天車升沉補償實驗裝置控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉振東,2， 張彥廷， 劉明宇， 于曉光， 葛 政， 黃魯蒙

(1.中國石油大學 (華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580；2.中國石油大學 (華東) 石油工業(yè)訓練中心， 山東 青島 266580)

引言

海洋浮式鉆井裝置受到海浪影響會產(chǎn)生升沉運動，從而帶動鉆柱相對海底上下運動，引起井底鉆壓變化，降低鉆井效率，甚至引發(fā)鉆井事故，因此需要安裝升沉補償裝置[1-2]。天車升沉補償因占用甲板面積小、所需液壓管線短和鋼絲繩壽命不受影響等優(yōu)點，在浮式鉆井船和半潛式鉆井平臺上得到了廣泛應用[3-5]。

1 天車升沉補償實驗裝置簡介

為開展天車升沉補償實驗研究，設計開發(fā)了一套天車升沉補償實驗裝置[6]，如圖1所示。

1.搖臂裝置 2.天車 3.補償鋼絲繩 4.滑輪5.模擬升沉液壓缸 6.模擬井架 7.補償液壓缸 8.大鉤 9.負載鋼絲繩 10.模擬負載液壓缸圖1 天車升沉補償實驗裝置原理圖

該裝置通過模擬升沉液壓缸5依次帶動補償鋼絲繩3、大鉤8和模擬負載液壓缸9，模擬海浪升沉造成鉆柱運動，通過補償液壓缸7帶動天車2做與升沉運動相反的運動，以此抵消升沉運動，保證模擬負載絕對位置基本不變。由于海浪的升沉運動是實時變化的，這就要求對升沉補償裝置必須實現(xiàn)自動控制，設計一套穩(wěn)定、精確、響應快速的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 控制系統(tǒng)總體方案設計

天車升沉補償實驗控制系統(tǒng)以西門子PLC和WinCC為基礎[7-9]，PLC為實驗系統(tǒng)的控制模塊，系統(tǒng)采用2臺西門子PLC，分別控制泵站系統(tǒng)和閥臺系統(tǒng)。各傳感器將采集到的實時數(shù)據(jù)傳送至PLC[10-12]，經(jīng)過PLC中的控制程序處理后，向?qū)嶒炏到y(tǒng)中的執(zhí)行元件發(fā)送控制指令，控制實驗裝置的運行狀態(tài)；上位機PC端利用WinCC來組態(tài)人機交互界面， PLC與WinCC之間采用TCP/IP協(xié)議進行通信，使得PLC與WinCC之間能夠相互進行數(shù)據(jù)傳輸，PC端既可以監(jiān)測PLC控制模塊中的各項參數(shù)，也可以向PLC控制模塊發(fā)送控制指令和修改各項控制參數(shù)。控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

泵站PLC主要控制實驗系統(tǒng)中升沉模擬運動系統(tǒng)和補償運動系統(tǒng)的泵出口流量和壓力。通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速控制定量泵出口流量，通過控制變量泵的排量控制變量泵出口流量，通過控制電磁溢流閥設定壓力和變量泵出口壓力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)最高壓力。泵站系統(tǒng)能實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和液壓油溫度等參數(shù)，使系統(tǒng)能夠在設定工況下進行正常運行。閥臺PLC主要控制實驗系統(tǒng)中模擬升沉運動系統(tǒng)和補償運動系統(tǒng)中的電磁比例方向閥、比例調(diào)速閥和普通電磁換向閥等。

閥臺PLC與泵站PLC基于以太網(wǎng)的S7通信協(xié)議實現(xiàn)通信，2臺PLC之間能夠進行數(shù)據(jù)傳輸交換。上位機和下位機PLC通過TCP/IP協(xié)議進行通信，上位機可以將所有控制指令發(fā)送到PLC控制器中，控制整個實驗系統(tǒng)。通過組態(tài)軟件WinCC來監(jiān)控實驗系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，包括電機的轉(zhuǎn)速和扭矩、泵出口壓力和流量、油箱液位、油溫、補償缸三腔壓力等，當實驗系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動停止工作，并發(fā)出警報，提醒實驗操作人員進行故障排查。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

西門子S7系列PLC主要包括S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200等類型，其中S7-300系列適用于中端離散自動化系統(tǒng)，較符合本系統(tǒng)的控制要求，因此選用S7-300系列。綜合考慮存儲器容量、系統(tǒng)響應時間、備用模擬量和數(shù)字量通道預留及經(jīng)濟成本等因素，對PLC各模塊進行選型，如表1所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案圖

表1 PLC模塊選型表

根據(jù)被測對象特性、響應速度、測量精度、所測數(shù)據(jù)作用等因素，對控制系統(tǒng)中所需傳感器進行選型，如表2所示。

表2 主要傳感器選型表

4 控制系統(tǒng)軟件設計

控制程序的編寫采用西門子公司開發(fā)的編程軟件STEP 7進行編寫，該軟件具有硬件組態(tài)、程序編寫、通信組態(tài)、程序運行監(jiān)控等功能。結(jié)合本實驗裝置的控制流程和控制要求，以及被控設備的機械、液壓和電氣特性等，將控制程序劃分為多個模塊，各模塊之間既相互獨立又可以實現(xiàn)相互通信，如圖3所示。

圖3 控制程序模塊圖

控制程序的核心部分是升沉補償實驗相關程序，采用閉環(huán)控制方式，其控制流程如圖4所示。該部分程序編寫在循環(huán)中斷組織塊OB35中，按設定時間循環(huán)執(zhí)行。

圖4 升沉補償運動控制流程圖

當PLC造波程序控制模擬升沉液壓缸做升沉運動時，姿態(tài)傳感器MRU實時檢測到海浪升沉位移，將其以電壓信號形式傳輸?shù)絇LC中，并與天車位移傳感器輸入到PLC中的天車位移信號進行比較，再經(jīng)過PLC中PID控制程序或模糊控制程序計算后，輸出電壓信號給電磁比例換向閥，實時調(diào)節(jié)閥口方向及大小以控制補償液壓缸的運動方向和速度。升沉補償控制策略有PID控制、模糊控制和模糊PID控制3種方式。

5 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設計

WinCC是西門子公司提供的基于Windows操作系統(tǒng)的強大的HMI(Human Machine Interface)系統(tǒng)，廣泛應用于工程通信和過程可視化[13]，利用WinCC來組態(tài)上位機監(jiān)控界面，如圖5和圖6所示。監(jiān)控系統(tǒng)分為泵站監(jiān)控系統(tǒng)和閥臺監(jiān)控系統(tǒng)，其具體實現(xiàn)功能有檢測顯示各項數(shù)據(jù)功能、參數(shù)設置功能、數(shù)據(jù)趨勢曲線監(jiān)測功能、報警功能、用戶管理功能等。

圖5 泵站監(jiān)控系統(tǒng)主界面圖

6 實驗結(jié)果

實驗現(xiàn)場如圖7所示，以閥臺電控柜作為主要控制操作臺，泵站電控柜起監(jiān)測作用，通過PLC通信程序進行通信。

圖6 閥臺監(jiān)控系統(tǒng)主界面圖

1.泵站電控柜 2.泵站系統(tǒng) 3.閥臺電控柜 4.閥臺系統(tǒng)圖7 天車升沉補償實驗裝置實物圖

通過該控制系統(tǒng)進行升沉補償實驗，得到升沉補償運動位移曲線，如圖8所示，可以看出系統(tǒng)運行平穩(wěn)，大鉤位移較小，達到了補償目的。

圖8 升沉補償運動位移曲線圖

采用PID控制策略，在不同升沉幅值下進行多組對比實驗，實驗中大鉤(即模擬負載)最小位移為39.35 mm，最大位移為78.70 mm，由此可得系統(tǒng)補償率在90.16%到93.44%之間，平均補償率為91.8%，達到了預期效果，證明該控制系統(tǒng)滿足天車升沉補償要求。

在升沉幅值為500 mm、升沉周期為12 s工況下，分別采用PID控制、模糊控制和模糊PID控制3種方式，控制效果如表3所示，以模糊PID控制效果最優(yōu)。

圖9 不同工況下補償效果圖

表3 不同控制策略補償效果對比

控制算法s/mmη/%PID-39.35～42.4791.51模糊-32.34～30.4093.53模糊PID-19.50～19.5196.10

除以上實驗工況和實驗控制策略對補償效果有影響之外，升沉補償系統(tǒng)的硬件(如傳感器響應速度、PLC模塊采集速度、PLC計算速度、PLC模塊輸出速度、比例閥響應速度和調(diào)節(jié)性能、油缸響應速度等)對系統(tǒng)也有較大影響。

7 結(jié)論

海洋浮式鉆井升沉補償裝置是深海石油開發(fā)的重要裝備，其控制系統(tǒng)直接影響到升沉補償?shù)姆€(wěn)定性及補償效果，在整個系統(tǒng)中起到了至關重要的作用。提供了一套天車升沉補償控制系統(tǒng)設計方案，包括其總體方案設計、硬件設計、軟件設計、監(jiān)控系統(tǒng)設計等，并且通過實驗驗證了其可行性。可依靠這一系統(tǒng)進一步展開各項天車升沉補償實驗研究，為天車升沉補償裝置原型樣機的控制系統(tǒng)研發(fā)奠定基礎。