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

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［1］。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［2］。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［3-4］。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100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。

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，该结构操作性能良好，并具有平稳连续升降的能力，升降速度快，操作灵活，只要加大装置的动力，升降的速度就能提高［5］。此外考虑到实际模型的体积并不是很大，质量也不算太重，再加上升降速度方面的要求，选用电机驱动的齿轮齿条式升降装置。平台升降系统结构如图2所示。

图2 升降系统结构图

本平台用的齿轮齿条升降系统，是在平台的每根主弦杆上设置一根齿条，然后在每个桩腿上的一根齿条上设一个小齿轮。动力通过步进电机驱动小齿轮，然后传递给与齿轮啮合的齿条，从而带动平台的升降［6］。齿轮齿条升降系统结构如图3所示。

图3 齿轮齿条升降系统结构图

1.3 自升式钻井平台升降锁紧装置

自升式钻井平台采用的是气压锁紧装置，锁紧结构采用一段齿条与升降齿条啮合来锁紧，每条桩腿上对称放置一对锁紧机构。其原理是通过气泵产生气体来推动换向阀，进而使气压缸运动，推动锁紧齿条与升降齿条相互啮合，达到对整个桩腿的锁紧的目的。锁紧机构结构如图4所示。

1.4 自升式钻井平台升降原理

自升式钻井平台为三桩腿式的，齿轮齿条升降装置安装在桩腿与平台交接处，齿轮齿条升降装置的齿条沿桩腿弦杆铺设，而与齿条相啮合的小齿轮安装在步进电机上面，步进电机驱动小齿轮，使桩腿和平台作相对的上下运动，其中步进电机自带减速器。

图4 锁紧机构结构图

自升式钻井平台升降原理为：平台通过升降系统将桩腿伸入海底，当桩腿到达海底时，能将平台升离水面一定距离，以承载平台质量。工作的过程是：放桩、升起平台、降下平台、拔桩。在整个升降过程中，控制系统精确显示平台和桩腿的升降速度、升降距离等信息，可靠地控制每一根桩腿的升降。由于桩腿和平台的质量分配不均，再加上其他的因素，3个桩腿会出现升降误差，这也直接导致平台升降过程中出现倾斜状况。如果倾斜比较严重，平台会出现卡死现象，因此在自动控制状态下，必须严格限制平台的倾斜程度。

2 升降控制系统设计

2.1 自升式钻井平台控制系统的硬件设计2．1．1 控制系统结构设计

针对本平台布置特点，选择分布式控制系统结构，在这里分为二级网络结构：设备层、单元层。控制系统原理框图如图5所示。设备层由一个S7-200桩腿控制器组成，主要功能是连接和控制现场设备，接收单元层的指令，并将现场的环境信息和设备运行的状况返回到单元层。单元层由PC机组成，PC机上装有西门子组态软件WINCC，S7-200桩腿控制器中的数据经ETH-PPI传送给一类主站PC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。

图5 控制系统原理框图

2．1．2 控制系统的硬件描述

a．PC 机。

在PC机上采用西门子公司的编程软件Step7进行编程，应用过程监控软件WINCC实现人机接口，WINCC监控软件为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。此外PC机可以通过ETH-PPI与S7-200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SIMATIC S7-200系列PLC中的CPU226CN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CPU226CN中还附加了模块EM231CN(1个)和模块EM253(3个)用来分别控制倾角传感器和步进电机驱动器。

c．ETH-PPI。

ETH-PPI选用CP243i，它是目前最流行的西门子PLC S7-200用转换器。CP243i将西门子S7-200的PPI协议转换为西门子的PROFINET协议(TCP/IP)，使西门子S7-200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Step7，并对西门子S7-200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SKD，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SCA128T(RION)，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 PLC软件设计及逻辑控制功能

PLC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。

c．平衡控制功能。本平台采用倾角传感器来测量平台的倾斜状况，并将数值反馈到PLC，PLC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PLC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X向和Y向的倾角度数值，并将倾角度数值反馈到PLC，PLC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［7］。

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WINCC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。

图7 监控系统功能框图

2．3．1 WINCC 与 Step7 集成

本平台中WINCC为PLC S7-200提供驱动软件，在这里将WINCC与Step7合用，在Step7中配置的变量可以在与WINCC的联接时直接使用，这样就大幅度提高了工作效率。在管理器中，把PLC程序、数据块和符号表都集成到WINCC项目中，此外还把WINCC和Step7安装在同一台计算机上，以保证两者的版本一致。在建立Step7项目后，可以在SIMATIC MANAGER里直接建立新的WINCC 项目［8］。

2．3．2 监控界面设计

通过建立WINCC项目来完成监控界面设计。监控界面在编辑界面中加入各种图形对象，并把相应的属性赋予图形和符号，能够实时显示现场设备的工作数据，如升降系统的各种参数和运行状态。此外监控界面还能提供报警故障等功能，可以发送控制指令。监控界面如图8所示。在监控状态下，平台运动画面如图9所示。

图8 监控界面

3 结束语

图9 平台运动画面

本文设计的自升式钻井平台升降控制系统的数学模型的参数是理想工况下的数据，而实际工作条件下升降系统的工况更加复杂，影响因素更多，因此参数需要在现场调试时进一步测定。可以将自升式钻井平台升降系统的控制方案应用于实际操作控制中，与工业实践相结合，进一步提高升降控制系统的运行效率。如何设计出一个更加科学准确的实验方案，将成为今后平台控制系统的研究重点和关键。

［1］ 钟飞腾，林峰．石油中国［M］．北京：中华工商联合出版社，2006．

［2］ 马志良，罗海涛．近海移动式平台［M］．北京：海洋出版社，1993：355-361．

［3］ 傅裕虎．“港海一”号自升式钻井平台升桩机构控制台系统［J］．船舶，2001(2)：53-55．

［4］ 齐继阳，竺长安．制造系统控制结构的现状和未来［J］．江苏科技大学学报：自然科学版，2010，24(1)：56-59．

［5］ 孙永泰．自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究［J］．石油机械，2004，32(10)：23-26．

［6］ 孙东昌，潘斌．海洋自升式移动平台设计与研究［M］．上海：上海交通大学出版社，2008：7-16．

［7］ 姜文刚，尚婕，邓志良，等．大型平台自动调平研究［J］．电气传动，2005，35(12)：29-31．

［8］ 张晓杰，刘海昌．基于WINCC的数据采集和监控系统设计［J］．工业仪表与自动化装置，2007(4)：53-54．