳感器來記住位置。

在吊機(jī)的起升卷筒、變幅卷筒和回轉(zhuǎn)齒圈上分別增加絕對型編碼器。編碼器安裝時不能給軸施加直接的沖擊，其連接應(yīng)使用柔性連接。在軸上裝連接器時，不能硬壓入，若安裝不良，有可能使回轉(zhuǎn)編碼器軸承受的負(fù)荷大于允許負(fù)荷，造成拔芯現(xiàn)象。[1]同時防撞系統(tǒng)編碼器的使用環(huán)境為海洋環(huán)境，編碼器需具有防腐、抗鹽霧的性能。

測量高度的編碼器安裝于提升卷筒高度行程限位器一側(cè)。安裝時，應(yīng)保證吊機(jī)吊鉤位于剛接觸地面位置或高度下限位置，編碼器輸出電阻為初始值。選擇合適的位置焊接支架，保證高度行程限位器輸出軸與編碼器輸入軸同軸，誤差不超過1 mm。測量幅度的編碼器安裝于變幅機(jī)構(gòu)行程限位器一側(cè)。安裝時，編碼器的初始值處于中間位置。選擇合適位置焊接支架，保證變幅行程限位器輸出軸與幅度傳感器輸入軸同軸，誤差不超過1 mm。[2]監(jiān)測旋轉(zhuǎn)角度的編碼器安裝于回轉(zhuǎn)支承側(cè)面、回轉(zhuǎn)齒輪上方，使編碼器的輸入齒輪與回轉(zhuǎn)支承大齒圈相嚙合。

平臺上固定障礙物數(shù)據(jù)采集主要是通過設(shè)備廠家資料，將上甲板的設(shè)備外形、坐標(biāo)和高度輸入到已建立好的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

4 海洋平臺工程驗證

渤海某油田A平臺是一座集開采、處理、外輸?shù)裙δ苡谝惑w的大型綜合中心平臺。平臺頂甲板有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、吊機(jī)、熱介質(zhì)鍋爐、廢熱回收裝置、修井機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備布置高低不一，錯綜復(fù)雜，有必要在吊機(jī)系統(tǒng)中增加3D區(qū)域限制防碰撞系統(tǒng)。在工程應(yīng)用中，預(yù)先設(shè)置2個防碰撞的區(qū)域，其障礙物的3D限制區(qū)域的空間邊界參數(shù)見表1。3D限制區(qū)域防碰撞系統(tǒng)的工作狀態(tài)反饋見表2。通過表2中的3項吊機(jī)操作功能測試，表明防碰撞系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的限制保護(hù)效果。

表1 障礙物3D限制區(qū)域的空間邊界參數(shù)表

表2 3D限制區(qū)域防碰撞系統(tǒng)的工作狀態(tài)反饋

5 結(jié)束語

目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于渤海油田某中心平臺。雖然該技術(shù)方案仍然存在進(jìn)一步驗證、優(yōu)化及升級的空間，諸如，編碼器的可靠性驗證、如何適應(yīng)平臺后期改造引起的吊裝環(huán)境變化以及更加友好的用戶界面等。但總體來說，該技術(shù)實施成本較低，使用效果良好，是針對海洋平臺基座式吊機(jī)防碰撞問題的一次有益嘗試。