水下作業培訓用絞車模擬控制系統設計

邢傳勝，蘇 鋒，付劍波，段夢蘭，侯 莉

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）①

水下作業培訓用絞車模擬控制系統設計

邢傳勝1，蘇 鋒2，付劍波2，段夢蘭1，侯 莉2

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）①

傳統水下作業過程中的絞車工種培訓需投入大量設備、能源及原材料，培訓考核成本高，效果不理想。設計了用于水下作業培訓的絞車模擬控制系統，該系統可模擬絞車上提下放等常規操作；可仿真采集下放過程的速度、張力、深度等參數；可仿真實現系統緊急制動、系統參數設置、報警等功能。仿真系統可廣泛應用于絞車操作人員的技能培訓和考核，可達到縮短培訓周期、提高培訓質量和培訓效率、降低安全風險和培訓成本的目的。

絞車；模擬操作臺；仿真系統；可編程控制器；OPC通訊協議

在水下作業過程中，絞車裝置不僅可為提升纜繩提供動力，還可以采集下放的深度、速度和張力等參數，以便及時掌握工況，保證水下作業順利進行。因此，對絞車工種的培訓是水下作業培訓的重要一環。傳統絞車工種培訓考核成本高，效果不理想。為此，本文參照絞車現場作業的實際操作流程，對絞車的工作原理及操作方法［1-3］進行了詳細研究，設計了1套用于水下作業培訓的絞車模擬控制系統，在實施現場作業之前對有關操作人員進行有效地培訓，讓操作員對整個絞車操作過程有了直觀、系統的認識。

1 系統構成

絞車模擬控制系統主要由人機交互模擬操作臺（即絞車操作臺）、操控仿真及模型解算服務器、PLC控制模塊、教練員站、視景顯示模塊等5大部分組成，系統組成如圖1所示。

圖1 絞車模擬控制系統結構

1.1 人機交互模擬操作臺

即絞車模擬操作臺，負責整個模擬訓練過程的數據輸入、計算、傳輸、監控和管理，并向主視景計算機系統發送實時數據。

1.2 操控仿真及模型解算等服務器

包括數據庫服務器和模型服務器。數據庫服務器是仿真系統的操控數據中心，通過網絡通訊方式（OPC協議）與PLC模塊進行通訊，獲得操作人員的實時操作信息，并存儲到數據庫中。在模型服務器中，讀取數據庫服務器中的數據，根據操作人員的操作信息，進行虛擬動態模型的解算，動態模擬設備的各類參數信息，并通過視景仿真和實時參數顯示來模擬現場情況。

1.3 教練員站

教練員站可以實現對相關數據的輸入與輸出，例如學員信息錄入、培訓考核內容設置、操作過程監視（記錄和重演）、分析與評分、考核成績輸出等。

1.4 視景顯示模塊

視景顯示模塊包括設備運行過程中參數、報警連鎖以及音響、視景等感知反饋，使得操作員能夠清楚地了解設備的運行狀況。

2 絞車模擬操作臺

絞車模擬操作臺以某船用絞車為原型，根據需求進行改進，臺體結構如圖2所示。

控制臺采用琴式結構，分為顯示區、操作區和內部控制器3大部分。

顯示區包括絞車運行參數監控顯示器、視景顯示器以及各類運行指示燈組。絞車運行參數監控顯示器能夠實時顯示絞車運行過程中的張力、深度、速度等參數，絞車模擬控制臺視景顯示器能夠實時顯示水下作業的場景，可以為操作員提供更加直觀的操作效果。運行指示燈組主要包括絞車馬達、滾筒、排纜器、泵以及PLC控制器的運行狀態及故障顯示。

圖2 絞車操作臺結構

操作區包括有各種按鈕（儀表、指示器）、操作手柄以及鼠標鍵盤等，能夠實現絞車的各類常規操作以及緊急制動。操作元件觸發的電信號通過信號采集系統并傳輸給仿真控制器進行處理，處理之后的數據以不同的方式反饋給顯示區（音響系統）等，并且學員培訓考核的有關數據被記錄到數據庫服務器中。

內部控制器主要由PLC控制器、模擬量模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、電源模塊以及網絡通訊模塊等組成。絞車模擬控制臺內部系統結構如圖3所示。

圖3 絞車模擬控制臺內部系統結構

3 系統實現

操作員在操作模擬控制臺時，所有的操作控制信息通過模擬操作臺上的按鈕、手柄、開關等電氣元件轉化為電量變化，并通過一定的數據采集單元采集到計算機中，絞車的動態數學模型以這些操作信息作為輸入，進行數值計算，產生能夠模擬真實絞車的運動參數和響應，并把模型計算出的反應絞車運動狀態和設備工藝參數等，通過數據輸出單元反饋給模擬控制臺監控顯示單元。

3.1 主要數學模型

3.1.1 上提下放結構物時受力模型

式中：F為絞車提升力，N；Fm為絞車制動力，N；Ff為浮力，N；Fk為摩擦力，N；a為加速度，m／s2；l為鋼纜長度，m；q為鋼纜單位質量，kg／m；my為測量短節質量，kg；Dy為測量短節直徑，m；ly為測量短節長度，m；ρ為介質密度，kg／m3；ρa為鋼纜密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2。

3.1.2 上提下放結構物時速度模型

式中：Δt為計算時取的時間步長；vpc（i）為t（i）時刻測量短節速度，m／s2；

3.1.3 上提下放結構物時加速度模型

3.1.4 上提下放結構物時深度模型［4］

式中：Lp為結構物深度，m；Lpt（i）為某計算點內提升結構物的高度，m；i為Δt時間步長的計算點。

3.1.5 剎車轂摩擦力模型［4］

設剎帶兩端的總拉力為T′，固定端總拉力為T，當這一柔性剎帶抱住剎車轂一個α角而摩擦時，則有

式中：μ為剎車塊與剎車轂之間的摩擦因數，取μ＝0.35～0.45；α為剎車圍抱角，一般為1.5π（270°）。

在整個剎帶的弧長上，剎帶拉力由T遞減為T′，其差值為摩擦力或制動力Fm，即

3.2 參數顯示

深度、速度和張力等參數采用數碼管顯示，其控制原理如圖4所示，PLC通過串口將深度、速度和張力數據發送到數據收發板，數據收發板控制各個參數顯示板，使其顯示相應的參數。

圖4 參數顯示原理

3.3 PLC系統配置

絞車模擬控制臺共有12路數字量輸入，3路模擬量輸入，3路數字量輸出。根據系統需求，同時考慮一定的可擴展性（冗余30%），PLC的型號選擇西門子公司的S7-200系列，配置S7-200 CPU 224模塊1塊，EM235模塊2塊，EM243模塊1塊，EM223模塊1塊，如圖5所示。

圖5 絞車模擬控制臺PLC配置

4 數據通訊協議

仿真系統中監控顯示工作站軟件為Wincc組態軟件，計算仿真工作站模型解算軟件以及與數據庫SQL Server2k5均需要不斷地與仿真操作臺進行數據交換，以獲取或存儲前端設備狀態，也就是當前學員的操作狀態，這里是基于OPC協議服務器來實現。

OPC技術是基于微軟的OLE、COM和DCOM技術，由一系列用于過程控制和制造業自動化應用領域的標準接口、屬性以及方法組成。Active X／COM技術定義了工業軟件組件如何才能交互作用和共享數據，由于得到了微軟Windows技術的支持，OPC為多種多樣的過程控制設備提供了一個公共的接口，而與過程中的控制軟件或設備無關［5］。采用OPC通訊方式實現可以寫有OPC客戶端程序，通過OPC服務器實現數據的讀寫功能，其通訊原理如圖6所示。

圖6 OPC通訊原理

5 典型案例仿真培訓過程

以水下管匯下放過程為例，簡述其中絞車操作工種培訓過程：首先教練員配置仿真環境。海洋、能見度、水流、大氣、風場等；船模型、位置等；維修安裝工機具等的形狀、空間位置、質量等參數。然后吊機操作員將管匯吊起下放入水一定深度（例如9.14 m）時，利用3孔板將管匯從吊車轉移至絞車，絞車操作員開始作業。

1） 開啟絞車手動按鈕，調節絞車下放速度和纜繩恒張力。

2） 開啟放纜按鈕，排纜器電機開啟左行，絞車吊放管匯以一定速度（例如0.20 m／s）下放，手動擋轉換為自動擋，觀察顯示區速度、深度和張力等參數變化，并注意馬達和變頻器信息。

3） 密切注意顯示器上深度參數，待管匯到達水下基礎樁體一定距離的位置（例如15.24 m）時，自動擋轉換為手動擋，減小放纜速度（例如0.1 m／s），在ROV輔助下，慢慢移至水下樁體上端一定距離（例如1.52 m）。

4） 開動剎車按鈕，控制絞車下放速度不得超過0.1 m／s，確保管匯位置正確，繼續緩慢下放管匯到水下基礎樁體上，管匯兩邊的方向鎖會將管匯轉動到正確位置，目視檢查，確保管匯完全坐放在基礎樁上，關閉剎車按鈕，停止放纜。

5） ROV釋放安裝吊索，啟動纜繩收攬按鈕，排纜器電機右行，調節收攬速度，纜繩以一定速度回收到船上，完成操作。

絞車操作過程中如果出現超速、纜繩纏繞等緊急情況，按動緊急制動按鈕，停止當前操作，直至故障修復，重新開始操作。

6 結語

本文設計了一套用于水下作業培訓的絞車模擬控制系統，具有如下功能：

1） 操作培訓功能 提供了逼真的訓練環境以及仿真模擬操作臺。操作員可以自行選擇作業科目，在模擬操作臺上操作相應的按鈕、開關、旋鈕，并通過操作臺上的儀表或者監控界面實時掌握各個設備的工作狀況。

2） 考核評分功能 系統能夠根據學員所選作業科目，自主地對學員操作進行考核評分，并可以調用學員儲存在服務器中的操作數據進行查看。

3） 數據存儲與調用功能 對學員操作過程中的動態數據和靜態數據進行統一管理。記錄設備相關的工藝數據、操作過程的狀態數據、學員信息數據，并以數據庫的形式存放和組織，可以被不同的系統調用和處理，也可以進行數據擴充。

［1］ 戴相富.石油系列絞車模塊化設計與仿真研究［D］.北京：中國石油大學，2009.

［2］ 張連山.石油鉆機絞車的設計與計算［J］.石油機械，1997，26（9）：45-47.

［3］ 楊明旺.石油系列絞車的數值分析與可靠性研究［D］.北京：中國石油大學，2007.

［4］ 鄭巧，胡衛東.絞車模擬操作臺設計［J］.石油機械，2010，38（7）：33-36.

［5］ 周新民，涂錚.基于OPC技術的PC與S7－200PLC的實時通信［J］.武漢理工大學學報，2008，32（2）：355-358.

Design of Simulative Winch Control System for Subsea Operation and Training

The traditional winch training during the process of underwater operation required a lot of equipment，energy and raw materials，and the training cost is very high but the effect is not ideal.A simulative winch control system for subsea operation and training is designed.The system can simulate the winch’s routine operation of lifting and lowering to simulate the acquisition of the speed，tension，depth and other parameters during the decentralization process，simulate the system functions，such as emergency braking，system parameters setting，alarm etc.The simulative system can be widely applied to the skill training and assessment of the winch operator，shortening the training cycle，improving the training quality and efficiency，and reducing security risks and training cost.

winch；simulative console；simulation system；PLC；OPC protocol

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.009

1001-3482（2014）11-0036-04

2014-05-27

國家科技重大專項“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”（2011ZX05027-004）

邢傳勝（1989-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事海洋油氣裝備技術研究，E-mail：xcsheng119126＠163.com。