楊前明，李 浩

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

上世紀(jì)80年代至2000年，我國沿海共發(fā)生溢油量超50 t的重大溢油事故46起，總溢油量17 941 t[1]。大量原油泄漏，不僅造成石油資源巨大浪費，還導(dǎo)致了嚴(yán)重的海洋生態(tài)環(huán)境問題。

因此，海面溢油回收應(yīng)急處理已成為目前亟待解決的問題。船攜式溢油回收裝備是溢油回收領(lǐng)域的重要裝備及重點研究對象，文獻(xiàn)[2-6]對船攜式溢油回收裝備進行了液壓動力與控制、掃油臂運動仿真；通過對掃油臂與圍油欄卷筒雙液壓馬達(dá)速度同步控制等問題的研究，給出了收油機裝備總體設(shè)計與控制方案，解決了收油機動力比例控制、運動同步性控制等技術(shù)問題。

收油機油井是積聚海面溢油的動態(tài)容器，客觀上需要吸油泵根據(jù)油井內(nèi)積聚的溢油厚度自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，保障回收系統(tǒng)最佳作業(yè)效率及其運行最佳經(jīng)濟性。目前，針對溢油回收裝備油井油位動態(tài)控制的研究未見相關(guān)報道。

據(jù)此，本文將提出收油機油井油位動態(tài)控制解決方案，并就其可行性進行驗證。

1 系統(tǒng)組成及控制原理

1.1 系統(tǒng)組成

動態(tài)斜面式收油機系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 動態(tài)斜面式收油機系統(tǒng)組成簡圖①-吸油馬達(dá)；②-吸油泵；③，⑥-電液比例閥；④，⑤比例放大器；⑦-斜帶馬達(dá)；⑧-集油井；⑨-液位傳感器；⑩-垃圾回收倉；-斜帶

系統(tǒng)主要由收油機本體和電液控制組成。收油機本體主要由集油井、垃圾回收倉和斜帶組成，集油井是積聚溢油的動態(tài)容器，其結(jié)構(gòu)上是一上下無封口的長方體薄壁存儲裝置，在其下方左側(cè)面設(shè)有出水口。

1.1.1 動態(tài)調(diào)節(jié)

溢油回收過程中，集油井內(nèi)的油位高度是動態(tài)變化的，海面溢油厚度一定時，油位的升降取決于斜帶馬達(dá)和吸油馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)海面溢油量較大時，斜帶馬達(dá)轉(zhuǎn)速增加、油井內(nèi)油層厚度相對提高，此時吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速也做相應(yīng)增加，增大吸油泵輸出流量。反之，當(dāng)海面溢油量較小時，斜帶馬達(dá)轉(zhuǎn)速、吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速則做相應(yīng)減小調(diào)節(jié)，旨在減小吸油泵馬達(dá)流量，降低其功耗。

1.1.2 吸油泵比例控制

吸油泵比例控制系統(tǒng)主要包括臺達(dá)PLC、AD模塊、DA模塊、比例放大器、電液比例閥、吸油馬達(dá)、斜帶馬達(dá)、吸油泵和射頻電容液位傳感器。

當(dāng)集油井內(nèi)油位上升到一定高度時，吸油馬達(dá)①啟動，吸油泵②將溢油泵入至儲油艙中。理想狀態(tài)下，可認(rèn)為集油井進油量q1、溢油泵入量q2分別與斜帶馬達(dá)、吸油馬達(dá)的轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)q1>q2時，集油井內(nèi)油位升高；當(dāng)q1

1.2 集油井油位檢測

1.2.1 檢測原理

射頻電容液位計具有測量精度高、線性度好、抗干擾能力強等特點[7-8]，其基于電容感應(yīng)原理，以井內(nèi)溢油作為電介質(zhì)，油位高度變化使液位計電容發(fā)生改變，引起射頻振蕩器輸出頻率變化，微控制器根據(jù)頻率變化計算輸出4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬電流信號，其中4 mA為0%油位，20 mA為100%油位。

1.2.2 實現(xiàn)方法

為便于分析，本研究忽略油井內(nèi)溢油自身重量及海面風(fēng)浪對油井內(nèi)油層的影響，并認(rèn)為集油井內(nèi)油水完全分離，即溢油完全浮在海水之上。為消除檢測過程中海水對油位檢測精度的影響，實現(xiàn)油井油位動態(tài)控制，本研究首先對油位高度進行劃分，油井油位劃分如圖2所示。

圖2 油井油位劃分示意圖hh-高油位值；hg-中等油位值；hl-低油位值

圖2中，射頻電容液位傳感器安裝在集油井中心位置，通過事先校驗確定其油位檢測范圍為0～hmax，即集油井內(nèi)油位在0～hmax之間動態(tài)變化。油位高度為0時，液位計輸出4 mA電流信號；油位高度為hmax時，液位計輸出20 mA電流信號。定義hl、hg、hh作為調(diào)控油井油位高度的3個油位臨界點。特定油位模數(shù)轉(zhuǎn)換如表1所示(對油位區(qū)間做以下規(guī)定：0～hl—低油位區(qū)間，hl～hh—中油位區(qū)間，hh～hmax—高油位區(qū)間)。

表1 特定油位模數(shù)轉(zhuǎn)換表

油井油位檢測程序如圖3所示。

圖3 油井油位檢測程序

首先筆者通過TO指令設(shè)置AD模塊CH1通道為4 mA～20 mA電流輸入，并設(shè)定CH1通道信號的平均次數(shù)為10次；收油作業(yè)時，液位傳感器根據(jù)油位變化輸出相應(yīng)的電流信號，利用FROM指令讀取經(jīng)AD模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量并存入數(shù)據(jù)寄存器D100，最后利用數(shù)據(jù)運算指令DEDIV、DEMUL及DINT進行運算處理，將實時油位(油位占比)存入數(shù)據(jù)寄存器D116，即實現(xiàn)了PLC對集油井油位的動態(tài)檢測。

1.3 電液控制

1.3.1 電液控制原理

馬達(dá)轉(zhuǎn)速電液控制原理如圖4所示。

圖4 馬達(dá)轉(zhuǎn)速電液控制原理圖

PLC根據(jù)斜帶馬達(dá)與吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制指令，經(jīng)DA模塊和比例放大器處理后，將轉(zhuǎn)速指令設(shè)定值(DA模塊輸出電壓)轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)電液比例閥閥口開度的電流信號，進行輸出流量調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)斜帶馬達(dá)與吸油泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制[9-10]。

1.3.2 油位動態(tài)分段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)策略

收油機作業(yè)時，首先根據(jù)海面實際溢油量多少設(shè)定斜帶馬達(dá)轉(zhuǎn)速。即海面溢油量較大時，轉(zhuǎn)速指令設(shè)定值調(diào)高。反之轉(zhuǎn)速指令設(shè)定值調(diào)低。

(1)調(diào)節(jié)策略。油位調(diào)節(jié)的思想是實施“油位動態(tài)分段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)策略”。首先給斜帶馬達(dá)一個相對恒定轉(zhuǎn)速指令值運行一段給定時間，如果油井油位檢測值大于其高位hh值時，吸油泵馬達(dá)自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速至高油位對應(yīng)指令值，執(zhí)行吸油泵大流量運行程序；反之當(dāng)檢測的油井油位低于其低位hl值時，吸油泵馬達(dá)自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速至低油位對應(yīng)指令值，執(zhí)行吸油泵小流量運行程序。

馬達(dá)轉(zhuǎn)速與油位之間對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 馬達(dá)轉(zhuǎn)速與油位關(guān)系表

通過控制斜帶馬達(dá)與吸油馬達(dá)轉(zhuǎn)速，確保油井內(nèi)油位始終處于0～hmax之間，保障收油機最佳作業(yè)效率及運行最佳經(jīng)濟性。

(2)實現(xiàn)方法。吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示[11]。

圖5 吸油馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖

本研究分別把hl、hg、hh油位對應(yīng)數(shù)字量寫入PLC數(shù)據(jù)寄存器D120、D130、D140，PLC將實際油位與寄存器內(nèi)油位數(shù)據(jù)對比，根據(jù)比較結(jié)果，吸油泵馬達(dá)執(zhí)行對應(yīng)轉(zhuǎn)速指令。

吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制程序如圖6所示。

圖6 吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制程序

當(dāng)油位高度等于hg時，啟動吸油泵馬達(dá)并執(zhí)行中轉(zhuǎn)速指令。油位分段轉(zhuǎn)速控制策略的實施過程表述如下：

當(dāng)油井油位升高至高位hh值時，吸油泵馬達(dá)執(zhí)行高轉(zhuǎn)速指令，使油井油位下降，確保其不超過hmax；當(dāng)油井油位下降至低位hl值時，吸油泵馬達(dá)執(zhí)行低轉(zhuǎn)速指令。理論上吸油泵轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)是在保證其流量與油井內(nèi)實際溢油量相匹配的條件下，使其具有良好的經(jīng)濟性。

2 數(shù)學(xué)建模

為確定控制系統(tǒng)性能，對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，本研究首先建立其各組成環(huán)節(jié)及系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型[12]，為仿真分析奠定基礎(chǔ)。G1(s)、G2(s)、G3(s)、G4(s)分別表示DA模塊、比例放大器、電液比例閥、液壓馬達(dá)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)為典型的電液比例開環(huán)控制。

2.1 DA模塊、比例放大器

DA模塊、比例放大器可視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別如下：

DA模塊：

G1(s)=Kd

(1)

比例放大器：

G2(s)=Ke

(2)

式中：Kd—D/A模塊增益，V;Ke—比例放大器增益，A/V;

2.2 電液比例閥

電液比例閥的內(nèi)部由先導(dǎo)級滑閥和主滑閥組成，先導(dǎo)級滑閥將比例電磁鐵的輸出功率加以轉(zhuǎn)換和放大，然后控制主滑閥功率級[13]。當(dāng)電液比例閥固有頻率與液壓固有頻率接近時，其傳遞函數(shù)可以近似為二階振蕩環(huán)節(jié)，即：

(3)

式中：Ksv—電液比例閥的流量增益，m3/(s·A);qn—電液比例閥的In額定流量，m3/s;In—電液比例閥的額定電流，mA;ps—實際供油壓力，MPa;psn—通過額定流量時的規(guī)定閥壓降，psn=1 MPa；Q0—電液比例閥的空載流量，m3/s；ωsv—電液比例閥的固有頻率，rad/s;ξsv—電液比例閥的阻尼比。

2.3 吸油泵馬達(dá)

(4)

式中：Dm—液壓馬達(dá)的排量，m3/rad；Kce—包括泄漏在內(nèi)的總壓力流量系數(shù)，m2·(s·Pa)-2；Vt—液壓馬達(dá)兩腔及連接管路總?cè)莘e，m3；βe—液體等效體積彈性模量，取βe=700×106Pa；TL—外作用力矩在馬達(dá)軸上的折算值，N·m；Jt—液壓馬達(dá)軸上總等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωh—液壓馬達(dá)固有頻率，rad/s；ξh—液壓馬達(dá)阻尼比。

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點附近，電液比例閥的流量線性方程經(jīng)拉氏變換后可表述為：

Q(s)=KsvXv(s)

(5)

綜合式(4，5)，可得吸油泵馬達(dá)輸出角速度對流量、外力負(fù)載的傳遞函數(shù)分別為：

(6)

(7)

油機作業(yè)時，吸油泵馬達(dá)直接帶動吸油泵，外力負(fù)載TL在理想狀態(tài)下可認(rèn)為是恒定的。因此忽略外力負(fù)載TL，只考慮系統(tǒng)流量q對吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速的影響，并結(jié)合式(1-3，6，7)，可得吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖7所示。

圖7 吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

根據(jù)圖7可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(8)

式(8)表述了馬達(dá)轉(zhuǎn)速與PLC輸出數(shù)字量d之間的關(guān)系。由此可知：系統(tǒng)供油壓力一定時，式中各參數(shù)均為常量，即吸油泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速完全取決于PLC的輸出數(shù)字量d。

3 系統(tǒng)仿真與實驗測試

3.1 系統(tǒng)仿真

本研究將吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)導(dǎo)入Matlab仿真軟件中的Simulink軟件包，得到吸油泵馬達(dá)電液比例控制系統(tǒng)仿真模型[15]，將系統(tǒng)的各個參數(shù)分別帶入進行仿真分析，系統(tǒng)仿真原始參數(shù)如表3所示。

表3 原始參數(shù)取值表

吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖8所示。

圖8 吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真曲線

分析圖8可知：(1)當(dāng)油位低于hl即0～30%油位時，吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速為320 r/min；(2)當(dāng)油位處于hl～hh即30%～70%油位時，吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速為485 r/min；(3)當(dāng)油位大于hh即70%～100%油位時，吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速為650 r/min。

顯然，通過調(diào)整吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)吸油泵動態(tài)流量與油井油位的匹配性，可實現(xiàn)油井油位動態(tài)良好控制。

從圖8還可以看出：吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速電液控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，到達(dá)穩(wěn)態(tài)值時間為0.16 s，且輸出穩(wěn)定、馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨油井油位分段調(diào)節(jié)的跟隨性好，同時具有作業(yè)高效與良好的作業(yè)節(jié)能經(jīng)濟性。

3.2 實驗驗證

為驗證油井油位動態(tài)控制方法的正確性，筆者構(gòu)建了實驗測試系統(tǒng)。選用位移傳感器作為油井油位變化參考值，位移檢測范圍0～500 mm，輸出信號4 mA～20 mA；以DA模塊輸出電壓作為吸油泵馬達(dá)參考轉(zhuǎn)速。運行測試動態(tài)控制程序，記錄位移傳感器位移量、寄存器D116的現(xiàn)在值以及DA模塊的輸出電壓，如表4所示。

表4 實驗數(shù)據(jù)表

由表4中測試數(shù)據(jù)可知：(1)當(dāng)油位h較低時，吸油泵馬達(dá)執(zhí)行低轉(zhuǎn)速；(2)當(dāng)油位h處于中等范圍時，吸油泵馬達(dá)執(zhí)行中等轉(zhuǎn)速；(3)當(dāng)油位h較高時，吸油泵馬達(dá)執(zhí)行高轉(zhuǎn)速。顯然，吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨油井油位動態(tài)調(diào)節(jié)，驗證了油井油位動態(tài)控制方案的正確性。

4 結(jié)束語

本文從內(nèi)嵌式收油機最佳作業(yè)效率及運行最佳經(jīng)濟性出發(fā)，給出了集油井油位檢測原理與實現(xiàn)方法，提出了根據(jù)油井油位動態(tài)分段調(diào)節(jié)吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制策略：

(1)建立了吸油泵馬達(dá)電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink軟件對系統(tǒng)模型進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)快速性與平穩(wěn)性，且馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨油位高度分段自動調(diào)節(jié)的跟隨性好；

(2)構(gòu)建了實驗測試系統(tǒng)對油井油位動態(tài)控制方案進行驗證。實驗測試結(jié)果表明：吸油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速能夠隨油位變化動態(tài)調(diào)節(jié)，驗證了油位動態(tài)控制方案的正確性，為本課題后續(xù)研究及類似問題提供了參考依據(jù)。