隔水管張緊器的組合式保護(hù)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種隔水管張緊器的組合式保護(hù)系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及該種隔水管張緊器的組合式保護(hù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隔水管張緊器是重要的海洋油氣鉆采裝備，用于海洋浮式鉆井平臺上增強(qiáng)隔水管系統(tǒng)抵御風(fēng)浪的能力，張緊系統(tǒng)是否可靠是海洋油氣鉆采能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。目前，隔水管張緊器主要分為鋼絲繩式和液缸式。
[0003]隔水管張緊器通常都是按組成對配置，在平臺上彼此之間呈對角對稱布局。隔水管張緊器系統(tǒng)存儲有巨大的能量，當(dāng)事故發(fā)生時，存儲在張緊系統(tǒng)中的高能量需要快速釋放，避免對張緊系統(tǒng)、其它機(jī)械設(shè)備、人員造成危害，這就要求張緊系統(tǒng)必須配備具有超高安全可靠性和自動判斷、快速響應(yīng)能力的保護(hù)裝置。
[0004]傳統(tǒng)做法普遍局限于液壓和機(jī)械式保護(hù)，自動控制系統(tǒng)參與度不夠高，所有張緊機(jī)構(gòu)單元的控制信號集中于一處監(jiān)控，下端每一個張緊機(jī)構(gòu)單元都依賴于集成控制臺，當(dāng)集成控制臺發(fā)生故障或需要調(diào)整系統(tǒng)配置時，控制系統(tǒng)將不能起到有效的保護(hù)作用，需要停機(jī)做大量整改，影響生產(chǎn)作業(yè)甚至導(dǎo)致重大損失，并且不便于進(jìn)行局部測試和維護(hù)，安全可靠性、系統(tǒng)靈活性和智能化水平都有待提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種隔水管張緊器的組合式保護(hù)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中隔水管張緊器控制系統(tǒng)自動保護(hù)功能較少、冗余度低、布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、智能化水平低的問題。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種隔水管張緊器的組合式保護(hù)方法。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種隔水管張緊器的組合式保護(hù)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)邏輯控制單元，系統(tǒng)邏輯控制單元與操作員主控制臺互相連接，操作員主控制臺與配電盤連接;系統(tǒng)邏輯控制單元分別與氣源監(jiān)控單元、升沉檢測單元連接；另外，系統(tǒng)邏輯控制單元分別與多組張緊機(jī)構(gòu)連接。
[0008]本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種隔水管張緊器的組合式保護(hù)方法，利用上述的組合式保護(hù)系統(tǒng)，按照以下步驟實(shí)施:
[0009]整個保護(hù)系統(tǒng)的控制過程以循環(huán)嵌套方式運(yùn)行，
[0010]首先，外層循環(huán)進(jìn)行“輪詢”檢測，起始時詢問是否緊急切斷隔水管，不進(jìn)行緊急切斷則進(jìn)入內(nèi)層循環(huán)；
[0011]然后，內(nèi)層循環(huán)對各個張緊機(jī)構(gòu)依次進(jìn)行狀態(tài)判斷，比較升沉運(yùn)動加速度a(nh)和液缸活塞加速度a(nl)之間的關(guān)系，以便確定各個張緊機(jī)構(gòu)的實(shí)際監(jiān)控狀態(tài)，a(nh)由升沉檢測單元中的升沉運(yùn)動傳感器檢測，再通過計算得到，a(nl)由線繩式編碼器測得的液缸活塞位移l(n)對時間求二階導(dǎo)數(shù)得到，
[0012]系統(tǒng)對DSP掃描周期進(jìn)行離散化處理，系數(shù)k和q，且k>q，由隔水管張緊器總體設(shè)計參數(shù)確定，具體分為以下幾種情況:
[0013]當(dāng)a(nh)?a(nl)，表明當(dāng)前組張緊機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，繼續(xù)掃描下一組張緊機(jī)構(gòu)；
[0014]當(dāng)a(nl)>k*a(nh)，其中的k*a(nh)表示該組張緊機(jī)構(gòu)液缸活塞運(yùn)動加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆井平臺的升沉運(yùn)動加速度，系統(tǒng)報警并顯示該組張緊機(jī)構(gòu)鋼絲繩發(fā)生斷裂；
[0015]當(dāng)^^(1111)>3(111)>9相(1111)，其中的(1相(1111)表示液缸活塞運(yùn)動加速度與鉆井平臺的升沉運(yùn)動加速度相比在一定的范圍內(nèi)；統(tǒng)計這種情況發(fā)生的數(shù)量，如果超過4組張緊機(jī)構(gòu)，表明發(fā)生了隔水管斷裂，自動執(zhí)行隔水管意外剪斷的保護(hù)措施，獨(dú)立控制單元發(fā)送PWM比例信號控制抗反沖閥舉起隔水管；
[0016]以此類推，狀態(tài)判斷程序塊不斷循環(huán)執(zhí)行，直到發(fā)生了三種情況之一或人為強(qiáng)行中止了程序。
[0017]本發(fā)明的有益效果是，該組合式保護(hù)系統(tǒng)，每一組張緊機(jī)構(gòu)單元均設(shè)計有一個嵌入式電子模塊，作為獨(dú)立控制單元，采用具有高速周期處理速度的數(shù)字信號處理器DSP作為控制元件，每個嵌入式電子模塊都可以獨(dú)立工作并對相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，控制元件數(shù)量按組進(jìn)行自由配置，多組模塊將信號匯總于系統(tǒng)邏輯控制單元，并在操作員主控制臺顯示主要數(shù)據(jù)。另外，本發(fā)明用于隔水管張緊器的狀態(tài)判斷方法，對張緊器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、狀態(tài)判斷和自動保護(hù)，控制系統(tǒng)的智能化水平高，具有很強(qiáng)的靈活性和互換性，充分保證隔水管張緊系統(tǒng)的安全可靠性。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明組合式保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2為本發(fā)明組合式保護(hù)系統(tǒng)中的抗反沖閥I的控制原理簡圖；
[0020]圖3為本發(fā)明組合式保護(hù)系統(tǒng)的控制過程框圖；
[0021 ]圖4為本發(fā)明組合式保護(hù)系統(tǒng)的工作原理框圖；
[0022]圖5為本發(fā)明控制方法進(jìn)行狀態(tài)判斷的流程框圖。
[0023]圖中，1.抗反沖閥，2.位置傳感單元，3.獨(dú)立控制單元，4.配電盤，5.操作員主控制臺，6.系統(tǒng)邏輯控制單元，7.氣源監(jiān)控單元，8.升沉檢測單元，9.壓力傳感器，10.高壓氣瓶組，11.蓄能器，12.液缸，13.張緊機(jī)構(gòu)，14.線繩式編碼器，15.位置傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明以8缸鋼絲繩式隔水管張緊器為控制對象進(jìn)行闡述，在以下描述及相關(guān)附圖中，抗反沖閥I縮寫為ARV[l-8]，位置傳感單元2縮寫為ΤΡΤ[1-8]，獨(dú)立控制單元3縮寫為RCU[l-8]，升沉檢測單元8縮寫為HMU，其中的“[1-8]”為張緊機(jī)構(gòu)序號標(biāo)識，表示隔水管張緊器系統(tǒng)共有8組張緊機(jī)構(gòu)，因此ARV、TPT、R⑶對應(yīng)都是8個;線繩式編碼器14及位置傳感器15也分別對應(yīng)設(shè)置為8個。
[0026]參照圖1，本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)是，包括系統(tǒng)邏輯控制單元6，系統(tǒng)邏輯控制單元6與操作員主控制臺5互相連接，可雙向傳輸數(shù)據(jù)信息，操作員主控制臺5與配電盤4連接;系統(tǒng)邏輯控制單元6分別與氣源監(jiān)控單元7、升沉檢測單元8連接;另外，系統(tǒng)邏輯控制單元6分別與多組張緊機(jī)構(gòu)連接(張緊機(jī)構(gòu)的數(shù)量根據(jù)需要自由配置和相互替換，圖1實(shí)施例顯示為八組張緊機(jī)構(gòu))；每組張緊機(jī)構(gòu)中包括一個獨(dú)立控制單元3，獨(dú)立控制單元3對外與系統(tǒng)邏輯控制單元6互連，獨(dú)立控制單元3對內(nèi)分別與一個抗反沖閥I和一個位置傳感單元2連接；
[0027]每個抗反沖閥I用于檢測并控制本組液缸12與蓄能器11之間的反沖運(yùn)動，由操作員主控制臺5顯示并發(fā)出控制指令開啟或關(guān)閉；
[0028]每個位置傳感單元2包括安裝于液缸12外側(cè)的線繩式編碼器14和抗反沖閥I內(nèi)部的位置傳感器15(即磁致微脈沖位置傳感器)，位置傳感單元2用于檢測本組液缸12的行程以及抗反沖閥I中的閥芯位置狀態(tài)，將位置信號傳入獨(dú)立控制單元3，位置傳感單元2的型號采用本質(zhì)安全型(滿足I區(qū)的防爆要求)，適用于危險區(qū)域；
[0029]每個獨(dú)立控制單元3都安裝在本組張緊機(jī)構(gòu)上，每個獨(dú)立控制單元3對所屬的位置傳感單元2采集的信號進(jìn)行處理，計算液缸活塞和抗反沖閥I閥芯的移動速度和加速度。獨(dú)立控制單元3均采用具有高速周期處理速度的數(shù)字信號處理器DSP作為控制元件(即嵌入式電子模塊)，每個嵌入式電子模塊都可以獨(dú)立工作并對所在相應(yīng)機(jī)構(gòu)(具體是指每一組液缸滑輪張緊裝置)進(jìn)行測試，各個獨(dú)立控制單元3將信號匯總到系統(tǒng)邏輯控制單元6中；
[0030]操作員主控制臺5也設(shè)置在司鉆房內(nèi)，各個張緊器單元的運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)重要參數(shù)實(shí)時顯示于觸摸屏上，對鋼絲繩或隔水管斷裂進(jìn)行報警提示，必要時可進(jìn)行局部測試和維護(hù)。
[0031]獨(dú)立控制單元3(實(shí)施例為八組)是隔水管張緊器保護(hù)裝置的核心部件，每一個獨(dú)立控制單元3及其所屬的張緊器單元都是相互獨(dú)立的。各個獨(dú)立控制單元3形成一個分布式的冗余系統(tǒng)，防止一根鋼絲繩斷開導(dǎo)致的張緊器單元故障。每個獨(dú)立控制單元3包含一個已編程的DSP邏輯控制器和CAN總線接口模塊，組網(wǎng)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，通過CAN連入司鉆房內(nèi)的系統(tǒng)邏輯控制單元6;
[0032]系統(tǒng)邏輯控制單元6接收和分配系統(tǒng)控制信號，并與外界其它系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，通過工業(yè)以太網(wǎng)與操作員主控制臺5進(jìn)行通信。
[0033]配電盤4包含整流二極管等電氣元件，配電盤4負(fù)責(zé)系統(tǒng)的配電。將平臺發(fā)電機(jī)組提供的交流電壓轉(zhuǎn)換為24V直流電壓，用來驅(qū)動下級組件。配電盤4設(shè)置于非防爆區(qū)，遠(yuǎn)離危險區(qū)域，保證系統(tǒng)的安全可靠性。
[0034]氣源監(jiān)控單元7用于將高壓氣瓶組10(氣源)壓力傳入系統(tǒng)邏輯控制單元6，同時由操作員主控制臺5顯示壓力值并發(fā)出控制指令開啟和關(guān)閉高壓氣瓶組10(氣源)開關(guān)閥；
[0035]升沉檢測單元8包括三軸加速度記錄器和兩軸傾角傳感器，各個部件應(yīng)盡可能安裝在鉆井平臺重心附近，采用高精度三軸加速度記錄器和兩軸傾角傳感器來記錄鉆井平臺的升沉運(yùn)動，被記錄的數(shù)據(jù)包括升沉，傾角和轉(zhuǎn)動。升沉檢測單元8用于檢測平臺升沉運(yùn)動，將坐標(biāo)信號經(jīng)系統(tǒng)邏輯控制單元6傳入操作員主控制臺5顯示；
[0036]參照圖2，圖2中實(shí)線表示液壓管線，虛線表示信號導(dǎo)線，每組蓄能器11和液缸12之間的油液流動都必須通過本組的抗反沖閥I，各個抗反沖閥I的結(jié)構(gòu)一致，EC1-EC6是六個電氣控制接口，其中，ECl、EC2、EC3是用于控制電磁閥SVl和電磁閥SV2的開關(guān)電信號，EC4和EC5是用來控制比例電磁閥PVl的開關(guān)電信號，位置傳感器15用于監(jiān)測抗反沖閥I閥芯位置并通過EC6接口傳輸給獨(dú)立控制單元3。
[0037]通過監(jiān)控每組抗反沖閥I的EC1-EC6信號，實(shí)現(xiàn)對每組張緊器的保護(hù)。常規(guī)工況下抗反沖閥I中的閥芯完全打開，蓄能器11和液缸12之間的流量完全不受約束和控制，鋼絲繩意外斷裂將引起活塞快速的加速，形成一個通過抗反沖閥I的高流量率和壓降。當(dāng)達(dá)到觸發(fā)流量率時，抗反沖閥I迅速關(guān)閉，減少流量以限制活塞反沖速度。當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)詢問并判斷得出事故已經(jīng)發(fā)生時，故障所在的抗反沖閥I將由獨(dú)立控制單元3控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉雷o(hù)狀態(tài)，獨(dú)立控制單元3發(fā)送PWM控制信號對抗反沖閥I閥芯進(jìn)行節(jié)流，由控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，抗反沖閥I響應(yīng)位置傳感單元2和升沉檢測單元8傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)流。
[0038]參照圖3，本發(fā)明組合式保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能實(shí)施過程是:
[0039]首先，上電啟動，操作員主控制臺5進(jìn)入主界面，程序讀取距離上次進(jìn)行系統(tǒng)測試的時間，累計達(dá)到30天軟件自動進(jìn)入測試畫面，指導(dǎo)操作者完成必要的系統(tǒng)測試;若沒有達(dá)到30天操作者也可以主動選