陸 健，沈 煒

（南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇南通 226003）

0 引言

升降機(jī)構(gòu)是自升式升降平臺(tái)的主要組成部分之一，升降系統(tǒng)的可靠性是平臺(tái)順利實(shí)現(xiàn)升降的保證。研究升降系統(tǒng)，對(duì)提高平臺(tái)的整體安全性能、提高海上作業(yè)效率、避免危害性事故等有著非常重要的作用[1]。

本文研究的平臺(tái)為鋼質(zhì)四樁腿自升式海洋平臺(tái)，海洋平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)為液壓環(huán)梁插銷式升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)安裝在樁腿和平臺(tái)主體的交接處，可使樁腿和平臺(tái)主體作上下相對(duì)運(yùn)動(dòng)。插銷裝置可使樁腿和平臺(tái)主體相對(duì)固定。海洋平臺(tái)的 4根帶樁靴的樁腿站立在水底的底層上，把平臺(tái)托離水面，使平臺(tái)在施工時(shí)不受海流及波浪的影響，從而使海上作業(yè)在穩(wěn)定的工作平臺(tái)上展開(kāi)[2]。

平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)4根樁腿的單獨(dú)控制和協(xié)同控制。系統(tǒng)選用PLC作為控制器，在各個(gè)升降樁腿配置從站，以觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話操作界面。系統(tǒng)使用以太網(wǎng)，在中央控制臺(tái)配置工控機(jī)，通過(guò)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。平臺(tái)和樁腿的升降可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可對(duì)升降全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

1 升降機(jī)構(gòu)介紹

自升式海洋平臺(tái)液壓升降機(jī)構(gòu)由 1套獨(dú)立的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，其能夠克服泥土、砂石等帶來(lái)的阻力和升降平臺(tái)自身的重力，將樁腿插入/拔出海床以及實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的上升和下降。

液壓升降機(jī)構(gòu)分別安裝在平臺(tái)的 4個(gè)角上，每套升降機(jī)構(gòu)由樁腿、上環(huán)梁、插銷機(jī)構(gòu)、主油缸和下環(huán)梁等組成[3]。上環(huán)梁固定在平臺(tái)上，下環(huán)梁為動(dòng)環(huán)梁，通過(guò)上下兩組插銷機(jī)構(gòu)交替伸縮，配合主油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)樁腿下放、平臺(tái)上升、平臺(tái)下降和拔樁4個(gè)過(guò)程。插銷機(jī)構(gòu)主要由插銷、插銷油缸、進(jìn)到位水平限位開(kāi)關(guān)和退到位水平限位開(kāi)關(guān)組成。主油缸上安裝位移傳感器和限位開(kāi)關(guān)。升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制與實(shí)現(xiàn)

2.1 升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作分析

液壓升級(jí)機(jī)構(gòu)控制主要研究的問(wèn)題是通過(guò)研究上、下環(huán)梁與對(duì)應(yīng)插銷輪番插入和脫開(kāi)及升降油缸的伸縮的動(dòng)作原理設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)放樁、平臺(tái)舉升、平臺(tái)下降、拔樁等功能[4]。

1）放樁。此時(shí)平臺(tái)處于漂浮狀態(tài)，放樁過(guò)程裝置受力為樁腿的重力。主油缸縮回，下面的動(dòng)銷插入樁腿，上面的定銷拔出，主油缸伸出，使樁腿下放，通過(guò)安裝在主油缸上的位移傳感器檢測(cè)行程，當(dāng)行程為1 400 mm時(shí)，定銷伸出，定銷在樁腿表面滑行，當(dāng)形成為1 500 mm（樁腿節(jié)孔距離）時(shí)，定銷插入樁腿，樁腿停止下放，拔出動(dòng)銷，主油缸空行程縮回1 500 mm時(shí)再插入動(dòng)銷拔出定銷，重復(fù)以上過(guò)程使樁腿自動(dòng)下放。

2）平臺(tái)上升。此時(shí)平臺(tái)處于上升狀態(tài)，吃水變淺直至離開(kāi)水面達(dá)到工作位置，平臺(tái)上升過(guò)程裝置受力為平臺(tái)的重力。主油缸縮回，下面的動(dòng)銷插入樁腿，上面的定銷拔出，主油缸伸出，通過(guò)樁腿和平臺(tái)的相對(duì)作用使平臺(tái)上升，通過(guò)安裝在主油缸上的位移傳感器檢測(cè)行程，當(dāng)行程為1 400 mm時(shí)，定銷伸出，定銷在樁腿表面滑行，當(dāng)行程為1 500 mm時(shí)，定銷插入樁腿，停止動(dòng)作，拔出動(dòng)銷，主油缸空行程縮回1 500 mm時(shí)再插入動(dòng)銷拔出定銷，重復(fù)以上過(guò)程使平臺(tái)上升到預(yù)定的工作位置。

平臺(tái)下降和拔樁的動(dòng)作分析與以上分析類似。

2.2 平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)上、下插銷交替動(dòng)作的分析

上、下插銷正常交替動(dòng)作，平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)重力負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，是升降機(jī)構(gòu)控制的關(guān)鍵。

放樁時(shí)，因?yàn)殇N子所受的力為樁腿的自重，所以銷子的上壁面為受力面。定銷轉(zhuǎn)動(dòng)銷時(shí)，升降油缸要微縮，以便于定銷拔出；動(dòng)銷轉(zhuǎn)定銷時(shí)，升降油缸要微伸，以便于動(dòng)銷拔出。

由上述分析可知：順利實(shí)現(xiàn)上、下插銷交替動(dòng)作的關(guān)鍵是在上、下插銷轉(zhuǎn)換時(shí)控制升降油缸的微伸或微縮。在升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中，由電液比例控制閥組成的比例控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)升降油缸的微伸或微縮。電液比例控制系統(tǒng)是指使用比例控制元件的液壓控制系統(tǒng)。比例控制元件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸出與輸入之間對(duì)應(yīng)線性關(guān)系的部件，通過(guò)比例控制輸入量來(lái)確定輸出量的大小，使輸出量按確定的比例隨輸入量的變化而變化。液壓比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 液壓比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電液比例閥以液壓控制閥為基礎(chǔ)，使用電能驅(qū)動(dòng)機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥芯的位移信號(hào)，按輸入電信號(hào)指令連續(xù)成比例地控制液壓系統(tǒng)。圖2中，位移傳感器檢測(cè)上、下插銷相對(duì)的位置信號(hào)，同時(shí)把位置信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并反饋給控制系統(tǒng)，該反饋信號(hào)與輸入指令信號(hào)進(jìn)行比較后，可用于控制電液比例閥的電磁鐵，從而控制閥的開(kāi)口大小，調(diào)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)升降油缸的控制[5]。

當(dāng)上、下插銷需要交替動(dòng)作同時(shí)轉(zhuǎn)換上、下插銷所承受的負(fù)荷力時(shí)，液壓缸內(nèi)安裝的位移傳感器采集油缸活塞桿的運(yùn)行位置信息并實(shí)時(shí)反饋給 PLC，通過(guò)PLC內(nèi)部算法運(yùn)算，將控制指令發(fā)送給控制油缸微伸或微縮的電液比例閥，通過(guò)電液比例閥閥芯移動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)上、下插銷交替動(dòng)作控制。該液壓控制回路通過(guò)PLC對(duì)閥芯位移實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.3 升降機(jī)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)工作原理，設(shè)計(jì)人機(jī)操作畫(huà)面。對(duì)人機(jī)交互操作畫(huà)面的主要要求是：能顯示平臺(tái)的狀態(tài)、能比較方便地操作按鈕、能切換平臺(tái)操作模式、能監(jiān)控控制系統(tǒng)參數(shù)等。本文以“華電 1001”海上自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)液壓升降機(jī)構(gòu)的控制為研究對(duì)象，選用施耐德Premium TSX P572634M型PLC作為升降機(jī)構(gòu)主控制器，配TSXCPP110模塊用于接收平臺(tái)的縱橫傾傳感器傾斜信號(hào)，通過(guò)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)和樁腿升降的控制和監(jiān)控，并配備施耐德XBTGT觸摸屏用作人機(jī)對(duì)話操作界面。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的樁邊控制畫(huà)面如圖3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以自升式海洋平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分析了升降機(jī)構(gòu)的工作原理和控制難點(diǎn)，并提出對(duì)應(yīng)的解決方案。該升降機(jī)構(gòu)使用基于以太網(wǎng)總線的 PLC系統(tǒng)，人機(jī)開(kāi)發(fā)界面操作簡(jiǎn)單，能很好地滿足控制要求。本文的分析和研究可為類似的海洋平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)提供借鑒，具有一定的參考價(jià)值。

圖3 樁邊控制畫(huà)面