自升式海洋平臺液壓升降機構控制與實現(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為液壓環(huán)梁插銷式升降機構。升降機構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 升降機構介紹

自升式海洋平臺液壓升降機構由 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。

液壓升降機構分別安裝在平臺的 4個角上，每套升降機構由樁腿、上環(huán)梁、插銷機構、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。插銷機構主要由插銷、插銷油缸、進到位水平限位開關和退到位水平限位開關組成。主油缸上安裝位移傳感器和限位開關。升降機構結構如圖1所示。

圖1 升降機構結構示意圖

2 控制與實現(xiàn)

2.1 升降機構動作分析

液壓升級機構控制主要研究的問題是通過研究上、下環(huán)梁與對應插銷輪番插入和脫開及升降油缸的伸縮的動作原理設計來實現(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，重復以上過程使平臺上升到預定的工作位置。

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)平臺重力負荷的轉換，是升降機構控制的關鍵。

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。定銷轉動銷時，升降油缸要微縮，以便于定銷拔出；動銷轉定銷時，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鍵是在上、下插銷轉換時控制升降油缸的微伸或微縮。在升降機構控制系統(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線性關系的部件，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)結構框圖如圖2所示。

圖2 液壓比例控制系統(tǒng)結構框圖

電液比例閥以液壓控制閥為基礎，使用電能驅(qū)動機械動作的轉換裝置，將電信號轉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 升降機構的軟件設計

根據(jù)平臺工作原理，設計人機操作畫面。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的控制為研究對象，選用施耐德Premium TSX P572634M型PLC作為升降機構主控制器，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)設計的樁邊控制畫面如圖3所示。

3 結束語

本文以自升式海洋平臺的升降機構為研究對象，分析了升降機構的工作原理和控制難點，并提出對應的解決方案。該升降機構使用基于以太網(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提供借鑒，具有一定的參考價值。

圖3 樁邊控制畫面