深水自升式钻井平台升降控制系统设计.pdf

2 0 1 3年 8月 第 4 2卷 第 8期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g Aug ． 2 01 3 Vo 1 ． 4 2 No ． 8 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． O 1 3 深水 自升式钻 井平 台升 降控制 系统设计 马爱军 ， 周金 鑫 ， 唐 文献 ， 齐继 阳 江苏科技大学 机械电子工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 摘要 对海上 自升式钻井平台升降装置和升降原理进行 了研 究， 设计 了一种 自升式钻井平台升降 系统。针对平 台在升降过程 中出现的倾斜问题， 提 出了一种 平台平衡控制方法， 并通过组态软件 WI N C C与 S t e p 7软件的集成 ， 开发 了监控 系统。结果表明， 平台升降控制 系统能够正常地 实现对 平 台升降控制和 自动平衡控制 ， 而监控 系统也能 实现报警提示等功能。 关键词 自升式钻井平台； 升降控制 ；自动平衡 ； WI N C C 中图分类号 P 7 5 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 3 0 8 0 0 6 0 0 4 近年来 ， 随着世界经济 的持续高速发展 ， 全球 对原油资源消费需求量将进一步增大。受陆地 资 源的逐渐减少 、 濒临枯竭 的威胁， 世 界上很多国家 开始将 目光转 向海洋 ， 通过钻井技术获取石油等海 洋资源 ， 由此推动 了钻井平台的发展⋯。移动 自 升式平台不仅可以作为钻井 、 修井和生产平台， 而 且还可以作为整治港 口的作业平台， 因此海洋 自升 式钻井平 台设计与研究是非常有意义的一项工作 。 目前 ， 关于 自升式钻井平台升降系统的研究主 要集中在环境载荷分析 、 结构优化及相关的控制系 统开发 。 自升式 钻井平 台包括平 台本体 、 升降 系统等， 其中升降控制系统作为海洋钻井平台升降 装置的关键部分 ， 国内建造的自升式海洋平台及其 控制系统几乎全部 由国外厂商供货 I 4 ] 。近几年， 国内从事海洋工程的各大公司和科研院所为 了打 破 国外公司对升降系统的垄断， 纷纷将 自升式海上 钻井平 台的升降系统作为重点开发对象进行研究 ， 但到 目前为止国内自主研发的升降系统还未应用 到实际项 目中， 由此可见， 对于 自升式海上平 台升 降系统 的开发工作是迫在眉睫的。 本文通过对现有 自升式平 台的升降控制系统 研究 ， 结合平 台所工作的参数条件 ， 通过系统的建 模 、 控制程序的研究 以及一系列控制软件的使用 ， 设计出一套完整的升降控制系统方案。 1 自升式钻井平台升降系统 总体方案设计 1 ． 1 自升式钻井平台升降系统模型分析 本文研究的 自升式海洋钻井平 台实物是在理 论设计基础上缩小 1 0 0倍 的模型， 整体结构如图 1 所示 。在现场 ， 桩腿插入海底支撑并 固定平台 ， 通 过电机驱动齿轮齿条升降装置， 使平台完全或部分 露出水面 ， 形成不受波浪影响的稳定平台。 禽 图 1 平 台整 体 结 构 图 自升式钻井平台整体结构为三角形状类型， 特 点是移动 自升式， 能够适应海上 的恶劣环境 ， 实现 平台升降的 自动控制 。平台本体 由3个桩腿支撑 ， 其中桩腿带有桩靴 ， 每个桩腿 由 3根 主弦杆构成 。 计算机 自动控制系统要对平台升降的高度 、 平台水 平倾斜度， 3个电机的电流 、 电压、 频率等各种参数 进行监测 ， 并对电动机启动 、 停止进行控制。 1 ． 2 自升式 钻 井平 台升 降 系统的组 成 本文研究的自升式钻井平台升降系统 ， 其功能 由一组机械传 动装置及其相应 的控制单元实 现。 机械传动装置采用的是齿轮齿条传动机构 ， 该结构 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 5 作者简介 马爱军 1 9 9 1 一 ， 男 ， 江苏泰州人 ， 江苏科技大学本科生 ， 主要研究方 向为机电一体化 。 60 2 0 1 3年第 4 2卷 机械设计与制造工程 2 0 0桩腿控制器中的数据经 E T H P P I 传送给一类 主站 P C机 ， 从而完成对所有数据 的实时采集与处 理 ， 实现对现场控制对象的监测和控制。 2 ． 1 ． 2 控制系统的硬件描述 a ． P C机 。 在 P C机上采用西门子公司的编程软件 S t e p 7 进行编程 ， 应用过程监控软件 WI N C C实现人机接 口， WI N C C监控软件为用户提供 了 Wi n d o w s操作 系统环境下使用各种通 用软件 的功 能。此外 P C 机可以通过 E T HP P I与 s 72 0 0桩腿控制器相 连 ， 实现数据之间的传输 。 b ． 桩腿控制器。 选择 西 门子公 司 的 S I MA T I C S 72 0 0系列 P L C中的 C P U 2 2 6 C N作为控制编程器 ， 负责对升降 系统 进行 控 制， 并 控制 各 节 点 的运 动。此外 在 C P U 2 2 6 C N中还附加 了模块 E M2 3 1 C N 1个 和模 块 E M2 5 3 3个 用来分别控制倾角传感器和步进 电机驱动器。 e ． ETH P PI 。 E T HP P I 选用 C P 2 4 3 i ， 它是 目前最流行 的西 门子 P L C s 72 0 0用转换 器。C P 2 4 3 i 将 西 门子 S 72 0 0的 P P I 协议 转换为西 门子 的 P R O F I N E T 协议 T C P ／ I P ， 使西 门子 s 7 2 0 0可以与各种知 名上位软件实现远距离 、 高速通信 ，并可 以同时连 接 S t e p 7 ， 并对西 门子 S 72 0 0进行编程。 d ． 传感器 。 在 自升式钻井平 台中， 主要使用 了两 种传感 器 一种是激光测距传感器 ， 选用 S K D， 主要功能 是用来测试平 台升降 的高度 ； 另一种是倾角传感 器 ， 选用 S C A 1 2 8 T R I O N ， 主要是用来测量平台的 倾斜度。 2 ． 2下位 机控 制 系统 的软 件设 计 2 ． 2 ． 1 P L C软件设计及逻辑控制功能 P L C通过控制软件对升降装置施 以逻辑控制 。 控制系统的主要功能有 a ． 手动控制功能。3个桩腿同时控制 ， 有 4种 操作方式 ， 即桩腿上升 、 桩腿下降 、 平台上升 、 平 台 下降。手动控制主要用于平台升降开始和结束 阶 段的调整及 自动控制操作失灵情况下。 b ． 自动控制功能。 自动控制与手动控制 的转 换 由手动 、 自动控制按钮切换。4个桩腿也是同时 控制 ， 可以实现桩腿的上升和下降及平台的上升和 下降 。 e ． 平衡控制功能 。本平 台采用倾 角传感器来 ． 62 ． 测量平 台的倾斜状 况， 并将数值 反馈到 P L C， P L C 根据数值与预先设定好的水平精度值作 比较 ， 并做 出相应的处理 ， 实现平台的平衡。 2 ． 2 ． 2 平衡控制的实现 本平台通过 P L C实现平衡控制 。通过一个倾 角传感器测量平台静态重力加速度变化 ， 并测量出 平台的倾斜度 ， 进而根据 已经设计好 的算法来调节 平台的水平度。该平 台的平衡控制系统如图 6所 示。平衡控制系统是一个闭环的控制系统， 倾角传 感器采集平台 向和 l ， 向的倾角度数值 ， 并将倾角 度数值反馈到 P L C， P L C根据倾角度数值与预先设 定好的水平精度值作 比较 。若超过预先设定值 ， 则 发出指令给步进驱动器 ， 来控制步进 电机的速度 ， 从而调节平台倾斜度的大小 。 图6平衡控制 系统 2． 3上 位机监控 软件 的设 计 本平 台系统 的监控是 系统采用 WI N C C组态 软件编写的。设计监控系统是为 了实时显示现场 设备的工作数据 ， 让操作人员能直观地了解现场工 作的状况 ， 便于操作人员控制设备 ， 并能提供报警 故障等功能。监控系统的功能框图如图7所示。 监控系统 I 用户登录I 运行模式 状 态硅示 _ l _ 上 上 上 上 髓 手 自 报 录 动 动 变 臀 权 】 遥 最 信 限 行 行 盟 息 设 模 模 刁 显 援 式 式 不 图 7监控 系统 功 能框 图 2 ． 3 ． 1 WI N C C与 S t e p 7集成 本平台中 WI N C C为 P L C s 7 2 0 0提供驱动软 件 ， 在这里将 WI N C C与 S t e p 7合用， 在 S t e p 7中配