自升式海洋平臺液壓升降機構(gòu)控制與實現(xiàn)

陸 健，沈 煒

（南通航海機械集團有限公司，江蘇南通 226003）

0 引言

升降機構(gòu)是自升式升降平臺的主要組成部分之一，升降系統(tǒng)的可靠性是平臺順利實現(xiàn)升降的保證。研究升降系統(tǒng)，對提高平臺的整體安全性能、提高海上作業(yè)效率、避免危害性事故等有著非常重要的作用[1]。

本文研究的平臺為鋼質(zhì)四樁腿自升式海洋平臺，海洋平臺的升降機構(gòu)為液壓環(huán)梁插銷式升降機構(gòu)。升降機構(gòu)安裝在樁腿和平臺主體的交接處，可使樁腿和平臺主體作上下相對運動。插銷裝置可使樁腿和平臺主體相對固定。海洋平臺的 4根帶樁靴的樁腿站立在水底的底層上，把平臺托離水面，使平臺在施工時不受海流及波浪的影響，從而使海上作業(yè)在穩(wěn)定的工作平臺上展開[2]。

平臺升降機構(gòu)控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)4根樁腿的單獨控制和協(xié)同控制。系統(tǒng)選用PLC作為控制器，在各個升降樁腿配置從站，以觸摸屏作為人機對話操作界面。系統(tǒng)使用以太網(wǎng)，在中央控制臺配置工控機，通過組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互。平臺和樁腿的升降可自動實現(xiàn)，系統(tǒng)可對升降全過程進行監(jiān)控。

1 升降機構(gòu)介紹

自升式海洋平臺液壓升降機構(gòu)由 1套獨立的液壓驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，其能夠克服泥土、砂石等帶來的阻力和升降平臺自身的重力，將樁腿插入/拔出海床以及實現(xiàn)平臺的上升和下降。

液壓升降機構(gòu)分別安裝在平臺的 4個角上，每套升降機構(gòu)由樁腿、上環(huán)梁、插銷機構(gòu)、主油缸和下環(huán)梁等組成[3]。上環(huán)梁固定在平臺上，下環(huán)梁為動環(huán)梁，通過上下兩組插銷機構(gòu)交替伸縮，配合主油缸的伸縮，實現(xiàn)樁腿下放、平臺上升、平臺下降和拔樁4個過程。插銷機構(gòu)主要由插銷、插銷油缸、進到位水平限位開關(guān)和退到位水平限位開關(guān)組成。主油缸上安裝位移傳感器和限位開關(guān)。升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制與實現(xiàn)

2.1 升降機構(gòu)動作分析

液壓升級機構(gòu)控制主要研究的問題是通過研究上、下環(huán)梁與對應(yīng)插銷輪番插入和脫開及升降油缸的伸縮的動作原理設(shè)計來實現(xiàn)放樁、平臺舉升、平臺下降、拔樁等功能[4]。

1）放樁。此時平臺處于漂浮狀態(tài)，放樁過程裝置受力為樁腿的重力。主油缸縮回，下面的動銷插入樁腿，上面的定銷拔出，主油缸伸出，使樁腿下放，通過安裝在主油缸上的位移傳感器檢測行程，當行程為1 400 mm時，定銷伸出，定銷在樁腿表面滑行，當形成為1 500 mm（樁腿節(jié)孔距離）時，定銷插入樁腿，樁腿停止下放，拔出動銷，主油缸空行程縮回1 500 mm時再插入動銷拔出定銷，重復(fù)以上過程使樁腿自動下放。

2）平臺上升。此時平臺處于上升狀態(tài)，吃水變淺直至離開水面達到工作位置，平臺上升過程裝置受力為平臺的重力。主油缸縮回，下面的動銷插入樁腿，上面的定銷拔出，主油缸伸出，通過樁腿和平臺的相對作用使平臺上升，通過安裝在主油缸上的位移傳感器檢測行程，當行程為1 400 mm時，定銷伸出，定銷在樁腿表面滑行，當行程為1 500 mm時，定銷插入樁腿，停止動作，拔出動銷，主油缸空行程縮回1 500 mm時再插入動銷拔出定銷，重復(fù)以上過程使平臺上升到預(yù)定的工作位置。

平臺下降和拔樁的動作分析與以上分析類似。

2.2 平穩(wěn)實現(xiàn)上、下插銷交替動作的分析

上、下插銷正常交替動作，平穩(wěn)實現(xiàn)平臺重力負荷的轉(zhuǎn)換，是升降機構(gòu)控制的關(guān)鍵。

放樁時，因為銷子所受的力為樁腿的自重，所以銷子的上壁面為受力面。定銷轉(zhuǎn)動銷時，升降油缸要微縮，以便于定銷拔出；動銷轉(zhuǎn)定銷時，升降油缸要微伸，以便于動銷拔出。

由上述分析可知：順利實現(xiàn)上、下插銷交替動作的關(guān)鍵是在上、下插銷轉(zhuǎn)換時控制升降油缸的微伸或微縮。在升降機構(gòu)控制系統(tǒng)中，由電液比例控制閥組成的比例控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)升降油缸的微伸或微縮。電液比例控制系統(tǒng)是指使用比例控制元件的液壓控制系統(tǒng)。比例控制元件是實現(xiàn)系統(tǒng)的輸出與輸入之間對應(yīng)線性關(guān)系的部件，通過比例控制輸入量來確定輸出量的大小，使輸出量按確定的比例隨輸入量的變化而變化。液壓比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 液壓比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電液比例閥以液壓控制閥為基礎(chǔ)，使用電能驅(qū)動機械動作的轉(zhuǎn)換裝置，將電信號轉(zhuǎn)換為閥芯的位移信號，按輸入電信號指令連續(xù)成比例地控制液壓系統(tǒng)。圖2中，位移傳感器檢測上、下插銷相對的位置信號，同時把位置信號進行A/D轉(zhuǎn)換并反饋給控制系統(tǒng)，該反饋信號與輸入指令信號進行比較后，可用于控制電液比例閥的電磁鐵，從而控制閥的開口大小，調(diào)節(jié)液壓驅(qū)動液壓缸動作，以此實現(xiàn)對升降油缸的控制[5]。

當上、下插銷需要交替動作同時轉(zhuǎn)換上、下插銷所承受的負荷力時，液壓缸內(nèi)安裝的位移傳感器采集油缸活塞桿的運行位置信息并實時反饋給 PLC，通過PLC內(nèi)部算法運算，將控制指令發(fā)送給控制油缸微伸或微縮的電液比例閥，通過電液比例閥閥芯移動最終實現(xiàn)上、下插銷交替動作控制。該液壓控制回路通過PLC對閥芯位移實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.3 升降機構(gòu)的軟件設(shè)計

根據(jù)平臺工作原理，設(shè)計人機操作畫面。對人機交互操作畫面的主要要求是：能顯示平臺的狀態(tài)、能比較方便地操作按鈕、能切換平臺操作模式、能監(jiān)控控制系統(tǒng)參數(shù)等。本文以“華電 1001”海上自升式風電安裝平臺液壓升降機構(gòu)的控制為研究對象，選用施耐德Premium TSX P572634M型PLC作為升降機構(gòu)主控制器，配TSXCPP110模塊用于接收平臺的縱橫傾傳感器傾斜信號，通過組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對平臺和樁腿升降的控制和監(jiān)控，并配備施耐德XBTGT觸摸屏用作人機對話操作界面。開發(fā)設(shè)計的樁邊控制畫面如圖3所示。

3 結(jié)束語

本文以自升式海洋平臺的升降機構(gòu)為研究對象，分析了升降機構(gòu)的工作原理和控制難點，并提出對應(yīng)的解決方案。該升降機構(gòu)使用基于以太網(wǎng)總線的 PLC系統(tǒng)，人機開發(fā)界面操作簡單，能很好地滿足控制要求。本文的分析和研究可為類似的海洋平臺升降機構(gòu)提供借鑒，具有一定的參考價值。

圖3 樁邊控制畫面