四履帶張緊器履帶夾緊控制系統(tǒng)及其控制方法

單 悅，蔣曉波，袁中超，萬(wàn)箭波，李懷亮，王 徽，馮天賀

1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400

2.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

四履帶張緊器履帶夾緊控制系統(tǒng)及其控制方法

單 悅1，蔣曉波2，袁中超2，萬(wàn)箭波2，李懷亮3，王 徽2，馮天賀2

1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400

2.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

四履帶張緊器是深海臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，履帶夾緊控制技術(shù)又是張緊器的核心技術(shù)。結(jié)合已設(shè)計(jì)的85 t四履帶張緊器履帶夾緊機(jī)構(gòu)的機(jī)械和液壓方案，配套設(shè)計(jì)了履帶夾緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及其控制方法。陸地動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，85 t四履帶張緊器四條履帶的夾緊液壓油缸工作壓力實(shí)測(cè)值均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)四條履帶對(duì)臍帶纜的恒定夾緊力控制；在應(yīng)用85 t四履帶張緊器協(xié)同卷軸安裝系統(tǒng)完成海底管道上卷至滾筒工作的海上試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管徑6 in管道的上卷與鋪設(shè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了履帶夾緊控制系統(tǒng)的性能。

四履帶張緊器；履帶夾緊機(jī)構(gòu)；控制系統(tǒng)；控制方法

隨著我國(guó)海洋石油的開采由淺海向深海的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，為了提高我國(guó)深海管道與纜線的鋪設(shè)能力，中海油深海開發(fā)有限公司牽頭承擔(dān)了國(guó)家十二五科技重大專項(xiàng)“南海深水油氣開發(fā)示范工程”項(xiàng)目，為配合荔灣3-1氣田工程設(shè)計(jì)、建造、安裝技術(shù)的實(shí)施，研制出一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水臍帶纜鋪設(shè)用四履帶張緊器[1]，打破了國(guó)外技術(shù)的壟斷，縮小了與國(guó)際深水油氣工程水平的差距，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，擺脫了張緊器設(shè)備對(duì)國(guó)外的依賴，對(duì)推動(dòng)我國(guó)深海油氣開發(fā)具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2-3]。

在深海鋪設(shè)深水臍帶纜作業(yè)中應(yīng)用的四履帶張緊器，均采用四條履帶相連的液壓油缸伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)臍帶纜的恒定壓力夾緊。在四履帶張緊器工作時(shí)，需要控制每條履帶將臍帶纜夾持在履帶中心位置，并實(shí)現(xiàn)恒定壓力的夾持[4]。本文以85 t四履帶張緊器為模型，在介紹了已設(shè)計(jì)的履帶夾緊機(jī)構(gòu)與工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，論述了配套的履帶夾緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及控制方法的設(shè)計(jì)方案，并給出了通過(guò)85 t四履帶張緊器工程樣機(jī)的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行功能驗(yàn)證的結(jié)果。

1 已設(shè)計(jì)的四履帶夾緊機(jī)構(gòu)與工作過(guò)程

85 t四履帶張緊器工程樣機(jī)的夾緊功能，系由上履帶1、右履帶3、下履帶5和左履帶7共4條履帶共同實(shí)現(xiàn)的，履帶夾緊總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

上履帶1的夾緊動(dòng)作由與履帶連接的夾緊液壓油缸執(zhí)行，上履帶夾緊液壓油缸2的油缸座與框架固定連接，液壓油缸缸桿與履帶固定連接，上履帶配置了4個(gè)液壓油缸，每個(gè)液壓油缸的大腔均配置了壓力傳感器，每個(gè)液壓油缸還配置了位移傳感器。其他3條履帶的結(jié)構(gòu)與上履帶結(jié)構(gòu)一致。在四履帶張緊器工作時(shí)，需要每條履帶將臍帶纜夾持在履帶中心位置，并實(shí)現(xiàn)恒定壓力夾持，然后通過(guò)控制履帶的正反向驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒張力條件下臍帶纜沿船舶航跡鋪設(shè)，同時(shí)根據(jù)船舶的行駛狀態(tài)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)收放臍帶纜工作。

圖1 85 t四履帶張緊器總體履帶夾緊機(jī)構(gòu)

2 配套的四履帶夾緊控制系統(tǒng)及控制方法設(shè)計(jì)

2.1 夾緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）液壓控制。根據(jù)85 t工程樣機(jī)的總體履帶結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)海上臍帶纜鋪設(shè)過(guò)程中風(fēng)浪流的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，每條履帶夾緊液壓油缸的液壓控制均為獨(dú)立控制，液壓油缸的控制原理見(jiàn)圖2。每條履帶夾緊液壓油缸配置了控制油缸伸縮的電磁閥SSV01和SSV02，增減壓力的電磁閥SSV03和SSV04，同時(shí)也配置了壓力傳感器PT01和位移傳感器DT01，除此之外還配置了相關(guān)的蓄能器、安全閥、平衡閥等配套液壓元件。

圖2 單條履帶夾緊液壓油缸控制原理示意

（2）電控方案。四履帶張緊器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間緊湊，履帶夾緊被控對(duì)象眾多，電氣信號(hào)分布廣，每條履帶配置的電液信號(hào)數(shù)量均為電磁閥16個(gè)、壓力傳感器4個(gè)、位移傳感器4個(gè)。如果采用集中控制，現(xiàn)場(chǎng)布線工作過(guò)于繁瑣，不僅調(diào)試故障點(diǎn)增多，而且信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸也容易產(chǎn)生干擾。因此四履帶張緊器的電控方案采用分布式模塊化控制方式，在上下左右四條履帶上設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)分布式控制柜，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與主操作控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，共同協(xié)調(diào)完成張緊器的履帶夾緊控制工作。張緊器履帶夾緊的分布式模塊化控制方案見(jiàn)圖3。

圖3 張緊器履帶夾緊的分布式模塊化控制方案

（3）主控制模塊。張緊器工程樣機(jī)主控制模塊采用的CPU選用CPU317-2DP處理器，它具有大容量程序存儲(chǔ)器和2個(gè)PROFIBUS-DP主站/從站接口，可用于大規(guī)模I/O配置和建立分布式I/O結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)DP與其他從控制模塊通訊，另一個(gè)DP與HMI通訊。人機(jī)界面HMI采用普洛菲斯公司的 GP-4501T。履帶控制模塊選用 ET200M，ET200M是一款高度模塊化的分布式I/O系統(tǒng)，它使用S7-300可編程序控制器的信號(hào)模塊、功能模塊和通訊模塊進(jìn)行擴(kuò)展。

2.2 夾緊控制方法設(shè)計(jì)

在臍帶纜鋪設(shè)過(guò)程中，海上風(fēng)浪流的影響直接作用在臍帶纜上，導(dǎo)致臍帶纜在鋪設(shè)過(guò)程中不規(guī)則地波動(dòng)，這對(duì)于鋪設(shè)海底臍帶纜的四履帶張緊器來(lái)講，不但需要控制每條履帶的夾緊液壓油缸，以實(shí)現(xiàn)同步夾持定位動(dòng)作，同時(shí)還需要在夾持管道后，保證每個(gè)夾緊液壓油缸的壓力穩(wěn)定在臍帶纜可以承受的范圍之內(nèi)。簡(jiǎn)單的位移閉環(huán)同步方式或壓力閉環(huán)同步方式可以很好地實(shí)現(xiàn)同步效果，但無(wú)法迅速有效地消除擾動(dòng)，達(dá)不到理想的控制效果。針對(duì)四履帶張緊器的特殊工況，在85 t四履帶張緊器工程樣機(jī)研制中采用了下述的履帶夾緊控制方法，履帶夾緊控制流程如圖4所示，具體控制過(guò)程為：

圖4 履帶夾緊控制流程

（1）預(yù)先在PLC控制器程序中設(shè)定履帶框架的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸值H0以及計(jì)算公式；在臍帶纜鋪設(shè)前，需先將臍帶纜牽引至張緊器內(nèi)，至少需保證履帶可以完整與臍帶纜接觸，按照實(shí)際鋪設(shè)工藝要求，通過(guò)人機(jī)交互界面輸入所鋪設(shè)管道的直徑值H和張緊器每條履帶所需要的夾緊壓力值P0；通過(guò)公式計(jì)算，可以得出張緊器每條履帶夾緊油缸的伸出位移值L0。

（2）操作者發(fā)出夾持指令，四條履帶的夾緊液壓油缸同時(shí)執(zhí)行伸出動(dòng)作，所有夾緊液壓油缸的伸出距離達(dá)到L0后，完成履帶夾緊的初步定心動(dòng)作。

（3）四條履帶的夾緊液壓油缸繼續(xù)同時(shí)加壓伸出，直至所有夾緊液壓油缸的大腔壓力值達(dá)到夾緊壓力值P0+1.5 MPa，此時(shí)完成了履帶夾持管道動(dòng)作。

（4）PLC控制器記錄下每支液壓油缸的實(shí)際伸出位移值L1，在履帶夾持動(dòng)作完成后，通過(guò)對(duì)下履帶和左履帶兩者的夾緊液壓油缸，進(jìn)行在（L1+1）mm和（L1-1）mm之間的恒定位移控制；對(duì)上履帶和右履帶兩者的夾緊液壓油缸，進(jìn)行壓力在P0和P0+1.5 MPa之間的恒定壓力控制，實(shí)現(xiàn)四履帶張緊器履帶夾緊的自動(dòng)保壓調(diào)節(jié)動(dòng)作過(guò)程。

3 工程應(yīng)用驗(yàn)證

85 t四履帶張緊器在工廠完成了安裝調(diào)試工作，在中國(guó)船級(jí)社監(jiān)督下進(jìn)行了張緊器陸地功能與性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證研制的85 t四履帶張緊器是否達(dá)到研制目標(biāo)。陸地動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。在完成陸地試驗(yàn)后，85 t四履帶張緊器隨后安裝在長(zhǎng)城1駁船上，協(xié)同卷軸安裝系統(tǒng)于2015年6月13日在海工碼頭完成了將長(zhǎng)120 m、管徑6 in（1 in=25.4 mm）海底管道上卷至滾筒的工作，并于6月14日隨濱海108船進(jìn)入JZ25-1S海域，18日完成了卷軸安裝系統(tǒng)的海試任務(wù)，海上試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5，動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖5 85 t四履帶張緊器海上試驗(yàn)

表1 動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）陸地動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，85 t四履帶張緊器四條履帶的夾緊液壓油缸工作壓力實(shí)測(cè)值均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)四條履帶對(duì)臍帶纜的恒定夾緊力控制。

（2）在85 t四履帶張緊器協(xié)同卷軸安裝系統(tǒng)完成海底管道上卷至滾筒工作的海上試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管徑6 in海底管道的上卷與鋪設(shè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了履帶夾緊控制系統(tǒng)的性能。

[1]孫晶晶，劉培林，段夢(mèng)蘭，等.深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：1-5.

[2]萬(wàn)箭波，王福山，王海玲，等.四履帶張緊器恒張力控制建模與仿真[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45（6）：26-30.

[3]ZHANG Junliang，LIN Li，ZHANG Shimin.A tensioner system for a deepwater pipelaying vessel[C]//2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.[s.n.]，China：Zhangjiajie，[s.n.]，2009：36-39.

[4]郭志平，李冠孚，劉仕超，等.四履帶式海洋船用臍帶纜張緊器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（8）：266-268.

Track clamping system and controlmethod of four-track tensioner

SHAN Yue1，JIANG Xiaobo2，YUAN Zhongchao2，WAN Jianbo2， LIHuailiang3，WANG Hui2，F(xiàn)ENG Tianhe2
1.Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China
2.Tianjin Jingyan Construction Machinery Transmission Co.，Ltd.，Tianjin 300409，China
3.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

The four-track tensioner is a key equipment in the installation system of deepwater umbilical laying，the track clamping control technology is the core of the tensioner.By combining the mechanical design scheme and the hydraulic design scheme of 85 t four-track tensioner，the matching track clamping system and its control method of the four-track tensioner are presented.The land dynamic load test of the tensioner proves the working pressures of the four clamping hydraulic cylinders reach the design requirement and can realize constant clamping force control between the four tracks and the umbilical.The offshore test of rolling up a 6 inch subsea pipeline to the roller and than laying by coordinately using the tensioner and the reelinstalling system is successful，which further verifies the working reliability of the track clamping system.

four-track tensioner；track clamping system；controlsystem；controlmethod

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.011

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目子任務(wù)“臍帶纜安裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件（A&R絞車）研制”（2011ZX05056-003-07）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目“恒張力控制技術(shù)研究與裝備產(chǎn)業(yè)化”（14ZCDZGX00069）。

單 悅（1979-），女，天津人，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于大連海事大學(xué)電氣控制專業(yè)，現(xiàn)主要從事電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。Email：shanyue_tj@163.com

2017-06-20