（上海衡拓船舶設(shè)備有限公司，上海 200031）

0 引言

自升式平臺(tái)是指具有活動(dòng)樁腿且其主體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行作業(yè)，并能將主體降回海面和回收樁腿的平臺(tái)[1]，其原理為：船體通過升降系統(tǒng)將樁腿伸入海底，當(dāng)樁腿到達(dá)海底時(shí)，能將船身升離水面一定距離以承載船體重量，為海洋作業(yè)提供一個(gè)平穩(wěn)的工作平臺(tái)[2]。插銷式升降系統(tǒng)廣泛用于需要頻繁升降的平臺(tái)，升降油缸在平臺(tái)升降時(shí)提供提升力并具有一定的液壓緩沖作用，插銷對(duì)平臺(tái)具有鎖定功能，極大地提高了平臺(tái)的安全性能。液壓插銷式升降系統(tǒng)具有空間占比小、自重輕和成本低的優(yōu)點(diǎn)[3]。升降系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)中的關(guān)鍵部分，在平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中和使用中歷來受到高度重視，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺(tái)的安全使用效果[4]。單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)作為一種比較傳統(tǒng)的形式，在液壓升降系統(tǒng)中仍占據(jù)較大的比重。然而平均速度慢、效率低成為了掣肘該型升降系統(tǒng)發(fā)展的重要因素，因此，如何提高效率成為了該型升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的重要課題。

本文以某海洋施工平臺(tái)（圖1）為例，介紹液壓插銷式升降系統(tǒng)的升降機(jī)構(gòu)、原理、傳統(tǒng)控制策略和優(yōu)化控制策略。

圖1 海洋施工平臺(tái)

1 升降系統(tǒng)組成

該平臺(tái)的升降系統(tǒng)由升降機(jī)構(gòu)、液壓設(shè)備和電控設(shè)備組成，如圖2所示。

圖2 升降系統(tǒng)構(gòu)成

平臺(tái)共有4條樁腿，每條樁腿含1套升降機(jī)構(gòu)，每套升降機(jī)構(gòu)包括1個(gè)固定環(huán)梁和1個(gè)活動(dòng)環(huán)梁，每個(gè)環(huán)梁中設(shè)有 4個(gè)插銷；固定環(huán)梁與平臺(tái)連接固定，活動(dòng)環(huán)梁由總共 4個(gè)升降油缸驅(qū)動(dòng)上下活動(dòng)，活動(dòng)環(huán)梁由導(dǎo)向板導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

液壓設(shè)備根據(jù)布置位置可分為液壓泵站和控制閥組。液壓設(shè)備共2套液壓泵站，每套泵站可驅(qū)動(dòng)2套升降機(jī)構(gòu)，左、右舷各 1套；控制閥組安裝在樁邊，分為升降控制回路和插銷控制回路。

電控設(shè)備根據(jù)分布分為集控臺(tái)、電機(jī)啟動(dòng)柜、泵站控制箱和樁邊操作箱。

圖3 單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)升降機(jī)構(gòu)

2 單樁升降原理

本文以提升平臺(tái)為例，介紹傳統(tǒng)單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)單樁邏輯控制方法，如圖4所示。

闡述圖4中每個(gè)步驟的狀態(tài)如下：

步驟①中，固定環(huán)梁及活動(dòng)環(huán)梁插銷處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于縮回狀態(tài)；

步驟②中，固定環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，活動(dòng)環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于縮回狀態(tài)；

步驟③中，固定環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，活動(dòng)環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，升降油缸伸出；

步驟④中，固定環(huán)梁及活動(dòng)環(huán)梁插銷處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于伸出狀態(tài)；

步驟⑤中，固定環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，活動(dòng)環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，升降油缸處于伸出狀態(tài)；

步驟⑥中，固定環(huán)梁處于插銷狀態(tài)，活動(dòng)環(huán)梁處于拔銷狀態(tài)，升降油缸縮回；

步驟⑦中，固定環(huán)梁及活動(dòng)環(huán)梁插銷處于插銷狀態(tài)，升降油缸處于縮回狀態(tài)。

提升平臺(tái)的一個(gè)運(yùn)行周期為①?⑦，下降平臺(tái)的一個(gè)運(yùn)行周期為⑦?①。

圖4 單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)單樁邏輯控制示意圖

3 傳統(tǒng)控制策略

為避免由于傾斜引起的海洋平臺(tái)側(cè)翻事故，需要海洋平臺(tái)保持水平狀態(tài)上升或下降[5]。在傳統(tǒng)方法中，單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)的控制策略如下文所述。

將平臺(tái)的4條樁腿分別命名為1#、2#、3#及4#樁。

以提升平臺(tái)為例，當(dāng) 4條樁腿的固定環(huán)梁都處于拔銷狀態(tài)，控制系統(tǒng)以某條樁腿的位置為標(biāo)定位置，如1#樁位置，其他3條樁腿控制系統(tǒng)均是以1#樁位置為指令信號(hào)的位置控制系統(tǒng)，同時(shí)會(huì)根據(jù)與預(yù)設(shè)值的位置相差的大小整定控制系統(tǒng)參數(shù)，如圖5所示。

圖5 固定環(huán)梁都拔銷時(shí)的控制策略框圖

當(dāng)某條樁腿的固定環(huán)梁插銷時(shí)，如 1#樁插銷，其他樁腿停在當(dāng)前位置，等待 1#樁腿活動(dòng)環(huán)梁拔銷、升降油缸回程、活動(dòng)環(huán)梁插銷、固定環(huán)梁拔銷到位后，所有的樁腿再同時(shí)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

在這種策略下，能夠保證當(dāng)1#樁在固定環(huán)梁插銷、升降油缸回程時(shí)，平臺(tái)各樁腿的相對(duì)位置不會(huì)變化，始終在允許的傾斜范圍內(nèi)，平臺(tái)不至于有傾覆危險(xiǎn)。但這種策略的缺點(diǎn)同樣明顯，海洋平臺(tái)在海上的作業(yè)區(qū)域并不固定，需要不斷地進(jìn)行移位作業(yè)，然而海床的狀況并不一致，平臺(tái)壓樁完畢后不能保證 4個(gè)樁壓入海床的長(zhǎng)度一致，即 4個(gè)樁的銷孔可能不在一個(gè)水平面上。根據(jù)平臺(tái)升降一個(gè)節(jié)距的運(yùn)行周期內(nèi)，升降系統(tǒng)需等待固定環(huán)梁插銷和升降油缸回程的次數(shù)，將升降系統(tǒng)分四種工況：

1）工況 1：不等待工況。平臺(tái)所有樁腿銷孔分布在同一水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)無需等待（只需等待自身運(yùn)行周期內(nèi)的插拔銷及升降油缸回程）；

圖6 任一樁腿固定環(huán)梁插銷時(shí)的控制策略

2）工況2：等待一次工況。4條樁腿銷孔分布在2個(gè)水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)只需等待一次插拔銷及升降油缸回程；

3）工況3：等待兩次工況。4條樁腿銷孔分布在3個(gè)水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需等待兩次插拔銷及升降油缸回程；

4）工況4：等待三次工況。平臺(tái)4條樁腿銷孔分布在 4個(gè)水平面內(nèi)，升降系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需等待三次插拔銷及升降油缸回程。

圖7所示的入泥形式是傳統(tǒng)控制策略下最惡劣的情況，4條樁腿的銷孔都不在一個(gè)水平面。以 1#樁提升平臺(tái)為例，1#樁提升平臺(tái)一個(gè)節(jié)距，分別需要等待2#、3#、4#樁腿的固定環(huán)梁插銷及升降油缸回程，即3次插拔銷和升降油缸回程。

圖7 一種平臺(tái)樁腿入泥的形式

因此，平臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的平均速度為

式中：為平均升降速度；μ為升降系統(tǒng)升降過程工況 1比重值；V1為升降系統(tǒng)升降過程工況 1速度；β為升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值；V2為升降系統(tǒng)升降過程工況2速度；α為升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值；V3為升降系統(tǒng)升降過程工況3速度；η為升降系統(tǒng)升降過程工況4比重值；V4為升降系統(tǒng)升降過程工況4速度。

該海洋施工平臺(tái)在升降效用試驗(yàn)中的升降速度為

V1=12 m/h；V2=10 m/h；V3=7.5 m/h；V4=5.6 m/h

相關(guān)參數(shù)為

S=1 600 mm；Δ=100 mm

式中：S為升降油缸行程；Δ為平臺(tái)傾斜允許范圍內(nèi)的位置差。

假設(shè)升降油缸性能一致，且升降油缸運(yùn)動(dòng)停止時(shí)落在油缸全行程任意位置的概率是相同的。

根據(jù)上述參數(shù)，任意兩條樁腿銷孔分布在一個(gè)水平面內(nèi)的概率為

δ=Δ/S=0.062 5

升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況4比重值為

將上述參數(shù)帶入式（1）中，計(jì)算得

在該海洋施工平臺(tái)的升降效用試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，工況4在整個(gè)升降效用試驗(yàn)中比重較大，導(dǎo)致單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)平均速度大大降低，這也是國(guó)內(nèi)該型升降系統(tǒng)平均速度始終保持在一個(gè)比較低的水平上的主要原因。

4 優(yōu)化控制策略

4.1 優(yōu)化控制策略I

基于平臺(tái)平均升降速度的計(jì)算公式，平臺(tái)傾斜允許范圍內(nèi)的位置差Δ是影響平均升降速度的一個(gè)因素。將Δ=100 mm增加到Δ′=200 mm。

改進(jìn)后的相關(guān)參數(shù)為

式中：Δ′為平臺(tái)傾斜允許范圍內(nèi)的位置差。

根據(jù)上述參數(shù)，任意兩條樁腿銷孔分布在一個(gè)水平面內(nèi)的概率為

升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況4比重值為

將上述參數(shù)帶入式（1），計(jì)算得

與傳統(tǒng)控制策略相比，升降速度平均值提高了

式中：'λ為增加Δ后的速度差率。

4.2 優(yōu)化控制策略II

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，若減少升降過程中等待其他樁腿固定環(huán)梁插銷和升降油缸回程的次數(shù)，可以有效提高平臺(tái)平均升降速度，基于此結(jié)論，提出優(yōu)化控制策略II。

在平臺(tái)壓樁完畢后，操作人員根據(jù)圖8所示HMI主界面顯示的平臺(tái)傾角，進(jìn)行調(diào)平工作。

圖8 某海洋施工平臺(tái)升降系統(tǒng)監(jiān)控界面主界面

調(diào)平工作完成后，控制系統(tǒng)記錄此時(shí)的各樁腿位置為相對(duì)零位，對(duì)樁腿重新分組，如圖9所示。

控制系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前各樁腿升降油缸的位移，將位移差絕對(duì)值最小 2條樁腿編成一組，看成一個(gè)單元。如圖7所示海床狀態(tài)，設(shè)2#樁與3#樁位置差較小，則將 2#樁相對(duì)位置調(diào)至與 3#樁相對(duì)位置一致，并將 2#樁和3#樁看成一個(gè)單元，之后進(jìn)入正常工作流程。但在實(shí)際情況中，編為一組的 2條（或以上）樁腿的升降設(shè)備性能不可能完全一致，所以在同樣指令信號(hào)的情況下，隨著時(shí)間的累積，2條樁腿的位置偏差也會(huì)越來越大，最后導(dǎo)致平臺(tái)的傾斜過大。那么，在這一組樁腿的內(nèi)部，同樣需要保證其同步性能。

在圖10的策略中，以2#樁和3#樁分組為例。當(dāng)平臺(tái)所有樁腿固定環(huán)梁都處于拔銷狀態(tài)時(shí)，設(shè)置2#樁腿位置為標(biāo)定高度，2#樁腿以1#樁腿位置為指令信號(hào)，3#樁腿以2#樁腿位置為指令信號(hào)，這樣系統(tǒng)就組成了一個(gè)多級(jí)隨動(dòng)系統(tǒng)。

圖9 優(yōu)化的分組方法示意圖

圖10 優(yōu)化的控制策略

當(dāng)某條樁腿處于固定環(huán)梁插銷狀態(tài)時(shí)，如1#樁固定環(huán)梁插銷，其他樁腿都停在當(dāng)前位置，等待1#樁升降油缸回程到位、固定環(huán)梁拔銷到位后，所有的樁腿再同時(shí)運(yùn)動(dòng)；但當(dāng)2#樁固定環(huán)梁插銷時(shí)，3#樁并不停止，而是根據(jù)圖10框內(nèi)的策略繼續(xù)保持與2#樁的同步，進(jìn)入插銷及升降回程過程。

這樣，在系統(tǒng)調(diào)試完成后，既能保證平臺(tái)始終運(yùn)動(dòng)在允許的傾斜范圍內(nèi)，又能保證被分成一組的 2條樁腿的同步性。

與傳統(tǒng)控制策略比較，優(yōu)化后的升降系統(tǒng)每運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，最多只需要等待 2次升降油缸回程和固定環(huán)梁插銷，即去除了工況4。

因此，平臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的平均速度為

該海洋施工平臺(tái)在升降效用試驗(yàn)中的升降速度為

V1=12 m/h；V2=10 m/h；V3=7.5 m/h

相關(guān)參數(shù)為

S=1 600 mm；Δ=100 mm

假設(shè)升降油缸性能一致，且升降油缸運(yùn)動(dòng)停止時(shí)落在油缸全行程內(nèi)的概率是相同的。

根據(jù)上述參數(shù)，任意 2條樁腿銷孔分布在一個(gè)水平面內(nèi)的概率為

那么，升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

將上述參數(shù)帶入式（2），計(jì)算得

與傳統(tǒng)控制策略相比，升降速度的加權(quán)平均值提高了。

式中：λ′′為優(yōu)化分組后的速度差率。

4.3 優(yōu)化控制策略III

綜合考慮優(yōu)化策略I和優(yōu)化策略II，在增加平臺(tái)傾斜允許位置差Δ的同時(shí)對(duì)樁腿進(jìn)行優(yōu)化分組。

優(yōu)化后的相關(guān)參數(shù)為

根據(jù)上述參數(shù)，任意 2條樁腿銷孔分布在一個(gè)水平面內(nèi)的概率為

升降系統(tǒng)升降過程工況1比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況2比重值為

升降系統(tǒng)升降過程工況3比重值為

將上述參數(shù)帶入式（2），計(jì)算得

與傳統(tǒng)控制策略相比，升降速度平均值提高了。

式中：λ′′′為優(yōu)化分組并增加Δ后的速度差率。

對(duì)比傳統(tǒng)控制策略、優(yōu)化控制策略I、優(yōu)化控制策略II及優(yōu)化控制策略III的平均升降速度，如表1所示。表中G為樁腿組數(shù)。

表1 各控制策略下的相關(guān)參數(shù)

從上述結(jié)果分析，平臺(tái)升降平均速度的小大取決于每個(gè)工況下的速度V、任2條樁腿銷孔分布在一個(gè)水平面內(nèi)的概率δ及每個(gè)工況速度的比重值，然而提高每個(gè)工況下的速度意味著增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建造成本，本文不做考慮。本文優(yōu)化策略從兩個(gè)角度出發(fā)：1）考慮增加任意 2條樁腿銷孔分布在一個(gè)水平面內(nèi)的概率δ（即Δ），從而增加了其他工況的比重值；2）考慮消除速度最低的工況、對(duì)樁腿進(jìn)行優(yōu)化分組，增加其他工況下的比重值進(jìn)而達(dá)到了增加平均速度的目的。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在優(yōu)化的控制策略下，有效提高了升降系統(tǒng)的平均速度，縮短了平臺(tái)的升降作業(yè)周期并滿足系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性的要求。

5 結(jié)論

本文闡述了某單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制策略，在傳統(tǒng)控制策略下，系統(tǒng)的平均升降速度=5.964 m/h；為了解決單步進(jìn)液壓插銷式升降系統(tǒng)平均速度低的問題，在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化方案：采用優(yōu)化控制策略I，′=6.338 7 m/h，平均升降速度提高了 6.304%；采用優(yōu)化控制策略 II，，平均升降速度提高了30.99%；采用優(yōu)化控制策略III，′′=8.117 2 m/h，平均升降速度提高了36.13%。優(yōu)化控制策略減少了升降系統(tǒng)運(yùn)行中的等待時(shí)間，提高了平臺(tái)的平均升降速度，提升了平臺(tái)的作業(yè)效率。本文可為升降系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)人員提供參考。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S].北京： 人民交通出版社, 2012.

[2] 趙亞楠, 郝軍, 汪莉, 等.自升式風(fēng)電安裝船樁腿及升降系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].船舶工程, 2010, 32(1)：1-4.

[3] 羅鋼華, 楊秀禮, 徐軍.插銷式液壓升降系統(tǒng)概述及其組成[J].船舶工程, 2016(S2)： 135-142.

[4] 李文華, 張銀東, 陳海泉, 等.自升式海洋石油平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)分析[J].液壓與氣動(dòng), 2008(8)：23-25.

[5] 江志鋼, 徐瀟.一種海洋平臺(tái)的液壓升降系統(tǒng)的控制方法： 中國(guó), 103938602 A[P].2014-07-23.