海洋廢棄樁管氧化切割控制系統(tǒng)研發(fā)*

王 震，魏修亭，劉曰濤，張愛(ài)恩

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2.勝利油田鉆井研究院，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

隨著海洋石油開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)已投產(chǎn)或正建設(shè)待投產(chǎn)的海洋油田已達(dá)50 多個(gè)，樁基固定式平臺(tái)已有近200 座［1］。我國(guó)海洋石油平臺(tái)的使用壽命一般為20 年，按照《海洋石油棄井作業(yè)管理規(guī)則》等法規(guī)要求，廢棄海洋平臺(tái)需要進(jìn)行拆除，對(duì)廢棄樁管更需要進(jìn)行泥下切除。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，到2016年，我國(guó)60% ～70%的現(xiàn)有平臺(tái)將會(huì)退役［2］，屆時(shí)將面臨大量的廢棄平臺(tái)和樁管的合理處置問(wèn)題。所以，研究海洋廢棄樁管的泥下切割及其控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

海洋石油平臺(tái)廢棄樁管的移除主要采用拔樁、聚能爆破、內(nèi)部切割和水下外部切割等方法［3-5］，這些方法在海洋環(huán)保、勞動(dòng)環(huán)境、切割效率、切割成本等方面都存在這樣或那樣的不足。本課題組根據(jù)海洋廢棄樁管內(nèi)部泥下切割的特殊要求，利用汽油燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)快速氧化切割的原理，設(shè)計(jì)了用于海洋廢棄樁管內(nèi)部切除的氧化切割裝置。

本文針對(duì)海洋廢棄樁管氧化切割的控制需求，融合組態(tài)軟件、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)、傳感器、視頻監(jiān)控等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了適用于海上現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的氧化切割控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)功能齊全、操作方便、穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了氧化切割裝置在樁管內(nèi)部導(dǎo)向、定位、切割的自動(dòng)化與智能化，能有效完成海洋廢棄樁管的泥下切除工作。

1 氧化切割系統(tǒng)組成與工作原理

氧化切割系統(tǒng)由氧化切割裝置(機(jī)械本體)與氧化切割控制系統(tǒng)兩部分組成。如圖1 所示，氧化切割裝置工作于樁管內(nèi)部，在海底泥平面4m 以下完成對(duì)樁管的氧化切割;氧化切割控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化切割裝置的控制，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集與視頻監(jiān)控，氧化切割流程如圖2 所示。

2 氧化切割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)氧化切割控制系統(tǒng)的切割要求與模塊化的設(shè)計(jì)思想，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖3 所示的PC 機(jī)(裝有力控組態(tài)軟件)+PLC 的控制體系結(jié)構(gòu)，該控制系統(tǒng)還具備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控功能。

圖1 氧化切割系統(tǒng)圖

圖2 氧化切割流程圖

圖3 氧化切割控制系統(tǒng)框圖

2.1 上位機(jī)(監(jiān)控層、操作層)

氧化切割控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)二級(jí)結(jié)構(gòu)，PC機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，其上運(yùn)行氧化切割裝置控制主程序，提供監(jiān)控界面并根據(jù)氧化切割裝置與樁管的參數(shù)完成運(yùn)動(dòng)求解，同時(shí)根據(jù)采集到的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制和超限報(bào)警，并將控制指令下達(dá)給下位機(jī)。本控制系統(tǒng)中，上位機(jī)采用PC機(jī)，其上裝有力控組態(tài)軟件。

在氧化切割控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，充分的利用了力控組態(tài)軟件的模塊化功能，通過(guò)拖拉工具箱中的圖形單元方便的構(gòu)成了控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面［6-7］，如圖4 所示。在該控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面中，具有報(bào)警窗口，數(shù)據(jù)采集窗口，變量定義窗口，視頻監(jiān)控等窗口。通過(guò)轉(zhuǎn)換相應(yīng)的窗口，操作人員可以監(jiān)控切割作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種實(shí)時(shí)參數(shù)，更改速度、海洋廢棄樁管半徑等參數(shù)以達(dá)到對(duì)切割進(jìn)程的精確控制。

圖4 控制系統(tǒng)界面

2.2 下位機(jī)(控制層)

氧化切割控制系統(tǒng)的下位機(jī)完成底層的運(yùn)動(dòng)控制，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)與定位過(guò)程中的位置、速度等參數(shù)，執(zhí)行上位機(jī)的控制指令，同時(shí)將按鈕、搖桿等機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)與傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)RS485 傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中［8］。綜合考慮安裝空間、經(jīng)濟(jì)性與控制精度等因素，該系統(tǒng)的下位機(jī)采用西門子S7-200(CPU224)、EM231 模擬量輸入模塊、EM232 模擬量輸出模塊，傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。

(1)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口，將現(xiàn)場(chǎng)的液位開(kāi)關(guān)、排水電磁閥、切割油電磁閥、氧電磁閥、各種繼電器開(kāi)關(guān)量直接接到PLC 的I/O。

(2)模擬量輸入模塊(EM231)，用于現(xiàn)場(chǎng)的煙氣監(jiān)測(cè)信號(hào)、溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)等模擬量信號(hào)的采集。

(3)模擬量輸出模塊(EM232)，輸出+10V ～－10V的模擬量信號(hào)，用于對(duì)伺服電機(jī)的速度控制。

2.3 視頻監(jiān)控

氧化切割控制系統(tǒng)的視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)切割作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得操作人員可以了解樁管切割情況，提高切割作業(yè)的安全性與可靠性。本系統(tǒng)采用?？低旸S-2CC11A5P(N)-VFIR 型紅外防水?dāng)z像機(jī)和海康威視DS-6601 型網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器構(gòu)建出氧化切割控制系統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能。

3 氧化切割裝置運(yùn)動(dòng)分析與程序開(kāi)發(fā)

氧化切割裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)向支撐臂、切割臂和割炬，為滿足高精度、低轉(zhuǎn)速的運(yùn)動(dòng)要求，三個(gè)機(jī)構(gòu)均采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并串接諧波減速器和齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速。

3.1 導(dǎo)向支撐臂運(yùn)動(dòng)控制

導(dǎo)向支撐臂完成氧化切割裝置在樁管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向和徑向定位，結(jié)構(gòu)如圖5 所示，電機(jī)M 與樁管中心線重合。電機(jī)經(jīng)諧波減速器和齒輪機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)絲杠6 旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)絲杠螺母5 做上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向支撐臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。氧化切割裝置剛放入樁管時(shí)，導(dǎo)向支撐臂處于收回狀態(tài)，定位塊8 實(shí)現(xiàn)絲杠螺母的下移限位。氧化切割裝置開(kāi)始下行時(shí)，導(dǎo)向支撐臂處于工作狀態(tài)，此時(shí)滾輪8 與樁管內(nèi)壁貼緊(實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向和徑向定位)，防止氧化切割裝置在樁管內(nèi)晃動(dòng)。氧化切割裝置提出樁管后，控制導(dǎo)向支撐臂回到收回狀態(tài)，方便存放氧化切割裝置。

圖5 導(dǎo)向支撐臂結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)示意圖

在導(dǎo)向支撐臂的伸縮運(yùn)動(dòng)控制中，為了控制滾輪貼緊到樁管內(nèi)壁，建立伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N 與樁管半徑R 的數(shù)學(xué)模型為:

式中:P—絲杠6 的螺距;i1—減速器的減速比;

R—樁管半徑(mm);R'—滾輪半徑(mm);

z1—主動(dòng)輪1 的齒數(shù);z2—被動(dòng)輪2 的齒數(shù)。

3.2 切割臂運(yùn)動(dòng)控制

切割臂完成割嘴與樁管內(nèi)壁的距離定位，結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)示意圖如圖6 所示，被動(dòng)輪2 軸線與樁管中心線重合。電機(jī)M 經(jīng)諧波減速器和齒輪機(jī)構(gòu)減速后，通過(guò)搖桿3 帶動(dòng)連桿4 做伸縮運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)切割臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。氧化切割裝置下移到切割指定位置時(shí)，切割臂處于收回狀態(tài)，定位板5 實(shí)現(xiàn)連桿4 的左移限位。氧化切割裝置開(kāi)始切割時(shí)，切割臂處于工作狀態(tài)，此時(shí)滾輪與樁管內(nèi)壁貼緊(實(shí)現(xiàn)割嘴與樁管內(nèi)壁的距離定位)，提高切割效率。切割完畢后，控制切割臂回到收回狀態(tài)，防止樁管提起時(shí)滾輪碰撞到樁管內(nèi)壁的雜物。

在切割臂的伸縮運(yùn)動(dòng)控制中，為了控制滾輪準(zhǔn)確的貼緊海洋廢棄樁管內(nèi)壁，建立伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N 與樁管半徑R 的數(shù)學(xué)模型為:

6 切割臂結(jié)構(gòu)圖與傳動(dòng)示意圖

式中:i1—減速器的減速比;z1—主動(dòng)輪1 的齒數(shù);

z2—被動(dòng)輪2 的齒數(shù);R—樁管半徑(mm);

R'—滾輪半徑(mm)。

3.3 割炬旋轉(zhuǎn)控制

割炬實(shí)現(xiàn)氧與切割油的比例混合，形成預(yù)熱火焰，并將純氧噴射到樁管上，完成對(duì)樁管的氧化切割。在該機(jī)構(gòu)中，電機(jī)經(jīng)諧波減速器和齒輪機(jī)構(gòu)減速后驅(qū)動(dòng)割炬沿樁管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)切割樁管。在旋轉(zhuǎn)切割時(shí)，完全割斷樁管會(huì)造成樁管倒塌現(xiàn)象，因此，需控制割炬對(duì)樁管切割一定角度。樁管厚度與割炬的線速度對(duì)切割質(zhì)量的影響很大，在氧化切割樁管時(shí)，需要準(zhǔn)確定位割炬的位置、控制割炬線速度［9-10］。

伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N 與割炬旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度β 的數(shù)學(xué)函數(shù)為:

電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)與割炬線速度v(mm/min)的數(shù)學(xué)函數(shù)為:

式中:R—樁管半徑(mm);i1—減速器的減速比;i2—主動(dòng)輪1 與被動(dòng)輪2 的傳動(dòng)比。

3.4 導(dǎo)向支撐臂速度控制與報(bào)警控制程序

在程序開(kāi)發(fā)中，上位機(jī)采用腳本語(yǔ)言，PLC 采用梯形圖。PLC 接受上位機(jī)速度控制指令，并將指令轉(zhuǎn)換為模擬量輸出控制伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，同時(shí)接受伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩報(bào)警信號(hào)用于控制電機(jī)停機(jī)。在此過(guò)程中，PLC中AQ 的數(shù)字量范圍為－32000 ～32000，對(duì)應(yīng)的輸出電壓范圍為－10V ～+10V;伺服系統(tǒng)中輸入電壓范圍為－10V ～+10V，對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速－2000r/min ～+2000r/min。

AQ 中數(shù)字量D 與伺服系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)的數(shù)值關(guān)系為:

導(dǎo)向支撐臂、切割臂與割炬包含速度控制和位置判斷，它們控制方案類似，只有部分程序不同。在編程之前需建立PLC 中點(diǎn)與力控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中點(diǎn)的關(guān)系，如表1 所示。導(dǎo)向支撐臂控制的PLC 程序如圖7 所示。

表1 PLC 與力控點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7 PLC 中導(dǎo)向支撐臂電機(jī)速度控制

根據(jù)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和PLC 程序所編寫的力控程序如下:

4 結(jié)論

(1)本文建立了一種海洋廢棄樁管氧化切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由海洋廢棄樁管氧化切割裝置、下位機(jī)(PLC)和上位機(jī)(PC 機(jī)，裝有力控組態(tài)軟件)組成，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)可以滿足海洋廢棄樁管氧化切割的作業(yè)要求。

(2)通過(guò)對(duì)三個(gè)主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，建立了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與導(dǎo)向支撐、切割臂、割炬的位置之間的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確控制。

(3)實(shí)驗(yàn)表明:所建立的海洋廢棄樁管氧化切割系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的采集溫度、煙氣濃度等參數(shù);并得出當(dāng)樁管壁厚為40mm 時(shí)，切割速度為200mm/min 時(shí)，切割效果達(dá)到最優(yōu)。

［1］王勇，戴兵，高軍偉. 廢棄海洋石油平臺(tái)的拆除［J］. 機(jī)械工程師，2010(1):134－135.

［2］陳繼紅. 淺海導(dǎo)管架采油平臺(tái)拆除方法［J］. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2003，14(6):29－31.

［3］Mark J.Kaiser，Dmitry V.Mesyanzhinov，Allan G.Pulsipher.Explosive removals of offshore structures in the Gulf of Mexico［J］.Ocean＆Coastal Management，2002，45:459－483.

［4］周愫承，張?zhí)? 海上石油平臺(tái)拆除技術(shù)和工程的研究［J］. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2002，17(2):1－6.

［5］Salem Y. Lakhal，M. I. Khan，M. Rafiqul Islam. An“Olympic”framework for a green decommissioning of an offshore oil platform［J］. Ocean ＆ Coastal Management，2009，52:113－123.

［6］劉銀，廖志鑫，賀良茂，等. 基于力控軟件的HT-60 鉆機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 礦山機(jī)械，2010，38(24):66－68.

［7］趙航，韓玲. 基于PLC 與組態(tài)王的水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 軟件導(dǎo)刊，2011，10(10):71－73.

［8］胡佳麗，閏寶瑞，張安震，等. S7-200 PLC 在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用［J］. 自動(dòng)化儀表，2009，30(12):38－41.

［9］卜寅年. 氧-液化石油氣與氧－乙炔火焰切割比較［J］.煤氣與熱力，2003，23(4):220－222.

［10］李憲臣，蔣應(yīng)田，胡傳順，等. 氧乙醇汽油火焰燃燒分析及切割試驗(yàn)［J］. 焊接技術(shù)，2012，41(6):30－34.