S型铺管船张紧器控制系统仿真试验台设计

李明婕，段梦兰，李 慧，张玉来，吕 博，叶 茂，董朋光

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.枣庄科技职业学院，山东 枣庄277500；3.中石化石油勘探开发研究院，北京100083；4.长江大学，湖北 荆州434023；5.胜利油田 胜利动力机械集团有限公司，山东 东营257032）①

在全球，海洋石油资源量占石油资源总量的34%［1］。随着能源消耗的增长以及陆地油气资源的匮乏，加强对深海油气资源的勘探开发，寻求新的资源是当前面临的主要任务［2－4］。

张紧器是海底管道铺设的关键设备，从20世纪70年代起，少数发达国家的大型装备公司开始了张紧器的研发，例如美国的Westech HMD公司、意大利REMACUT公司和荷兰SAS公司。图1所示为Westech HMD公司生产的750kN张紧器。这家公司具有40多a的张紧器制造经验，具有生产恒张力控制值在200～1 000kN系列张紧器的能力。

1 张紧器的功能介绍及性能参数

铺管船分为S型、J型和卷筒型3种［6－10］。张紧器结构因铺管方式的不同而存在差异。本文研究的张紧器适用于图2所示的S型铺管船。

铺管时，管线经托管架从铺管船船尾下水，由船尾至海底是一段较长的悬空段，铺管船的垂荡会造成管线悬空段的长度与管线应力的变化。当船随波浪上升时，管线对张紧器拉力增大，可能超过管线应力极限值而破坏；当船随波浪下降时，管线对张紧器拉力变小，进而会使管线承受很大弯曲应力，若应力超过管线材料的屈服极限，会引起管线产生塑性变形［11］。张紧器的作用即实现铺管过程中的恒张力控制。对于张力为2 000kN的张紧器，采用三相异步交流电机驱动的张紧方式，可以提高系统的稳定性和可靠性。

主要设计参数：

额定张力 2 000kN

最大放缆速度 40m／min

最大收缆速度 20m／min

适用管径 101.6～1524mm （4～60英寸）

2 控制系统设计

张紧器的机械结构如图3所示，包括上下履带总成、主支架、液压夹紧缸和液压悬挂缸。机械执行机构的动作是由控制系统的指令控制的。本文主要研究2个方面。

1） 对张紧器远程和现场控制系统进行设计，确定系统硬件组成和软件控制流程，并利用MCGS进行人机交互界面的开发。

2） 设计张紧器机电控制系统模拟试验台，进行电机同步性试验。

张紧器控制系统是涉及检测、通信、电控等技术的复杂系统。包括5个子系统，即中央控制系统（CCS）、履带驱动控制系统、履带夹紧控制系统、履带调整控制系统和液压动力单元 （HPU）。采用基于现场总线的智能仪器与远程IPC协同控制（FCS／PCBCS）的技术方案，使各系统协调工作。控制系统通讯模式如图4所示。

2.1 控制方案

根据张紧器铺管工艺要求，系统工作的任何阶段都可以进行压力、铺管速度等参数的设置，新参数设置完成后，系统按照新参数为目标参数进行工作。控制系统的基本控制流程如图5所示。

2.2 硬件结构

系统控制核心采用德国BECKHOFF公司的C3350型IPC，并作为主站，通过现场总线与底层各从站进行通信。

主站卡FC3101置于IPC内，通过Profibus－DP与从站耦合器BK3120联系，现场底层设备（智能仪器、传感器、变频器、比例阀、换向阀等）与对应类型的I／O模块相连。将液压站控制系统单独作为1个从站进行控制，履带驱动控制系统、履带夹紧控制系统和履带调整控制系统作为1个从站进行控制。

2.3 操控台结构

张紧器控制系统现场操控台主要功能是实现张紧器的手动控制，例如系统启动、紧急停止、解除制动、调整系统手动控制、夹紧系统手动控制、电机驱动系统手动调节等。同时通过显示面板监测手动调整过程液压缸的位置和铺管过程中管线张力。现场操控台面板如图6所示。

2.4 控制软件设计

2.4.1 软件环境设置

深水海底管道铺设张紧器系统总体控制点多达上百点，MCGS组态软件结合TwinCAT软件的控制方式很好地解决了传统PLC的诸多弊端。

TwinCAT软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）提供了与普通PLC同样的功能，同时又具有PC环境的各种优点。MCGS是1套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件［12］，是国内自主研发的采用全中文、可视化、面向窗口的组态软件，具有实时性好、并行处理能力强、画面丰富、生动的特点。MCGS具有开放式结构，两者依据OPC标准进行配置，实现通讯。

2.4.2 软件通信模式

MCGS组态软件与TwinCAT软PLC的通信应用 OPC软件标准［13］，MCGS、TwinCAT 均具有OPC标准接口，两者可以方便地连接，实现数据交互，完成对现场数据的处理维护和对设备的有效控制。

使用BECKHOFF Profibus总线作为上位机与现场设备之间的通信纽带，总线端子作为开放式灵活I／O系统，简化了系统架构的同时提高了通讯速度。

2.4.3 控制系统人机交互界面开发

远程IPC主要实现张紧器的远程监控功能，操作员通过操控面板或触摸屏下达控制目标参数、发送控制命令、远程手动控制夹紧缸和驱动电机，控制过程状态监测与数据存储等功能。张紧器远程监控系统人机交互界面（HMI）采用MCGS开发，显示面板信息如图7所示。

3 半物理试验台结构及组成

3.1 驱动系统试验台结构

1） 工作原理 驱动系统试验台采用2台电机同轴运行模式，一台电机模拟波浪模型，另一台电机模拟驱动电机。当波浪模拟电机转速发生变化时，会对驱动电机产生正向或反向的拖动力，通过转矩传感器测出，若驱动电机能较好地跟随模拟机的速度变化，则可消除速度差，使转矩输出恒为零。

2） 结构 驱动系统试验台结构采用变频调速三相异步电机2台（带增量型旋转编码器）、行星齿轮减速器、离合器、转矩传感器同轴安装的方式。电机的速度控制通过安装在控制柜内的变频器实现，系统对电机的速度控制均通过对变频器的频率控制实现。试验系统组成如图如8所示。

3.2 控制系统试验台结构

驱动系统控制台采用IPC为控制中心，通过Profibus－DP总线进行主、从站的通信，在中央控制系统的指挥下底层I／0模块与智能仪器（恒张力PID调节仪）完成对驱动电机的监控。

1） 波浪模拟电机控制 控制系统中PC机作为波浪模拟计算机，通过串行通信（RS232－RS485）控制变频器的输出频率，从而控制波浪模拟电机的转速。

2） 驱动电机控制 系统将目标转矩值输入PID调节仪，PID调节仪实时比较转矩信号目标值和采集值，经过PID运算控制驱动电机的变频器使转矩值保持在允许范围内。

4 驱动电机恒转矩控制算法实现及试验结果分析

1） 恒转矩PID控制算法的实现 驱动系统试验台中，由于波浪模拟电机速度的变化，造成2台同轴电机不同步，产生转矩信号。系统采用专门的PID调节仪实时采集转矩信号，通过比较、PID调节、信号输出控制驱动电机转速，使2台电机同步运行，转矩维持在允许的范围内。

2） 恒转矩试验结果分析 波浪模拟电机的速度按波浪模型频率值实时变化，若波浪模拟电机拖动驱动电机运行，则转矩传感器输出值发生变化，采用PID调节后，以转矩信号为目标，通过调整驱动电机转速，使2台电机保持速度的动态同步，此时，转矩传感器的输出值在允许的范围内。当波浪模拟电机按照波浪模型曲线进行变速运行时，驱动电机的速度也按照波浪电机的速度进行速度调节，2台电机的速度曲线如图9所示，转速同步性良好，2条速度曲线基本重合。

图10和表1分别为最高工况波浪等级下2台电机间转矩曲线和对应数据表格。观察曲线可知，目标转矩为5N·m，最大实际转矩为6.2N·m，最小实际转矩为4.0N·m，相对目标转矩的最大偏差在±1.2N·m，偏差平均值≤±0.3N·m。

5 结论

1） 为了促进S型铺管船用张紧器的研究，研制了控制系统模拟试验台，转矩量程为±30N·m，张力控制精度为1%。

2） 研制了半物理仿真试验台。该试验台包括驱动电机试验台和电控系统试验台2部分。在驱动系统电机恒张力试验中，波浪模拟电机在波浪模拟计算机的控制下模拟现场波浪对驱动电机进行干扰；驱动电机在工控机和智能仪器的控制下，通过对电机速度的调节使2台电机同轴转矩保持在允许的范围内，实现恒转矩输出。

3） 电机恒转矩输出的试验结果表明，在控制系统作用下，电机输出转矩在允许范围内，电机同步性良好，控制效果符合设计要求。

4） 当前存在的问题主要在于如何直接将恒转矩控制器采用的控制方法和程序应用于张紧器的恒张力控制，这也是今后重点研究的方向。

［1］金秋，张国忠.世界海洋油气开发现状及前景展望［J］.国际石油经济，2005，25（6）：43－44.

［2］Bourgeois T M，Godfrey D G，Bailey MJ.Race on for Deepwater Acreage，3500－Meter Depth Capability［J］.Offshore，1998，58（10）：40－41.

［3］Paul W，Mark G R，Barry C M，et al.Evaluating t he Petroleum Systems of t he Northern Deep Gulf of Mexico through Integrated Basin Analysis：An Overview［J］.A A PG Bul－letin，1998，82（5）：865－877.

［4］Jennifer H.Deepwater Discovery Survey Shows Increase from 2001［J］.Offshore，2003，63（1）：36－40.

［5］李清平.我国海洋深水油气开发面临的挑战［J］.中国海上油气，2006，18（2）：130－133.

［6］曾鸣，孙亮，钟朝廷，等.海洋铺管船用张紧器内悬架的设计与分析［J］.石油矿场机械，2010，39（6）：32－36.

［7］何宁，徐崇崴，段梦兰，等.J型铺管法研究进展［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：63－67.

［8］马良.海洋管道技术综述［J］.油气储运1989，8（5）：7－13.

［9］李金成.海底管道拖拉法施工分析及其软件［D］.杭州：浙江大学，2007.

［10］张建萍，赵冬岩.加利福尼亚近海深水管道敷设新方法［J］.国外油气储运，1994，12（4）：54－59.

［11］Mitchell M R，Dessureault J G.A constant tension winch design and test of a simple passive system［J］.Ocean Engineering，1992，5（19）：489－496.

［12］袁秀英.组态控制技术［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［13］陈在平.现场总线及工业网络控制技术［M］.北京：电子工业出版社，2008.