四履帶張緊器履帶夾緊控制系統(tǒng)及其控制方法

單 悅，蔣曉波，袁中超，萬箭波，李懷亮，王 徽，馮天賀

1.天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400

2.天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

四履帶張緊器履帶夾緊控制系統(tǒng)及其控制方法

單 悅1，蔣曉波2，袁中超2，萬箭波2，李懷亮3，王 徽2，馮天賀2

1.天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400

2.天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

四履帶張緊器是深海臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，履帶夾緊控制技術(shù)又是張緊器的核心技術(shù)。結(jié)合已設(shè)計的85 t四履帶張緊器履帶夾緊機構(gòu)的機械和液壓方案，配套設(shè)計了履帶夾緊機構(gòu)控制系統(tǒng)及其控制方法。陸地動負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)表明，85 t四履帶張緊器四條履帶的夾緊液壓油缸工作壓力實測值均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求，可以實現(xiàn)四條履帶對臍帶纜的恒定夾緊力控制；在應(yīng)用85 t四履帶張緊器協(xié)同卷軸安裝系統(tǒng)完成海底管道上卷至滾筒工作的海上試驗中，實現(xiàn)了對管徑6 in管道的上卷與鋪設(shè)，進一步驗證了履帶夾緊控制系統(tǒng)的性能。

四履帶張緊器；履帶夾緊機構(gòu)；控制系統(tǒng)；控制方法

隨著我國海洋石油的開采由淺海向深海的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，為了提高我國深海管道與纜線的鋪設(shè)能力，中海油深海開發(fā)有限公司牽頭承擔(dān)了國家十二五科技重大專項“南海深水油氣開發(fā)示范工程”項目，為配合荔灣3-1氣田工程設(shè)計、建造、安裝技術(shù)的實施，研制出一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深水臍帶纜鋪設(shè)用四履帶張緊器[1]，打破了國外技術(shù)的壟斷，縮小了與國際深水油氣工程水平的差距，填補了國內(nèi)空白，擺脫了張緊器設(shè)備對國外的依賴，對推動我國深海油氣開發(fā)具有重要的理論意義和經(jīng)濟價值[2-3]。

在深海鋪設(shè)深水臍帶纜作業(yè)中應(yīng)用的四履帶張緊器，均采用四條履帶相連的液壓油缸伸縮機構(gòu)實現(xiàn)對臍帶纜的恒定壓力夾緊。在四履帶張緊器工作時，需要控制每條履帶將臍帶纜夾持在履帶中心位置，并實現(xiàn)恒定壓力的夾持[4]。本文以85 t四履帶張緊器為模型，在介紹了已設(shè)計的履帶夾緊機構(gòu)與工作過程的基礎(chǔ)上，論述了配套的履帶夾緊機構(gòu)控制系統(tǒng)及控制方法的設(shè)計方案，并給出了通過85 t四履帶張緊器工程樣機的開發(fā)應(yīng)用進行功能驗證的結(jié)果。

1 已設(shè)計的四履帶夾緊機構(gòu)與工作過程

85 t四履帶張緊器工程樣機的夾緊功能，系由上履帶1、右履帶3、下履帶5和左履帶7共4條履帶共同實現(xiàn)的，履帶夾緊總體結(jié)構(gòu)見圖1。

上履帶1的夾緊動作由與履帶連接的夾緊液壓油缸執(zhí)行，上履帶夾緊液壓油缸2的油缸座與框架固定連接，液壓油缸缸桿與履帶固定連接，上履帶配置了4個液壓油缸，每個液壓油缸的大腔均配置了壓力傳感器，每個液壓油缸還配置了位移傳感器。其他3條履帶的結(jié)構(gòu)與上履帶結(jié)構(gòu)一致。在四履帶張緊器工作時，需要每條履帶將臍帶纜夾持在履帶中心位置，并實現(xiàn)恒定壓力夾持，然后通過控制履帶的正反向驅(qū)動，自動實現(xiàn)恒張力條件下臍帶纜沿船舶航跡鋪設(shè)，同時根據(jù)船舶的行駛狀態(tài)，自動實現(xiàn)收放臍帶纜工作。

圖1 85 t四履帶張緊器總體履帶夾緊機構(gòu)

2 配套的四履帶夾緊控制系統(tǒng)及控制方法設(shè)計

2.1 夾緊控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）液壓控制。根據(jù)85 t工程樣機的總體履帶結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)海上臍帶纜鋪設(shè)過程中風(fēng)浪流的擾動，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，每條履帶夾緊液壓油缸的液壓控制均為獨立控制，液壓油缸的控制原理見圖2。每條履帶夾緊液壓油缸配置了控制油缸伸縮的電磁閥SSV01和SSV02，增減壓力的電磁閥SSV03和SSV04，同時也配置了壓力傳感器PT01和位移傳感器DT01，除此之外還配置了相關(guān)的蓄能器、安全閥、平衡閥等配套液壓元件。

圖2 單條履帶夾緊液壓油缸控制原理示意

（2）電控方案。四履帶張緊器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間緊湊，履帶夾緊被控對象眾多，電氣信號分布廣，每條履帶配置的電液信號數(shù)量均為電磁閥16個、壓力傳感器4個、位移傳感器4個。如果采用集中控制，現(xiàn)場布線工作過于繁瑣，不僅調(diào)試故障點增多，而且信號經(jīng)過長距離傳輸也容易產(chǎn)生干擾。因此四履帶張緊器的電控方案采用分布式模塊化控制方式，在上下左右四條履帶上設(shè)計現(xiàn)場分布式控制柜，通過現(xiàn)場總線與主操作控制柜進行數(shù)據(jù)通信，共同協(xié)調(diào)完成張緊器的履帶夾緊控制工作。張緊器履帶夾緊的分布式模塊化控制方案見圖3。

圖3 張緊器履帶夾緊的分布式模塊化控制方案

（3）主控制模塊。張緊器工程樣機主控制模塊采用的CPU選用CPU317-2DP處理器，它具有大容量程序存儲器和2個PROFIBUS-DP主站/從站接口，可用于大規(guī)模I/O配置和建立分布式I/O結(jié)構(gòu)，其中一個DP與其他從控制模塊通訊，另一個DP與HMI通訊。人機界面HMI采用普洛菲斯公司的 GP-4501T。履帶控制模塊選用 ET200M，ET200M是一款高度模塊化的分布式I/O系統(tǒng)，它使用S7-300可編程序控制器的信號模塊、功能模塊和通訊模塊進行擴展。

2.2 夾緊控制方法設(shè)計

在臍帶纜鋪設(shè)過程中，海上風(fēng)浪流的影響直接作用在臍帶纜上，導(dǎo)致臍帶纜在鋪設(shè)過程中不規(guī)則地波動，這對于鋪設(shè)海底臍帶纜的四履帶張緊器來講，不但需要控制每條履帶的夾緊液壓油缸，以實現(xiàn)同步夾持定位動作，同時還需要在夾持管道后，保證每個夾緊液壓油缸的壓力穩(wěn)定在臍帶纜可以承受的范圍之內(nèi)。簡單的位移閉環(huán)同步方式或壓力閉環(huán)同步方式可以很好地實現(xiàn)同步效果，但無法迅速有效地消除擾動，達(dá)不到理想的控制效果。針對四履帶張緊器的特殊工況，在85 t四履帶張緊器工程樣機研制中采用了下述的履帶夾緊控制方法，履帶夾緊控制流程如圖4所示，具體控制過程為：

圖4 履帶夾緊控制流程

（1）預(yù)先在PLC控制器程序中設(shè)定履帶框架的機械結(jié)構(gòu)尺寸值H0以及計算公式；在臍帶纜鋪設(shè)前，需先將臍帶纜牽引至張緊器內(nèi)，至少需保證履帶可以完整與臍帶纜接觸，按照實際鋪設(shè)工藝要求，通過人機交互界面輸入所鋪設(shè)管道的直徑值H和張緊器每條履帶所需要的夾緊壓力值P0；通過公式計算，可以得出張緊器每條履帶夾緊油缸的伸出位移值L0。

（2）操作者發(fā)出夾持指令，四條履帶的夾緊液壓油缸同時執(zhí)行伸出動作，所有夾緊液壓油缸的伸出距離達(dá)到L0后，完成履帶夾緊的初步定心動作。

（3）四條履帶的夾緊液壓油缸繼續(xù)同時加壓伸出，直至所有夾緊液壓油缸的大腔壓力值達(dá)到夾緊壓力值P0+1.5 MPa，此時完成了履帶夾持管道動作。

（4）PLC控制器記錄下每支液壓油缸的實際伸出位移值L1，在履帶夾持動作完成后，通過對下履帶和左履帶兩者的夾緊液壓油缸，進行在（L1+1）mm和（L1-1）mm之間的恒定位移控制；對上履帶和右履帶兩者的夾緊液壓油缸，進行壓力在P0和P0+1.5 MPa之間的恒定壓力控制，實現(xiàn)四履帶張緊器履帶夾緊的自動保壓調(diào)節(jié)動作過程。

3 工程應(yīng)用驗證

85 t四履帶張緊器在工廠完成了安裝調(diào)試工作，在中國船級社監(jiān)督下進行了張緊器陸地功能與性能試驗，以驗證研制的85 t四履帶張緊器是否達(dá)到研制目標(biāo)。陸地動負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)見表1。在完成陸地試驗后，85 t四履帶張緊器隨后安裝在長城1駁船上，協(xié)同卷軸安裝系統(tǒng)于2015年6月13日在海工碼頭完成了將長120 m、管徑6 in（1 in=25.4 mm）海底管道上卷至滾筒的工作，并于6月14日隨濱海108船進入JZ25-1S海域，18日完成了卷軸安裝系統(tǒng)的海試任務(wù)，海上試驗現(xiàn)場照片見圖5，動負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖5 85 t四履帶張緊器海上試驗

表1 動負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）陸地動負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)表明，85 t四履帶張緊器四條履帶的夾緊液壓油缸工作壓力實測值均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求，可以實現(xiàn)四條履帶對臍帶纜的恒定夾緊力控制。

（2）在85 t四履帶張緊器協(xié)同卷軸安裝系統(tǒng)完成海底管道上卷至滾筒工作的海上試驗中，實現(xiàn)了對管徑6 in海底管道的上卷與鋪設(shè)，進一步驗證了履帶夾緊控制系統(tǒng)的性能。

[1]孫晶晶，劉培林，段夢蘭，等.深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].石油礦場機械，2011，40（12）：1-5.

[2]萬箭波，王福山，王海玲，等.四履帶張緊器恒張力控制建模與仿真[J].石油礦場機械，2016，45（6）：26-30.

[3]ZHANG Junliang，LIN Li，ZHANG Shimin.A tensioner system for a deepwater pipelaying vessel[C]//2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.[s.n.]，China：Zhangjiajie，[s.n.]，2009：36-39.

[4]郭志平，李冠孚，劉仕超，等.四履帶式海洋船用臍帶纜張緊器設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2013（8）：266-268.

Track clamping system and controlmethod of four-track tensioner

SHAN Yue1，JIANG Xiaobo2，YUAN Zhongchao2，WAN Jianbo2， LIHuailiang3，WANG Hui2，F(xiàn)ENG Tianhe2
1.Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China
2.Tianjin Jingyan Construction Machinery Transmission Co.，Ltd.，Tianjin 300409，China
3.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

The four-track tensioner is a key equipment in the installation system of deepwater umbilical laying，the track clamping control technology is the core of the tensioner.By combining the mechanical design scheme and the hydraulic design scheme of 85 t four-track tensioner，the matching track clamping system and its control method of the four-track tensioner are presented.The land dynamic load test of the tensioner proves the working pressures of the four clamping hydraulic cylinders reach the design requirement and can realize constant clamping force control between the four tracks and the umbilical.The offshore test of rolling up a 6 inch subsea pipeline to the roller and than laying by coordinately using the tensioner and the reelinstalling system is successful，which further verifies the working reliability of the track clamping system.

four-track tensioner；track clamping system；controlsystem；controlmethod

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.011

國家科技重大專項項目子任務(wù)“臍帶纜安裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件（A&R絞車）研制”（2011ZX05056-003-07）；天津市科技計劃項目“恒張力控制技術(shù)研究與裝備產(chǎn)業(yè)化”（14ZCDZGX00069）。

單 悅（1979-），女，天津人，高級工程師，2002年畢業(yè)于大連海事大學(xué)電氣控制專業(yè)，現(xiàn)主要從事電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。Email：shanyue_tj@163.com

2017-06-20