李 寅，張仕民，王文明，劉培林，王曉華，李曉龍

（1.中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）＊

在開發(fā)海洋油氣資源的過程中，需要高效可靠的鋪管敷纜設(shè)備。臍帶纜張緊器是鋪設(shè)臍帶纜的重要設(shè)備，能夠提供一定的夾緊力夾持管線并進行鋪設(shè)，在鋪設(shè)時保持對臍帶纜的張緊力恒定，避免臍帶纜在風(fēng)浪、洋流以及臍帶纜自重等因素的作用下?lián)p壞［1］。

國外關(guān)于臍帶纜張緊器的研究開展得比較早，根據(jù)臍帶纜張緊器履帶布置形式和數(shù)量分類，臍帶纜張緊器可分為兩履帶上下布置式、兩履帶水平布置式、三履帶對中布置式和四履帶對中布置式4種；其驅(qū)動方式也分為液壓馬達(dá)驅(qū)動和電機驅(qū)動2種［2］；產(chǎn)品也比較成熟，已經(jīng)可以生產(chǎn)具有從幾十到幾百千牛張緊力的張緊器，型號眾多，主要生產(chǎn)張緊器的廠家有：AQUATIC、ONE－OFFSHORE、ESTECH、SAS、Amclyde、Huisman等［3］。國內(nèi)的研究還處于起步階段，因此，國家在“十二五”期間開展對臍帶纜鋪設(shè)技術(shù)的研究和設(shè)備的研制。

本文研究的控制系統(tǒng)是針對鋪設(shè)臍帶纜的四履帶結(jié)構(gòu)的張緊器，控制目的是在臍帶纜的鋪設(shè)過程中保持對臍帶纜的張緊力恒定［4］。張緊器與臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)的其他設(shè)備（例如：卷軸、A＆R絞車）之間也要有良好配合，以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

1 控制過程分析

1.1 工作過程

張緊器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在進行臍帶纜的鋪設(shè)過程前，首先要打開張緊器頂部的開合機構(gòu)，利用A＆R絞車與起重設(shè)備裝入臍帶纜；待臍帶纜導(dǎo)入后，閉合張緊器頂部的開合機構(gòu)；夾緊液壓缸推動相應(yīng)履帶夾持臍帶纜；撤下A＆R絞車；開始鋪設(shè)。

圖1 張緊器結(jié)構(gòu)

需要棄管或?qū)肽殠Ю|接頭時，先停止驅(qū)動過程，利用A＆R絞車?yán)∧殠Ю|；接著控制夾持臍帶纜的各履帶液壓缸開始回撤，松開臍帶纜；待上履帶完全收回至張緊器殼頂后，打開張緊器頂部的開合機構(gòu)，以便有足夠的空間取出臍帶纜進行棄管或?qū)脒B接頭作業(yè)；最后，閉合頂部開合機構(gòu)完成棄管，或者在A＆R絞車導(dǎo)過臍帶纜接頭后繼續(xù)鋪設(shè)作業(yè)［5］。

1.2 控制關(guān)鍵問題

1） 由于臍帶纜本身能承受的夾持徑向載荷有限，在進行夾緊操作過程中，張緊器履帶對臍帶纜的夾緊力要保持在一定的范圍內(nèi)。夾緊力過大會損壞臍帶纜，而夾緊力過小不能提供足夠的張緊力，臍帶纜與履帶之間會發(fā)生相對滑動，損壞履帶上的墊塊，繼而導(dǎo)致臍帶纜鋪設(shè)失?。?］。

2） 當(dāng)進行四履帶夾持臍帶纜操作時，需要保持各履帶對中夾持，即各履帶行程保持一致，這樣才能保證正好夾持臍帶纜，如果發(fā)生偏斜會損壞臍帶纜和張緊器。在各履帶進行夾持以及回撤運動時，盡量保持各液壓缸同步前進與后退；如果各液壓缸不同步，會對履帶導(dǎo)軌以及滑塊造成損傷，當(dāng)履帶前后行程差距過大時，容易造成履帶“卡死”，影響張緊器對臍帶纜的正常夾緊作業(yè)。因此，在對張緊器的夾緊過程進行控制時，一定要注意各液壓缸運動的同步性。

3） 在打開張緊器頂部的開合機構(gòu)時要保證上履帶已經(jīng)完全收回殼頂，避免產(chǎn)生運動干涉損壞張緊器。在進行開合操作過程中要保持上履帶停止工作，避免損壞張緊器。

4） 在鋪設(shè)臍帶纜時保持恒張力鋪設(shè)。由于海洋環(huán)境較為復(fù)雜，時有海浪與洋流等不確定性因素，會對鋪設(shè)過程造成很大影響。在鋪設(shè)過程中，突發(fā)的海浪會對臍帶纜造成拉扯，對鋪管船造成沖擊，這都會增加或減小張緊器對臍帶纜的張緊力，當(dāng)張緊器對臍帶纜的張緊力超過臍帶纜能承受的載荷范圍時，會造成臍帶纜的損壞甚至斷裂，造成重大損失［7］。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案

根據(jù)張緊器的工作過程，張緊器控制系統(tǒng)的主要功能是能夠控制張緊器履帶以一定夾緊力良好夾持臍帶纜，通過實時調(diào)節(jié)驅(qū)動進行恒張力鋪設(shè)臍帶纜，還需要控制張緊器頂部的開合機構(gòu)在進行打開、閉合操作時各部件的協(xié)同作業(yè)。張緊器的控制主要通過現(xiàn)場總線將各開關(guān)與傳感器信號輸入IPC（Industrial Personal Computer，即工控機），IPC 再通過現(xiàn)場總線輸出控制指令，對各執(zhí)行元件進行控制。整體控制系統(tǒng)框圖如圖2所示［8］。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

操作人員通過選擇開關(guān)下達(dá)指令，并通過現(xiàn)場總線傳送到IPC，經(jīng)IPC處理后通過現(xiàn)場總線控制相應(yīng)的電磁繼電器動作來完成電磁換向閥的相應(yīng)動作，控制液壓缸前進或后退。在液壓缸動作的同時，分布于液壓系統(tǒng)上的位移傳感器和壓力傳感器提供信號給現(xiàn)場總線的信號I／O采集模塊，各信號由IPC處理后，再由現(xiàn)場總線的I／O模塊輸出對應(yīng)的電磁閥的相應(yīng)動作，用以實現(xiàn)對各夾緊液壓缸的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)夾緊過程中各液壓缸的同步。

對驅(qū)動系統(tǒng)的操作也是IPC通過現(xiàn)場總線采集到操作人員的指令后再進行相應(yīng)的動作。在進行臍帶纜鋪設(shè)的過程中，張力傳感器測得的張緊器對臍帶纜的張力通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)絀PC，經(jīng)過IPC分析處理后控制變頻器驅(qū)動電機，再由轉(zhuǎn)速傳感器對電機轉(zhuǎn)速進行監(jiān)控，使整個驅(qū)動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

在張緊器頂部的開合機構(gòu)工作時，為監(jiān)測開合機構(gòu)是否完全打開，在開合機構(gòu)布置行程開關(guān)，當(dāng)開合機構(gòu)完全打開時，行程開關(guān)觸發(fā)，系統(tǒng)停止對液壓缸的操作。在開合機構(gòu)工作時，為保護張緊器不受損害，控制系統(tǒng)會鎖死上履帶，使其不能運動。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 IPC

張緊器控制系統(tǒng)采用基于IPC的PC控制技術(shù)，以IPC為核心，通過現(xiàn)場總線與各控制開關(guān)、傳感器以及現(xiàn)場設(shè)備通信。操作人員通過控制臺開關(guān)以及人機界面下達(dá)指令，經(jīng)IPC處理后將控制信號通過現(xiàn)場總線傳送給現(xiàn)場設(shè)備。

2.2.2 驅(qū)動控制模塊

張緊器的驅(qū)動元件是異步電機，本控制系統(tǒng)采用的是變頻控制方式，主要驅(qū)動控制元件是變頻器。為了控制的需要，還需要增量型旋轉(zhuǎn)編碼器來測量電機的轉(zhuǎn)速、張力傳感器來測量張緊器對臍帶纜張力的大小，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2.3 液壓控制模塊

張緊器對臍帶纜進行夾緊以及頂部開合機構(gòu)的運行都要靠液壓缸來完成。控制系統(tǒng)的液壓控制采用閥控缸的控制方式，通過對電磁換向閥的控制改變液壓缸的前進或后退，通過對比例調(diào)速閥的控制調(diào)節(jié)液壓缸運動的速度。為了使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在液壓系統(tǒng)中布置壓力傳感器和位移傳感器對液壓系統(tǒng)壓力以及各液壓缸行程進行監(jiān)測，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)［9］。

2.3 軟件設(shè)計

人機界面可以進行參數(shù)設(shè)置以及對張緊器運行情況進行監(jiān)控。液壓模塊主要顯示各液壓缸的壓力值、各履帶的行程、各履帶對管線的夾緊力等數(shù)據(jù)。驅(qū)動模塊以時間曲線的形式顯示張緊器對管線鋪管的張力值、實時鋪管速度的瞬時值以及隨時間變化情況。各電機的轉(zhuǎn)速以及功率以數(shù)值的形式顯示，以便隨時監(jiān)視張緊器的運行情況。除此之外，還可以顯示各變頻器的運行情況，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時報警。控制系統(tǒng)人機界面如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)人機界面

張緊器控制系統(tǒng)通過上位機人機界面進行對控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。全部參數(shù)設(shè)置完成后，通過程序輪流調(diào)用夾緊模塊子程序、上履帶開合模塊子程序、電機驅(qū)動模塊子程序，實現(xiàn)張緊器的一個完整的工作流程。流程結(jié)束后，程序返回到參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)進行第2次循環(huán)調(diào)用。在系統(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。在參數(shù)設(shè)置過程中，系統(tǒng)仍正常工作，新參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)按照新參數(shù)為目標(biāo)參數(shù)進行工作，即：參數(shù)設(shè)置與控制為并行工作過程，操作過程更加人性化。整個系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程

3 協(xié)同控制設(shè)計

在臍帶纜鋪設(shè)的過程中，由于張緊器與A＆R絞車、卷軸之間會進行配合，因此需要張緊器與A＆R絞車、卷軸以及船內(nèi)控制室進行協(xié)同控制。協(xié)同控制通信框圖如圖5所示。

圖5 協(xié)同控制通信框圖

3.1 協(xié)同組成

臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)需要協(xié)同控制的裝備包括張緊器、控制室顯示終端、卷軸、A＆R絞車。張緊器的主控臺通過工業(yè)以太網(wǎng)卡實現(xiàn)與交換機的數(shù)據(jù)交換。

3.2 通信方式

主控臺與張緊器之間的通信，即張緊器設(shè)備內(nèi)部通信通過Profibus現(xiàn)場總線來完成。設(shè)備間協(xié)同采用以太網(wǎng)方式：即主控臺、A＆R絞車、卷軸以及船內(nèi)控制室之間的通信以工業(yè)以太網(wǎng)交換機為共享設(shè)備，通過工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式進行數(shù)據(jù)交互與信息共享。

3.3 工業(yè)以太網(wǎng)通信方案

在主控臺的IPC內(nèi)擴展工業(yè)以太網(wǎng)卡，在操作間內(nèi)設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機，卷軸及A＆R絞車的控制系統(tǒng)也分別由工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)線連入工業(yè)以太網(wǎng)的交換機，再接出數(shù)據(jù)線至鋪管船內(nèi)的控制室內(nèi)，將數(shù)據(jù)傳送至鋪管船內(nèi)的控制系統(tǒng)，以便進行監(jiān)測和報警。

3.4 張緊器與外部設(shè)備數(shù)據(jù)接口

為使協(xié)同控制順利進行，各設(shè)備間需要進行數(shù)據(jù)交互與信息共享，各設(shè)備需要輸出的變量以及接收設(shè)備如表1。其中T、A、R、C分別表示接收變量的設(shè)備：張緊器、A＆R絞車、卷軸以及船內(nèi)控制室。

由表1可知張緊器與各設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，其中船內(nèi)控制室將得到所有數(shù)據(jù)以監(jiān)測整體系統(tǒng)的運行狀態(tài)。系統(tǒng)的運行以張緊器為核心，張緊器的鋪管速度將影響到A＆R絞車和卷軸的收放速度；而在進行張力轉(zhuǎn)換的過程中，張緊器夾緊力的大小以及對管線的張力也將影響到A＆R絞車的操作，A＆R絞車對管線的張力也在這一過程中對張緊器有所影響；張緊器、A＆R絞車和卷軸的運行狀態(tài)將由各設(shè)備共享，當(dāng)1臺設(shè)備出現(xiàn)故障時，其他設(shè)備將做出應(yīng)對措施。

表1 張緊器與外部設(shè)備共享數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文分析了張緊器的工作過程以及控制關(guān)鍵問題，設(shè)計了臍帶纜張緊器控制系統(tǒng)的總體方案，以IPC為控制核心，對液壓缸壓力、位移以及電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行監(jiān)控，通過IPC進行處理后實時調(diào)整張緊器的工作狀態(tài)，并與A＆R絞車和卷軸協(xié)同作業(yè)，可以實現(xiàn)鋪設(shè)臍帶纜時的恒張力鋪設(shè)控制以及整體鋪設(shè)系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

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