[发明专利]一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋石油工程技术领域，特别是涉及一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法。

背景技术

目前，在海洋石油开采由近海向深海转移的背景下，海底管线的铺设作为海洋油气建设的重要组成部分，管线铺设设备的恒张力控制起到尤其重要的作用。当工程船进行海底管线铺设时，工程船的运动状态以及铺设在海中管线受海流的作用，管线所受的张力处于不断变化，当张力值超出管线所承受的张力时，管线将产生断裂。为使管线所受的张力处于一个平稳状态，所进行施工的装备必须保证铺设管线的恒张力状态。

海底管线铺设装备的控制系统设计中由于海洋工况的复杂性，铺设的管线所受的张力为非线性，数学模型的不确定性，经过试验，采用单回路的PID控制系统达不到理想的控制效果。其闭环控制框图如附录图3所示，此时管线所受的张力曲线如图4所示。从图4可以看出，装备工作时管线所受的张力基本能稳定在给定值。但是还不够平滑，每当有扰动时冲击较大，控制精度不好。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法。

本发明的目的之一是提供一种结构简单、响应迅速、超调量小、平稳时间短，保证铺设管理的张力稳定，对不同的给定值适应性强等特点的海底管线铺设装备的恒张力控制装置。

本发明提出的海底管线铺设装备的恒张力控制系统，由控制器模块、测力测速模块、驱动模块构成。其中控制器模块由PLC与触摸屏组成；测力测速模块包含了张力传感器与速度传感器，测量值接入控制器模块中PLC的输入端；驱动模块为变频器和变频电机，通过现场总线通讯控制器模块控制变频器的输出，实现控制系统对驱动模块的调整控制。

本发明设计了一种海底管线铺设装备的恒张力控制系统，该系统：

（1）具有轴销式测力传感器，对铺设管线进行张力检测；

（2）具有测速编码器，通过对驱动变频电机的速度检测，计算出管线的铺设速度；

（3）具有[w1] 调节功能，通过设定管线张力值，进行静态前馈控制运算值（A）；通过检测管线张力的测力传感器与设定铺设张力值的差值，进行控制运算值（B）；和通过测速编码器检测出的铺设速度值，进行控制运算值（C）；将这三个运算值迭加后输送给变频器驱动变频电机。

对于上述控制系统，采用的控制方法为：

（1）对装备进行静态标定检测；通过对装备的[w2] 进行多点标定，得出装备的固有机械损失数据，然后对所得数据与工作张力的对应函数曲线进行拟合计算处理，获得静态前馈的补偿信号的整定参数值                                                。

（2）通过对张力控制作为主回路调节器采用PI控制算法，对速度控制作为副回路调节器采用P控制算法。

（3）采用逐步逼近法对控制系统的主、副回路调节器进行整定，求得的主、副回路调节器参数值，，将由主、副回路调节器后的运算值与经过静态前馈调节器运算值迭加后输送给变频器，再由变频器驱动变频电机实现装备铺设管线时保持恒定张力。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置，其特点是：恒张力控制装置包括控制器模块、测力测速模块、驱动模块；控制器模块包括PLC与触摸屏，测力测速模块包括张力传感器与速度传感器，张力传感器和速度传感器测连接控制器模块中PLC的输入端；驱动模块有变频器和变频电机，通过现场总线通讯控制器模块控制变频器的输出；测力测速模块与控制器模块构成静态前馈-串级反馈控制调节结构，张力传感器和速度传感器连接控制器，控制器调整控制驱动模块。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述的一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法，其特点是：张力传感器为检测铺设管线张力的轴销式测力传感器。

所述的一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法，其特点是：速度传感器为检测驱动变频电机的速度的测速编码器。

本发明的目的之二是提供一种响应迅速、超调量小、平稳时间短，能有效改善海底管线铺设时所受张力的平滑性，较好的自适应能力等特点的海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法。

本发明海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法的技术方案：

海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法，包括以下步骤：