徐 杰，張青鋒，劉啟蒙，李磊，王博芳

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518067；2.寶雞石油機械有限責任公司，寶雞 721002）

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全集成自動化海洋平臺吊機關(guān)鍵技術(shù)研究

徐 杰1，張青鋒2，劉啟蒙2，李磊2，王博芳2

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518067；2.寶雞石油機械有限責任公司，寶雞 721002）

摘 要：智能控制與安全保護是全集成自動化海洋平臺吊機的關(guān)鍵技術(shù)。該套全集成自動化海洋平臺吊機控制系統(tǒng)主要是由主控系統(tǒng)iCrane、柴油機遠程控制系統(tǒng)、載荷轉(zhuǎn)矩指示系統(tǒng)LMIS、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)CCTV等4個子系統(tǒng)組成，包括信號采集、運動控制、監(jiān)測報警、安全保護等7個功能模塊。通過研究控制系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理，功能模塊具體實現(xiàn)方法等，詳細設計出一套高度集成的一體式操控臺，應用于40t常規(guī)型鋼絲繩變幅海洋平臺吊機，使該產(chǎn)品的自動化、集成度達到同類產(chǎn)品先進水平。

關(guān)鍵詞：海洋平臺吊機；全集成自動化；智能控制；安全保護；一體式操控臺

0　引言

海洋平臺吊機是海洋鉆采平臺及工程船舶配套的特種起吊作業(yè)設備，在海洋工程和海上油田開發(fā)中有著重要作用［1］。集成自動化控制系統(tǒng)是海洋平臺吊機的關(guān)鍵組成部分，吊機的所有功能和動作都是通過控制系統(tǒng)進行操作、監(jiān)測及控制，因此控制系統(tǒng)的自動化、智能化、集成化程度是海洋平臺吊機先進性的集中體現(xiàn)?，F(xiàn)階段海洋平臺吊機控制系統(tǒng)正逐步發(fā)展成為包含動力供配、信號采集、運動控制、安全保護、監(jiān)測報警等多功能為一體的高度集成系統(tǒng)，充分考慮吊機的環(huán)境要求、整體布局、安全功能配置、現(xiàn)場操作習慣等多種因素。海洋平臺吊機依據(jù)其應用場所、作業(yè)載荷工況的不同，可派生出多種形式和種類，本文針對40t鋼絲繩變幅常規(guī)型海洋平臺吊機，設計了全集成自動化控制系統(tǒng)，在海洋平臺吊機系列產(chǎn)品中具有先進性和代表性。

1　全集成自動控制系統(tǒng)組成

海洋平臺吊機需要安全可靠的控制系統(tǒng)滿足多種復雜工況要求［2～4］，涵蓋變幅、回轉(zhuǎn)、提升下放等常規(guī)工況，載人及恒張力等特殊工況，在系統(tǒng)出現(xiàn)單一錯誤時，例如電源失效或信號丟失，吊機禁止出現(xiàn)整體或部分失控的情況，同時具備日志記錄功能，能夠記錄并保存故障、操作時間等信息?？刂葡到y(tǒng)由多種設備和元件組成，如圖1所示。平臺供電通過電氣滑環(huán)（圖1序號7）轉(zhuǎn)接至吊機轉(zhuǎn)臺面上，進入動力源和配電柜（圖1序號3），動力源可以為柴油發(fā)動機或電機，本文以柴油發(fā)動機為動力源，在平臺不提供外部電源的情況下，吊機仍然能夠得到必要的動力，所需電能由發(fā)動機蓄電池提供。柴油機監(jiān)視與控制分為本地和遠程兩種模式，機械本體和控制臺均安裝有綜合儀表顯示器、啟停開關(guān)、調(diào)速手柄、急停開關(guān)等，并設有切換開關(guān)轉(zhuǎn)換操作模式。配電柜主要負責吊機主電源分配，為液壓系統(tǒng)（圖1序號2）、集成控制臺（圖1序號5）等供電。集成控制臺是吊機系統(tǒng)神經(jīng)中樞，吊機的4組控制器套件都安裝于此，控制臺為一體化高度集成設計，充分應用人機工程學。海洋平臺吊機控制系統(tǒng)配備了多種傳感檢測元件：風速儀（圖1序號1）實時檢測風速，在控制臺觸摸屏上顯示數(shù)值；液壓系統(tǒng)（圖1序號2）包含油溫、油位、壓力等多種傳感控制元件，還包含有多種電磁控制閥和大功率加熱器等；變幅絞車檢測裝置（圖1序號4）和主、輔絞車檢測裝置（圖1序號9）結(jié)構(gòu)類似，都是絕對值編碼器加機械式凸輪旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)的組合套件，完成鋼絲繩位移檢測和安全保護等功能?；剞D(zhuǎn)編碼器（圖1序號8）檢測吊機回轉(zhuǎn)運動。照明系統(tǒng)（圖1序號10）分4路控制，分別開關(guān)吊機不同部位的照明支路。將吊機每個金屬結(jié)構(gòu)件通過專用接地電纜連接為完整接地系統(tǒng)（圖1序號11），接地電阻小于4Ω，保障人身安全。

圖1　全集成自動控制系統(tǒng)示意圖

2　子系統(tǒng)架構(gòu)

吊機控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，共包含4組子系統(tǒng)，分別為主控系統(tǒng)iCrane、柴油機遠程控制系統(tǒng)、載荷轉(zhuǎn)矩指示系統(tǒng)LMIS（load-moment indicator system）、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)CCTV（Closed Circuit Television）；4組子系統(tǒng)的控制器套件各自帶有相對獨立的處理器和顯示單元，可進行信息交換。

圖2　子系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

主控系統(tǒng)iCrane采用西門子SIPLUS型S7-300系列PLC，通過Profinet連接精智觸摸面板TP1200，便于維護擴展?？刂菩问綖橛踩哂嘣O計，若發(fā)生PLC軟件失效等特殊情況可切換至旁路繼電器硬件控制模式，安全可靠性高。操作元件為觸摸屏上的軟控件和座椅扶手處開關(guān)、按鈕等物理硬件。采用兩只霍爾比例輸出全電控香蕉形操作手柄，帶一個頂部按鈕，具有操作保護功能，自動回中位。左手柄設計為雙軸控制，Y軸控制變幅，X軸控制回轉(zhuǎn)，可斜推操作，使Y軸、X軸輸出信號可同時發(fā)出；右手柄設為單軸Y控制，用于控制吊鉤提升下放。

柴油機遠程控制系統(tǒng)的元件包集成于主控系統(tǒng)中，軟件又獨立于主控系統(tǒng)之外，控制信號與柴油機自帶ECM（電子控制模塊）交互傳遞。

載荷轉(zhuǎn)矩指示系統(tǒng)LMIS提供吊鉤載荷、載荷半徑和起重機安全工作載荷信息，配有聲音報警和可視報警。用戶需預設額定載荷圖表。LMIS設計為嵌入式處理系統(tǒng)，配高防護等級觸摸顯示屏，實時檢測吊機正常工作、滿載、超載、變幅超限等工作狀態(tài)，在控制器中測算吊機與設計力矩曲線的偏差，顯示、判斷危險工況并報警，以便做出過載保護等安全措施。圖3 是LMIS傳感器布局示意圖：角度儀（圖3序號1）檢測吊機變幅角度，直接傳送角度模擬值到LMIS控制器；A2B限位開關(guān)（圖3序號2、3）是防碰保護檢測元件，通過機械式重錘感知吊鉤碰撞；板式拉力計用來測主鉤鋼絲繩拉力（圖3序號4）；測力銷用來測輔鉤吊重（圖3序號5）。

圖3　LMIS傳感器布局圖

閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)CCTV：變幅絞車上部安裝一臺自動調(diào)焦網(wǎng)絡攝像機，用于監(jiān)測變幅絞車工作情況。吊臂頭部安裝一臺自動調(diào)焦網(wǎng)絡防爆攝像機，用于監(jiān)控吊鉤的工作情況，該攝像頭隨著吊臂的起升能夠自動調(diào)整鏡頭角度，使鏡頭始終垂直向下對準起吊貨物。室內(nèi)安裝8.4寸液晶監(jiān)視器，帶遮光板，有背光功能，安裝角度可調(diào)節(jié)，可任意切換畫面，可控制鏡頭變倍變焦。

3　控制系統(tǒng)功能模塊

圖4是控制系統(tǒng)功能模塊圖，海洋平臺吊機全集成自動化控制系統(tǒng)共設計有7大功能模塊。

圖4　控制系統(tǒng)功能模塊示意圖

3.1電力供配

電力供配單元負責吊機所有電源的配送。設有雙電源自投自復切換開關(guān)，自動切換平臺常用電源和應急電源。設計為兩級保護，下級支路短路跳閘不影響上級電網(wǎng)及其他支路。上級總斷路器帶三段保護電子脫扣單元，可實現(xiàn)長延時、短延時、瞬時保護，下級斷路器為瞬時和長延時兩段保護。在用戶要求的位置配備分勵線圈，通過安全繼電器可以實現(xiàn)緊急斷電。配電柜和控制柜柜門上均設有機械式旋鈕開關(guān)，方便合閘和脫扣。大功率加熱器用于在寒冷工況下加熱設備，從而保證吊機正常工作，可設為自動和手動兩種操作模式。傳感元件供電均由電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)為所需電制，并留有一定余量，便于擴展升級。

3.2信號采集

信號采集分別采用通信總線和普通I/O兩種形式?，F(xiàn)場通信總線采用Profibus-DP組網(wǎng)，由iCrane系統(tǒng)CPU自帶端口依次連接回轉(zhuǎn)編碼器、變幅絞車編碼器、主/輔絞車編碼器。上層通信網(wǎng)絡采用Profinet，觸摸屏以及調(diào)試所用編程器均通過此網(wǎng)絡連接PLC，CPU自帶兩端口交換機，調(diào)試下載程序無需增加網(wǎng)絡設備。數(shù)字量輸入信號來源于操作控制臺元件和現(xiàn)場開關(guān)量傳感器，開關(guān)量傳感器包括主/輔絞車及變幅絞車凸輪旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)、液壓系統(tǒng)過濾器堵塞開關(guān)、鎖定裝置接近開關(guān)等。模擬量輸入信號來自操作手柄和液壓系統(tǒng)壓力、溫度、液位傳感器等，手柄信號為1V～5V電壓信號，其他模擬量傳感器統(tǒng)一為4mA～20mA電流信號。

3.3運動控制

運動執(zhí)行命令均由主控系統(tǒng)iCrane發(fā)出，包含繼電器純硬件控制和軟件觸發(fā)兩種自動控制形式。其中軟件存貯于S7-300系列控制器和觸摸屏中。吊機執(zhí)行動作在信號有效采集的基礎(chǔ)上依靠PLC發(fā)送多種輸出信號，激發(fā)或控制相關(guān)元件進行動作，數(shù)字量輸出信號傳送給指示元件、開關(guān)閥、繼電器和放大器使能端口。模擬量輸出信號控制比例閥放大器增益，實現(xiàn)運動控制，同時使吊機能夠自動調(diào)節(jié)運動速度，具有很強的靈活性，這是本控制系統(tǒng)設計的一大亮點。運動控制功能實現(xiàn)方法如下：

1）預選主/輔鉤：主鉤和輔鉤不能同時工作。使用三位旋鈕開關(guān)：當開關(guān)扳到“主鉤”，對主絞車進行操作，當開關(guān)扳到“輔鉤”，對輔絞車進行操作，不操作時開關(guān)處于中間位置。主/輔鉤選擇開關(guān)信號輸出給LMIS。

2）主/輔鉤提升、下放及變速：當三位選擇開關(guān)“主/輔鉤選擇”扳到任意一邊時（默認情況下在中間位置），右手柄對相應的絞車進行操作，當按下手柄的使能按鈕時，相應絞車指示燈亮。運動控制原理如圖5所示，操作手柄將位置信號轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給PLC，AI（模擬量輸入模塊）捕捉手柄信號，經(jīng)過CPU運算處理后通過AO（模擬量輸出模塊）傳送給功率放大器，放大器驅(qū)動電磁閥，電磁閥調(diào)節(jié)流量控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速，液壓馬達帶動絞車，絞車上配有的編碼器可實時測算出絞車轉(zhuǎn)速反饋給PLC，CPU進一步計算并自動調(diào)節(jié)放大器輸出，此方法不僅可以達到手柄后拉提升，前推下放的功能，同時還可以自動調(diào)節(jié)鉤速。

圖5　運動控制原理圖

3）吊臂起升、下放（變幅）及變速：對座椅上左手柄Y軸方向進行操作，當按下手柄的使能按鈕并沿Y軸方向操作手柄時，變幅指示燈亮起，控制原理同前2），通過控制變幅絞車實現(xiàn)吊臂的起升和下放。后拉手柄，吊臂起升；前推手柄，吊臂下放；其中手柄與中位的距離代表了吊臂起升或下放的速度，距離越大表面速度越大。

4）吊機回轉(zhuǎn)及變速：對左手柄X軸方向操作，控制回轉(zhuǎn)馬達實現(xiàn)吊機整體左右旋轉(zhuǎn)。當按下左手柄的使能按鈕并沿X軸方向操作手柄時，回轉(zhuǎn)指示燈點亮，控制原理同2）。左推手柄，吊機左轉(zhuǎn)；右推手柄，吊機右轉(zhuǎn)；其中手柄與中位的距離代表了吊機旋轉(zhuǎn)的速度，距離越大表明吊機旋轉(zhuǎn)的速度越大。

5）恒張力控制：恒張力系統(tǒng)為了減緩和消除舷外作業(yè)時船體升沉運動所產(chǎn)生的載荷變化沖擊［5］。只有輔鉤具有恒張力功能，主絞車工作時恒張力功能失效。操作座椅右扶手上的“恒張力系統(tǒng)”選擇開關(guān)，并按下右手柄頂部按鈕，恒張力系統(tǒng)激活，點亮恒張力指示燈。iCrane觸摸屏彈出恒張力操作畫面，并在滿足恒張力釋放條件時做出提示。

6）載人功能：當?shù)鯔C需要載人時，恒張力功能不可啟動或立即失效。只有輔鉤具有載人功能。載人選擇開關(guān)打開時，點亮載人指示燈，電控系統(tǒng)設定超速報警，鉤速超過25m/min報警。當載重超過15kN時，載人功能停止，并發(fā)出超載報警。選擇載人功能后，iCrane電控系統(tǒng)向LMIS發(fā)出一個“載人功能已經(jīng)啟動”的數(shù)字信號。

3.4安全保護

本控制系統(tǒng)設計了多重安全保護措施，有效提高了吊機整體的安全可靠性。具體包括：

1）急停保護：分為電控急停和系統(tǒng)急停。電控急停負責切斷PLC、觸摸屏、電磁閥等運動控制設備的電源，保障人身安全。系統(tǒng)急停切斷一切電源，人員緊急撤離逃生。

2）主/輔絞車、變幅絞車鋼絲繩5圈保護：保證絞車到達滾筒預留纏繩5圈時，停止出繩，控制臺蜂鳴器高頻報警。此時，主/輔絞車、變幅絞車下放對應的比例放大器自動取消激活，對應的電磁閥失電。

3）主/輔鉤防碰保護：當主/輔鉤離上端定滑輪中心接近3m時，通過調(diào)節(jié)比例放大器增益控制主/輔鉤上升速度減慢，此時主/輔鉤提升未達到極限位置，還可以繼續(xù)提升，控制臺低頻報警；當LMIS的A2B限位開關(guān)信號被觸發(fā)，表明主/輔鉤提升已到達極限位置，此時控制臺高頻報警，同時主/輔鉤提升對應的比例放大器自動取消激活，電磁閥失電，停止主/輔鉤提升。

4）變幅位置保護：吊臂上升到78°時低頻報警，調(diào)節(jié)比例放大器增益減慢變幅絞車起升速度，吊臂上升到82.5°時高頻報警，自動停止變幅絞車上行，此時只能下放。吊臂下降到5°時，電控系統(tǒng)低頻報警，并控制變幅絞車下放速度減速，吊臂下降到-9.5°時，電控系統(tǒng)高頻報警，并自動停止變幅絞車的下行，此時只能上行。此功能由高可靠性機械式凸輪旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)標定位置。

5）系統(tǒng)過載保護：LMIS通過板式拉力計和測力銷測量負載的實際重量并與預設的負載曲線進行比較，當實際負載為額定負載的90%和110%時，分別給iCrane電控系統(tǒng)提供開關(guān)量信號。當實際負載為額定負載的90%時，電控系統(tǒng)低頻報警，110%時，高頻報警，同時停止吊機當前動作。

6）吊機超限撤銷功能：吊機超限撤銷功能包括負載超限撤銷、吊臂高低位超限撤銷以及鋼絲繩最后5圈保護撤銷。操作員按下“過載撤銷按鈕”時，可忽略超限保護進一步操作吊機，按鈕按下10分鐘之后，如果吊機還處于超限狀態(tài)，則再次停止吊機。

7）吊機鎖定保護：當不使用吊機時，在固定底座上面插入回轉(zhuǎn)銷固定吊機，回轉(zhuǎn)銷插入鎖孔內(nèi)達到一定深度，鎖定傳感裝置反饋一個開關(guān)量信號，表明吊機已經(jīng)鎖定。此時，吊機的任何操作均無效。

8）回轉(zhuǎn)區(qū)域保護：即扇形區(qū)域保護，變幅角小于70°時，可設定回轉(zhuǎn)區(qū)域保護功能，用于限制吊機的工作區(qū)域，吊機出廠默認狀態(tài)可以設為360°旋轉(zhuǎn)，通過觸摸屏上的“區(qū)域保護功能”界面對吊機進行區(qū)域設置，以吊機回轉(zhuǎn)中心為原點輸入兩個對角坐標點，建立吊機工作區(qū)塊。在吊機工作位置接近保護區(qū)域限制值時，吊機自動減慢回轉(zhuǎn)速度，電控系統(tǒng)低頻報警。此功能可以由用戶管理員設置生效或撤銷。

9）手柄誤操作保護：由于液壓系統(tǒng)的慣性和滯后性，當手柄信號變化過快時，液壓系統(tǒng)中的比例閥跟隨電控信號動作，對機械結(jié)構(gòu)和液壓管線造成沖擊，嚴重影響吊機壽命。加入手柄信號斜坡保護功能，將手柄信號的變化率控制在一個斜坡內(nèi)，能防止手柄誤操作對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。該功能響應手柄動作時間為2.5s，即在2.5s內(nèi)手柄信號變化超過設定值，則觸發(fā)該功能，否則按手柄原始輸入信號操作吊機。

3.5監(jiān)測報警

控制系統(tǒng)實時監(jiān)控吊機運行狀態(tài)和各項參數(shù)，分主次兩級畫面顯示，主畫面主要監(jiān)視液壓油箱溫度、液壓油箱油位、風速以及強風報警、各運動速度等。次級畫面主要監(jiān)視各項工作壓力和運行時間。為防止吊機在運行過程中突然停止對系統(tǒng)造成沖擊，電控系統(tǒng)強制停止相應功能之前均有預報警功能，此時HMI顯示黃色預警文本，同時系統(tǒng)發(fā)出低頻報警聲。當達到停止條件時，電控系統(tǒng)立即停止相應功能，并高頻報警。在預報警過程中，電控系統(tǒng)自動啟動速度保護功能，根據(jù)當前運動的速度進行減速，設定速度值為相應滿負荷最大速度的30%，如果當前速度大于設定值，則減速到設定值；如果當前速度小于設定值，則不發(fā)生變化。速度保護功能涉及主/輔鉤提升下放、變幅和回轉(zhuǎn)。

3.6中央集成控制

本吊機控制系統(tǒng)采用中央集成控制，僅有少量設備另設有本地操作，如吊臂走道燈開關(guān)，柴油機相關(guān)操作

【】【】等。一體化中央全集成控制臺是本控制系統(tǒng)設計的又一大亮點，將所有常規(guī)操作及指示元件、顯示屏、柴油機遠程控制套件，雨刷控制套件等均集成于控制臺座椅扶手處，極大的節(jié)省了安裝空間，結(jié)構(gòu)緊湊美觀，符合人機工程學，擴大了操作者活動空間和視野，提高了用戶使用舒適度。所有按鈕、鑰匙開關(guān)、指示燈等電氣元件按照系統(tǒng)功能和操作者使用習慣劃定安裝區(qū)塊，集中但層次分明，均設計有中英文醒目標識，元件結(jié)構(gòu)設計充分考慮防止誤操作。圖6為集成控制臺。

圖6　集成式一體化操控臺

3.7輔助功能

輔助功能主要包括日志記錄、維護提醒、輔助通訊等。對吊機發(fā)生的重要事件及時間節(jié)點進行記錄，例如開機、斷電、模式選擇等，并可以對歷史事件和系統(tǒng)報警信息進行查詢。累計吊機的工作時間，到達預設時間提醒用戶維護設備，例如更換鋼絲繩等。除此以外，配備有多種輔助通訊設備：操作員可以使用VHF座式對講機、手持對講機等與甲板上人員進行通話，還可以使用PA喊話系統(tǒng)通過麥克風及揚聲器傳送語言。

4　結(jié)束語

本文所述全集成自動控制系統(tǒng)已在寶石機械公司試制的40t鋼絲繩變幅海洋平臺吊機上得到成功應用與試驗，試驗模擬了各項常規(guī)作業(yè)工況、舷外恒張力控制、各類安全保護等，試驗效果優(yōu)良［6］。作為海洋平臺吊機的核心指揮部件，自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮著非常重要的作用，充分保障了吊機有效操作和監(jiān)控等方面的性能，使系統(tǒng)安全可靠性大幅度提高。自動化、集成化、智能化勢必成為海洋平臺吊機控制系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢。

參考文獻：

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Research on key technologies of TIA offshore platform crane

XU Jie1， ZHANG Qing-feng2， LIU Qi-meng2， LI Lei2， WANG Bo-fang2

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0005-05

收稿日期：2016-01-19

基金項目：中國石油裝備制造分公司項目 ：海洋平臺吊機研制（Y-09K900010）

作者簡介：徐杰（1970 -），女，遼寧人，工程師，碩士，主要從事海洋石油平臺建造的工作。