DCM船施工鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陶 斌

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

DCM施工精度與質(zhì)量要求較高，DCM鉆桿從海底提升至甲板面以上時(shí)，攜帶大量淤泥，這些淤泥需要沖洗設(shè)備進(jìn)行清理[1]。目前，國內(nèi)外的重型DCM船舶鉆桿沖洗仍是用水管進(jìn)行人工沖洗，船舶水泵進(jìn)行的啟停通過人工控制。其次水泵所處區(qū)域船舶設(shè)備較多，存在著安全隱患。所以迫切需要一種自動(dòng)而且準(zhǔn)確的隨機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)，從自動(dòng)控制方面解決水泵運(yùn)行不均衡、不充分以及DCM鉆桿沖洗不干凈的問題。進(jìn)而保證船舶的正常生產(chǎn)，提高DCM施工效率。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)程序原理：設(shè)定確保DCM鉆桿沖洗干凈的水流壓力，通過壓力傳感器每隔10 s對(duì)實(shí)際水流壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，壓力低于DCM鉆桿要求的下限值時(shí)，隨機(jī)啟動(dòng)一臺(tái)水泵啟動(dòng)。水泵的啟動(dòng)是根據(jù)隨機(jī)程序進(jìn)行隨機(jī)啟動(dòng)，即每一臺(tái)水泵的啟動(dòng)都是隨機(jī)的。若壓力高于DCM鉆桿沖洗的上限值，則10 s之后自動(dòng)停止正在運(yùn)行的任意一臺(tái)水泵。重型DCM船舶配有3臺(tái)沖洗水泵，本次設(shè)計(jì)模擬調(diào)試階段壓力下限值為100 kPa，壓力上限值為150 kPa。

手動(dòng)程序原理：自動(dòng)程序出現(xiàn)異常，或者由于其他外在原因，現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行操作時(shí)，將開關(guān)設(shè)置到手動(dòng)。自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相結(jié)合，確保施工設(shè)備的安全性。重型DCM鉆桿結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 重型DCM鉆桿結(jié)構(gòu)示意

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1）隨機(jī)啟動(dòng)低壓增泵流程，如圖2所示；隨機(jī)啟動(dòng)高壓減泵流程，如圖3所示。

圖2 隨機(jī)啟動(dòng)低壓增泵流程

圖3 隨機(jī)啟動(dòng)低壓增泵流程

1.3 隨機(jī)啟動(dòng)低壓增泵方案分析

系統(tǒng)開始運(yùn)行，此時(shí)水流壓力還未達(dá)到DCM鉆桿沖洗設(shè)備要求的下限值，則進(jìn)行低壓增泵。系統(tǒng)啟動(dòng)之后，對(duì)管路中的水流壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前的壓力判斷是否啟動(dòng)DCM鉆桿沖洗水泵。此時(shí)，隨機(jī)啟動(dòng)器將對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和DCM鉆桿沖洗要求的壓力值進(jìn)行比較，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后，若水流壓力還是低于設(shè)備下限值，隨機(jī)啟動(dòng)程序啟動(dòng)一臺(tái)水泵。

1.4 隨機(jī)啟動(dòng)高壓減泵方案分析

高壓減泵是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)管路中的水流壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隨機(jī)啟動(dòng)器將對(duì)監(jiān)測(cè)到的壓力數(shù)值和DCM鉆桿沖洗水泵要求的上限值進(jìn)行不斷的比較，根據(jù)結(jié)果判斷是否減少水泵。在數(shù)據(jù)傳送以及比較的過程中，實(shí)質(zhì)上是通過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及中斷電路和接口電路之間的協(xié)調(diào)控制[2]。重型DCM施工船舶結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 重型DCM施工船舶結(jié)構(gòu)

2 沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

2.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

1）壓力傳感器的選擇

由于DCM船舶施工的精確性和海上施工環(huán)境的特殊性[3]，本次設(shè)計(jì)選擇的傳感器為MPX4115。其具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫驗(yàn)闇囟妊a(bǔ)償特性可以克服半導(dǎo)體壓力傳感器件存在的溫度漂移問題，其還可以產(chǎn)生高精度模擬輸出電壓[4]。壓力傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的原理如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊原理

MPX4115壓力傳感器在0～85 °C的溫度工作范圍內(nèi)顯示了典型的、最小的和最大的輸出曲線（輸出將在指定的壓力范圍之外飽和），如圖6。

圖6 MPX4115壓力傳感器相對(duì)壓力輸入的輸出信號(hào)

MPX4115壓力傳感器的轉(zhuǎn)換功能根據(jù)公稱轉(zhuǎn)換屬性可知，具體轉(zhuǎn)換公式為：

重型DCM船舶鉆桿沖洗水流壓力傳感器電氣原理如圖7所示。

圖7 重型DCM船舶鉆桿沖洗水流壓力傳感器電氣原理

2）A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換是將時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的量化數(shù)值的過程[4]。DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)就是將數(shù)字信號(hào)變成時(shí)間不連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行控制。A/D變換的過程如圖8。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換原理

3）D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入包括設(shè)備的供電電源、系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的輸入、以及系統(tǒng)的基準(zhǔn)參考電壓等[5]。通過單片機(jī)CPU系統(tǒng)將數(shù)字信號(hào)輸出為模擬信號(hào)傳輸至系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行[6]。DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器的D/A通道芯片將根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)來切換多路開關(guān)以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的輸出電流和電壓對(duì)其進(jìn)行控制。D/A通道的組成原理如圖9。

圖9 D/A通道的組成原理

4）振蕩電路模塊

振蕩電路為隨機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)即單片機(jī)CPU各部分的工作提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)中振蕩電路的電容器C1和C2的主要作用是幫助振蕩器起振，同時(shí)電容器的大小對(duì)電路的振蕩頻率有微調(diào)作用，一般的取值為C1=C2=30 pf[7]。振蕩電路如圖10。

圖10 振蕩電路模塊

2.2 仿真模型

根據(jù)單片機(jī)控制原理和DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)的要求，本次Proteus系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖11所示，本模型主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊、振蕩電路模塊、自動(dòng)復(fù)位電路模塊和DCM鉆桿沖洗水泵驅(qū)動(dòng)電路模塊等組成。

圖11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬

2.3 仿真結(jié)果分析

1）壓力為59 kPa，小于DCM鉆桿沖洗水泵要求的下限值100 kPa時(shí)，水泵的啟動(dòng)順序如表1所示。

表1 DCM鉆桿沖洗水泵啟動(dòng)順序

通過Proteus仿真可知，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到壓力低于DCM鉆桿沖洗水泵要求的下限值時(shí)，單片機(jī)隨機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)水泵。由表中的五種啟動(dòng)運(yùn)行結(jié)果可知，DCM鉆桿沖洗水泵的每一次啟動(dòng)都是隨機(jī)啟動(dòng)，在沒有人為干預(yù)的情況下，其啟動(dòng)順序較為理想，每臺(tái)水泵都進(jìn)行了運(yùn)行，使其得到了有效的利用，延長了水泵的使用壽命。

2）在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)壓力的變化，DCM鉆桿沖洗水泵的啟停情況如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)壓力變化引起的DCM鉆桿沖洗水泵啟停

當(dāng)水流壓力降低至DCM鉆桿沖洗設(shè)備要求的下限值100 kPa時(shí)，DCM鉆桿沖洗水泵進(jìn)行隨機(jī)啟動(dòng)。在運(yùn)行過程中，當(dāng)三臺(tái)水泵全部啟動(dòng)之后，監(jiān)測(cè)壓力高于DCM鉆桿沖洗設(shè)備要求的上限值時(shí)，對(duì)水泵進(jìn)行逐個(gè)卸載，同時(shí)不斷地向DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若監(jiān)測(cè)壓力低于設(shè)備要求的下限值時(shí)，則隨機(jī)啟動(dòng)一臺(tái)水泵，而當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力又高于其上限值時(shí)，則隨機(jī)卸載一臺(tái)運(yùn)行的水泵。通過仿真模型可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力隨時(shí)變化時(shí)，DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)能及時(shí)的做出反應(yīng)，同時(shí)根據(jù)程序要求能及時(shí)的啟停水泵。

3）在監(jiān)測(cè)壓力情況變化相同時(shí)，系統(tǒng)兩次啟動(dòng)后，DCM鉆桿沖洗水泵的運(yùn)行情況如表3。

監(jiān)測(cè)壓力情況變化相同時(shí)，每一次系統(tǒng)的運(yùn)行，DCM鉆桿沖洗水泵的啟動(dòng)順序都是不同的。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)壓力的變化，DCM鉆桿沖洗水泵嚴(yán)格按照程序的要求進(jìn)行啟停，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和及時(shí)性，有利于提高施工生產(chǎn)的效率。

表3 系統(tǒng)兩次啟動(dòng)的DCM鉆桿沖洗水泵運(yùn)行情況

3 結(jié) 語

DCM鉆桿沖洗水泵是DCM施工必不可少的設(shè)備，DCM鉆桿沖洗水泵隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)對(duì)提高DCM的施工效率有重要的意義。在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)水泵自動(dòng)控制的文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)之上，介紹了目前DCM鉆桿沖洗水泵的使用狀況。用Proteus軟件進(jìn)行分析DCM鉆桿沖洗水泵的隨機(jī)啟動(dòng)器系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，分析了DCM鉆桿沖洗水泵的啟停情況。結(jié)果表明，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，運(yùn)行比較可靠，符合DCM鉆桿沖洗水泵啟停的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，極大提高了DCM施工效率，為下一步的實(shí)際運(yùn)用打下了良好的基礎(chǔ)，為其他工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也提供了可靠的參考價(jià)值。