S型鋪管船張緊器控制系統(tǒng)仿真試驗臺設(shè)計

李明婕，段夢蘭，李 慧，張玉來，呂 博，葉 茂，董朋光

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.棗莊科技職業(yè)學院，山東 棗莊277500；3.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；4.長江大學，湖北 荊州434023；5.勝利油田 勝利動力機械集團有限公司，山東 東營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以及陸地油氣資源的匱乏，加強對深海油氣資源的勘探開發(fā)，尋求新的資源是當前面臨的主要任務(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70年代起，少數(shù)發(fā)達國家的大型裝備公司開始了張緊器的研發(fā)，例如美國的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，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，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的懸空段，鋪管船的垂蕩會造成管線懸空段的長度與管線應力的變化。當船隨波浪上升時，管線對張緊器拉力增大，可能超過管線應力極限值而破壞；當船隨波浪下降時，管線對張緊器拉力變小，進而會使管線承受很大彎曲應力，若應力超過管線材料的屈服極限，會引起管線產(chǎn)生塑性變形［11］。張緊器的作用即實現(xiàn)鋪管過程中的恒張力控制。對于張力為2 000kN的張緊器，采用三相異步交流電機驅(qū)動的張緊方式，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

張緊器的機械結(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。機械執(zhí)行機構(gòu)的動作是由控制系統(tǒng)的指令控制的。本文主要研究2個方面。

1） 對張緊器遠程和現(xiàn)場控制系統(tǒng)進行設(shè)計，確定系統(tǒng)硬件組成和軟件控制流程，并利用MCGS進行人機交互界面的開發(fā)。

2） 設(shè)計張緊器機電控制系統(tǒng)模擬試驗臺，進行電機同步性試驗。

張緊器控制系統(tǒng)是涉及檢測、通信、電控等技術(shù)的復雜系統(tǒng)。包括5個子系統(tǒng)，即中央控制系統(tǒng)（CCS）、履帶驅(qū)動控制系統(tǒng)、履帶夾緊控制系統(tǒng)、履帶調(diào)整控制系統(tǒng)和液壓動力單元 （HPU）。采用基于現(xiàn)場總線的智能儀器與遠程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。控制系統(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)為目標參數(shù)進行工作?？刂葡到y(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BECKHOFF公司的C3350型IPC，并作為主站，通過現(xiàn)場總線與底層各從站進行通信。

主站卡FC3101置于IPC內(nèi)，通過Profibus－DP與從站耦合器BK3120聯(lián)系，現(xiàn)場底層設(shè)備（智能儀器、傳感器、變頻器、比例閥、換向閥等）與對應類型的I／O模塊相連。將液壓站控制系統(tǒng)單獨作為1個從站進行控制，履帶驅(qū)動控制系統(tǒng)、履帶夾緊控制系統(tǒng)和履帶調(diào)整控制系統(tǒng)作為1個從站進行控制。

2.3 操控臺結(jié)構(gòu)

張緊器控制系統(tǒng)現(xiàn)場操控臺主要功能是實現(xiàn)張緊器的手動控制，例如系統(tǒng)啟動、緊急停止、解除制動、調(diào)整系統(tǒng)手動控制、夾緊系統(tǒng)手動控制、電機驅(qū)動系統(tǒng)手動調(diào)節(jié)等。同時通過顯示面板監(jiān)測手動調(diào)整過程液壓缸的位置和鋪管過程中管線張力?，F(xiàn)場操控臺面板如圖6所示。

2.4 控制軟件設(shè)計

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)總體控制點多達上百點，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，同時又具有PC環(huán)境的各種優(yōu)點。MCGS是1套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件［12］，是國內(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，具有實時性好、并行處理能力強、畫面豐富、生動的特點。MCGS具有開放式結(jié)構(gòu)，兩者依據(jù)OPC標準進行配置，實現(xiàn)通訊。

2.4.2 軟件通信模式

MCGS組態(tài)軟件與TwinCAT軟PLC的通信應用 OPC軟件標準［13］，MCGS、TwinCAT 均具有OPC標準接口，兩者可以方便地連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理維護和對設(shè)備的有效控制。

使用BECKHOFF Profibus總線作為上位機與現(xiàn)場設(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)，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)的同時提高了通訊速度。

2.4.3 控制系統(tǒng)人機交互界面開發(fā)

遠程IPC主要實現(xiàn)張緊器的遠程監(jiān)控功能，操作員通過操控面板或觸摸屏下達控制目標參數(shù)、發(fā)送控制命令、遠程手動控制夾緊缸和驅(qū)動電機，控制過程狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲等功能。張緊器遠程監(jiān)控系統(tǒng)人機交互界面（HMI）采用MCGS開發(fā)，顯示面板信息如圖7所示。

3 半物理試驗臺結(jié)構(gòu)及組成

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)

1） 工作原理 驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺采用2臺電機同軸運行模式，一臺電機模擬波浪模型，另一臺電機模擬驅(qū)動電機。當波浪模擬電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，會對驅(qū)動電機產(chǎn)生正向或反向的拖動力，通過轉(zhuǎn)矩傳感器測出，若驅(qū)動電機能較好地跟隨模擬機的速度變化，則可消除速度差，使轉(zhuǎn)矩輸出恒為零。

2） 結(jié)構(gòu) 驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)采用變頻調(diào)速三相異步電機2臺（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。電機的速度控制通過安裝在控制柜內(nèi)的變頻器實現(xiàn)，系統(tǒng)對電機的速度控制均通過對變頻器的頻率控制實現(xiàn)。試驗系統(tǒng)組成如圖如8所示。

3.2 控制系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)

驅(qū)動系統(tǒng)控制臺采用IPC為控制中心，通過Profibus－DP總線進行主、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）完成對驅(qū)動電機的監(jiān)控。

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

2） 驅(qū)動電機控制 系統(tǒng)將目標轉(zhuǎn)矩值輸入PID調(diào)節(jié)儀，PID調(diào)節(jié)儀實時比較轉(zhuǎn)矩信號目標值和采集值，經(jīng)過PID運算控制驅(qū)動電機的變頻器使轉(zhuǎn)矩值保持在允許范圍內(nèi)。

4 驅(qū)動電機恒轉(zhuǎn)矩控制算法實現(xiàn)及試驗結(jié)果分析

1） 恒轉(zhuǎn)矩PID控制算法的實現(xiàn) 驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺中，由于波浪模擬電機速度的變化，造成2臺同軸電機不同步，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩信號。系統(tǒng)采用專門的PID調(diào)節(jié)儀實時采集轉(zhuǎn)矩信號，通過比較、PID調(diào)節(jié)、信號輸出控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，使2臺電機同步運行，轉(zhuǎn)矩維持在允許的范圍內(nèi)。

2） 恒轉(zhuǎn)矩試驗結(jié)果分析 波浪模擬電機的速度按波浪模型頻率值實時變化，若波浪模擬電機拖動驅(qū)動電機運行，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)矩信號為目標，通過調(diào)整驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，使2臺電機保持速度的動態(tài)同步，此時，轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出值在允許的范圍內(nèi)。當波浪模擬電機按照波浪模型曲線進行變速運行時，驅(qū)動電機的速度也按照波浪電機的速度進行速度調(diào)節(jié)，2臺電機的速度曲線如圖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下2臺電機間轉(zhuǎn)矩曲線和對應數(shù)據(jù)表格。觀察曲線可知，目標轉(zhuǎn)矩為5N·m，最大實際轉(zhuǎn)矩為6.2N·m，最小實際轉(zhuǎn)矩為4.0N·m，相對目標轉(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S型鋪管船用張緊器的研究，研制了控制系統(tǒng)模擬試驗臺，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臺。該試驗臺包括驅(qū)動電機試驗臺和電控系統(tǒng)試驗臺2部分。在驅(qū)動系統(tǒng)電機恒張力試驗中，波浪模擬電機在波浪模擬計算機的控制下模擬現(xiàn)場波浪對驅(qū)動電機進行干擾；驅(qū)動電機在工控機和智能儀器的控制下，通過對電機速度的調(diào)節(jié)使2臺電機同軸轉(zhuǎn)矩保持在允許的范圍內(nèi)，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

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

4） 當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用于張緊器的恒張力控制，這也是今后重點研究的方向。

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