臍帶纜張緊器控制系統研究與設計

李 寅，張仕民，王文明，劉培林，王曉華，李曉龍

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）＊

在開發海洋油氣資源的過程中，需要高效可靠的鋪管敷纜設備。臍帶纜張緊器是鋪設臍帶纜的重要設備，能夠提供一定的夾緊力夾持管線并進行鋪設，在鋪設時保持對臍帶纜的張緊力恒定，避免臍帶纜在風浪、洋流以及臍帶纜自重等因素的作用下損壞［1］。

國外關于臍帶纜張緊器的研究開展得比較早，根據臍帶纜張緊器履帶布置形式和數量分類，臍帶纜張緊器可分為兩履帶上下布置式、兩履帶水平布置式、三履帶對中布置式和四履帶對中布置式4種；其驅動方式也分為液壓馬達驅動和電機驅動2種［2］；產品也比較成熟，已經可以生產具有從幾十到幾百千牛張緊力的張緊器，型號眾多，主要生產張緊器的廠家有：AQUATIC、ONE－OFFSHORE、ESTECH、SAS、Amclyde、Huisman等［3］。國內的研究還處于起步階段，因此，國家在“十二五”期間開展對臍帶纜鋪設技術的研究和設備的研制。

本文研究的控制系統是針對鋪設臍帶纜的四履帶結構的張緊器，控制目的是在臍帶纜的鋪設過程中保持對臍帶纜的張緊力恒定［4］。張緊器與臍帶纜鋪設系統的其他設備（例如：卷軸、A＆R絞車）之間也要有良好配合，以保證系統運行穩定。

1 控制過程分析

1.1 工作過程

張緊器結構如圖1所示，在進行臍帶纜的鋪設過程前，首先要打開張緊器頂部的開合機構，利用A＆R絞車與起重設備裝入臍帶纜；待臍帶纜導入后，閉合張緊器頂部的開合機構；夾緊液壓缸推動相應履帶夾持臍帶纜；撤下A＆R絞車；開始鋪設。

圖1 張緊器結構

需要棄管或導入臍帶纜接頭時，先停止驅動過程，利用A＆R絞車拉住臍帶纜；接著控制夾持臍帶纜的各履帶液壓缸開始回撤，松開臍帶纜；待上履帶完全收回至張緊器殼頂后，打開張緊器頂部的開合機構，以便有足夠的空間取出臍帶纜進行棄管或導入連接頭作業；最后，閉合頂部開合機構完成棄管，或者在A＆R絞車導過臍帶纜接頭后繼續鋪設作業［5］。

1.2 控制關鍵問題

1） 由于臍帶纜本身能承受的夾持徑向載荷有限，在進行夾緊操作過程中，張緊器履帶對臍帶纜的夾緊力要保持在一定的范圍內。夾緊力過大會損壞臍帶纜，而夾緊力過小不能提供足夠的張緊力，臍帶纜與履帶之間會發生相對滑動，損壞履帶上的墊塊，繼而導致臍帶纜鋪設失?。?］。

2） 當進行四履帶夾持臍帶纜操作時，需要保持各履帶對中夾持，即各履帶行程保持一致，這樣才能保證正好夾持臍帶纜，如果發生偏斜會損壞臍帶纜和張緊器。在各履帶進行夾持以及回撤運動時，盡量保持各液壓缸同步前進與后退；如果各液壓缸不同步，會對履帶導軌以及滑塊造成損傷，當履帶前后行程差距過大時，容易造成履帶“卡死”，影響張緊器對臍帶纜的正常夾緊作業。因此，在對張緊器的夾緊過程進行控制時，一定要注意各液壓缸運動的同步性。

3） 在打開張緊器頂部的開合機構時要保證上履帶已經完全收回殼頂，避免產生運動干涉損壞張緊器。在進行開合操作過程中要保持上履帶停止工作，避免損壞張緊器。

4） 在鋪設臍帶纜時保持恒張力鋪設。由于海洋環境較為復雜，時有海浪與洋流等不確定性因素，會對鋪設過程造成很大影響。在鋪設過程中，突發的海浪會對臍帶纜造成拉扯，對鋪管船造成沖擊，這都會增加或減小張緊器對臍帶纜的張緊力，當張緊器對臍帶纜的張緊力超過臍帶纜能承受的載荷范圍時，會造成臍帶纜的損壞甚至斷裂，造成重大損失［7］。

2 控制系統設計

2.1 總體方案

根據張緊器的工作過程，張緊器控制系統的主要功能是能夠控制張緊器履帶以一定夾緊力良好夾持臍帶纜，通過實時調節驅動進行恒張力鋪設臍帶纜，還需要控制張緊器頂部的開合機構在進行打開、閉合操作時各部件的協同作業。張緊器的控制主要通過現場總線將各開關與傳感器信號輸入IPC（Industrial Personal Computer，即工控機），IPC 再通過現場總線輸出控制指令，對各執行元件進行控制。整體控制系統框圖如圖2所示［8］。

圖2 控制系統框圖

操作人員通過選擇開關下達指令，并通過現場總線傳送到IPC，經IPC處理后通過現場總線控制相應的電磁繼電器動作來完成電磁換向閥的相應動作，控制液壓缸前進或后退。在液壓缸動作的同時，分布于液壓系統上的位移傳感器和壓力傳感器提供信號給現場總線的信號I／O采集模塊，各信號由IPC處理后，再由現場總線的I／O模塊輸出對應的電磁閥的相應動作，用以實現對各夾緊液壓缸的調節，實現夾緊過程中各液壓缸的同步。

對驅動系統的操作也是IPC通過現場總線采集到操作人員的指令后再進行相應的動作。在進行臍帶纜鋪設的過程中，張力傳感器測得的張緊器對臍帶纜的張力通過現場總線傳輸到IPC，經過IPC分析處理后控制變頻器驅動電機，再由轉速傳感器對電機轉速進行監控，使整個驅動系統能夠穩定運行。

在張緊器頂部的開合機構工作時，為監測開合機構是否完全打開，在開合機構布置行程開關，當開合機構完全打開時，行程開關觸發，系統停止對液壓缸的操作。在開合機構工作時，為保護張緊器不受損害，控制系統會鎖死上履帶，使其不能運動。

2.2 硬件設計

2.2.1 IPC

張緊器控制系統采用基于IPC的PC控制技術，以IPC為核心，通過現場總線與各控制開關、傳感器以及現場設備通信。操作人員通過控制臺開關以及人機界面下達指令，經IPC處理后將控制信號通過現場總線傳送給現場設備。

2.2.2 驅動控制模塊

張緊器的驅動元件是異步電機，本控制系統采用的是變頻控制方式，主要驅動控制元件是變頻器。為了控制的需要，還需要增量型旋轉編碼器來測量電機的轉速、張力傳感器來測量張緊器對臍帶纜張力的大小，組成閉環控制系統。

2.2.3 液壓控制模塊

張緊器對臍帶纜進行夾緊以及頂部開合機構的運行都要靠液壓缸來完成?？刂葡到y的液壓控制采用閥控缸的控制方式，通過對電磁換向閥的控制改變液壓缸的前進或后退，通過對比例調速閥的控制調節液壓缸運動的速度。為了使系統運行穩定，在液壓系統中布置壓力傳感器和位移傳感器對液壓系統壓力以及各液壓缸行程進行監測，組成閉環控制系統［9］。

2.3 軟件設計

人機界面可以進行參數設置以及對張緊器運行情況進行監控。液壓模塊主要顯示各液壓缸的壓力值、各履帶的行程、各履帶對管線的夾緊力等數據。驅動模塊以時間曲線的形式顯示張緊器對管線鋪管的張力值、實時鋪管速度的瞬時值以及隨時間變化情況。各電機的轉速以及功率以數值的形式顯示，以便隨時監視張緊器的運行情況。除此之外，還可以顯示各變頻器的運行情況，當變頻器出現故障時報警?？刂葡到y人機界面如圖3所示。

圖3 控制系統人機界面

張緊器控制系統通過上位機人機界面進行對控制系統的參數設置。全部參數設置完成后，通過程序輪流調用夾緊模塊子程序、上履帶開合模塊子程序、電機驅動模塊子程序，實現張緊器的一個完整的工作流程。流程結束后，程序返回到參數設置環節進行第2次循環調用。在系統工作的任何階段都可以進行壓力、鋪管速度等參數的設置。在參數設置過程中，系統仍正常工作，新參數設置完成后，系統按照新參數為目標參數進行工作，即：參數設置與控制為并行工作過程，操作過程更加人性化。整個系統控制流程如圖4所示。

圖4 系統流程

3 協同控制設計

在臍帶纜鋪設的過程中，由于張緊器與A＆R絞車、卷軸之間會進行配合，因此需要張緊器與A＆R絞車、卷軸以及船內控制室進行協同控制。協同控制通信框圖如圖5所示。

圖5 協同控制通信框圖

3.1 協同組成

臍帶纜鋪設系統需要協同控制的裝備包括張緊器、控制室顯示終端、卷軸、A＆R絞車。張緊器的主控臺通過工業以太網卡實現與交換機的數據交換。

3.2 通信方式

主控臺與張緊器之間的通信，即張緊器設備內部通信通過Profibus現場總線來完成。設備間協同采用以太網方式：即主控臺、A＆R絞車、卷軸以及船內控制室之間的通信以工業以太網交換機為共享設備，通過工業以太網的通信方式進行數據交互與信息共享。

3.3 工業以太網通信方案

在主控臺的IPC內擴展工業以太網卡，在操作間內設置工業以太網交換機，卷軸及A＆R絞車的控制系統也分別由工業以太網的網線連入工業以太網的交換機，再接出數據線至鋪管船內的控制室內，將數據傳送至鋪管船內的控制系統，以便進行監測和報警。

3.4 張緊器與外部設備數據接口

為使協同控制順利進行，各設備間需要進行數據交互與信息共享，各設備需要輸出的變量以及接收設備如表1。其中T、A、R、C分別表示接收變量的設備：張緊器、A＆R絞車、卷軸以及船內控制室。

由表1可知張緊器與各設備的數據接口，其中船內控制室將得到所有數據以監測整體系統的運行狀態。系統的運行以張緊器為核心，張緊器的鋪管速度將影響到A＆R絞車和卷軸的收放速度；而在進行張力轉換的過程中，張緊器夾緊力的大小以及對管線的張力也將影響到A＆R絞車的操作，A＆R絞車對管線的張力也在這一過程中對張緊器有所影響；張緊器、A＆R絞車和卷軸的運行狀態將由各設備共享，當1臺設備出現故障時，其他設備將做出應對措施。

表1 張緊器與外部設備共享數據

4 結語

本文分析了張緊器的工作過程以及控制關鍵問題，設計了臍帶纜張緊器控制系統的總體方案，以IPC為控制核心，對液壓缸壓力、位移以及電機轉速等參數進行監控，通過IPC進行處理后實時調整張緊器的工作狀態，并與A＆R絞車和卷軸協同作業，可以實現鋪設臍帶纜時的恒張力鋪設控制以及整體鋪設系統運行穩定。

［1］楊 偉，葉 茂，何 寧，等.深水海底管道J型鋪設工藝及設備研究［J］.石油礦場機械，2013，42（1）：14－20.

［2］孫晶晶，劉培林，段夢蘭，等.深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：1－5.

［3］張俊亮，王曉波，林 立，等.鋪管船用張緊器張緊系統分析［J］.石油機械，2008，36（9）：167－169，178.

［4］曾 鳴，孫 亮，鐘朝廷，等.海洋鋪管船用張緊器內懸架的設計與分析［J］.石油礦場機械，2010，39（6）：32－35.

［5］Dieumegard C，Fellows P.Installation of metallic tube umbilicals in 3，000meters water［C］／／Houston：OTC15368.Offshore Technolqy Conference，2003.

［6］孫 亮，張仕民，林 立，等.海洋鋪管船用張緊器的總體設計［J］.石油機械，2008，36（8）：36－38，59.

［7］何 寧，徐崇崴，段夢蘭，等.J型鋪管法研究進展［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：63－67.

［8］Giuliana Mattiazzo，Stefano Mauro，Paolo Serena Guinzio.A tensioner simulator for use in a pipelaying design tool［J］.Mechatronics，2009（19）：1280－1285.

［9］張俊亮，曾 鳴，劉文利，等.基于PID神經網絡集成控制的張緊器液壓夾緊缸同步控制策略［J］.機床與液壓，2010，38（7）：7－10.