海洋模块钻机、修井机上下底座移动闭环控制技术

张超 （中海石油 （中国）有限公司天津分公司生产部，天津300452）

由于受条件和成本的制约，海洋油气开采的井位只能采取多井位丛式布置。为提高作业效率，要求海洋模块钻机、修井机等作业装备在不拆装的状态下能快捷、安全的整体移动，实现在任意井位的作业。以固定平台模式进行油气开采作业的装备，在钻井、修井作业时变换作业井位是通过海洋模块钻机、修井机上下底座的移动来实现的。底座的移动虽然有滚动和滑动两种，但推动方式都为左右液压油缸分别推动，而且上下底座移动部件的结构和推动方式都基本一致。为保证上下底座移动时的安全和效率，左右液压油缸伸缩的同步至关重要。左右液压油缸伸缩的同步精度、作业的安全性、操作及相关人员数量、对操作人员的熟练程度要求、作业时的心理压力等都与同步方式和控制系统的选择有关。同步控制系统按照控制的基本理论进行划分，可分为开环控制系统和闭环控制系统两类。系统自己不能依靠左右液压油缸伸缩的同步结果对左右液压油缸伸缩的同步进行自动随时修正的控制系统通称为开环控制系统。系统自己能检测左右液压油缸伸缩的同步状态并以此为依据自动对左右液压油缸的同步进行随时修正的控制系统通称为闭环控制系统。开环控制系统和闭环控制系统由于系统具体构成不同，在安全性、性能、操作、效率、系统成本等方面都有很大的差别。

1 常用的开环控制系统

我国海洋模块钻机、修井机上下底座移动常用的液压控制系统都为开环控制系统，都需要其他人员对底座移动的同步状态进行观察与测量，指挥操作人员对底座移动进行控制和对左右油缸的伸缩进行调整，从而实现底座移动。为了实现左右油缸的同步，现有的液压系统也采用液压同步元件组成液压同步控制系统，力争实现同步控制。现有的液压同步系统主要有两种，一种是采用分流集流阀也叫同步阀，它利用2个初始状态下具有一定大小比例的节流口将进口流量按比例分配，同时通过载荷压力反馈的原理来补偿因载荷压力变化而引起的流量变化，它只控制流量按比例分配，不控制流量大小。分流集流阀的主要特点是压力损失大，不适用低压系统。在理想工作条件下的同步精度约为5%左右，另外流量的变化范围也会影响同步精度的稳定性。另一种是使用同步马达，同步马达是用2个等排量的液压马达同轴连接，从而保证其输出流量相同，在理想工作条件下同步马达的同步精度约为2%左右，其自身精度主要受2个马达制造精度的影响。

依靠液压同步阀或液压同步马达组成的普通纯液压同步系统，在移动距离短、精度要求低、中小负载或载荷平衡、左右导轨阻力基本相等、安全风险低的应用场合，完全能满足使用要求。当需要进行长距离的移动控制时，由于本身同步精度低，液压管线布置差异大，尤其是在大载荷和两边载荷不平衡时，误差和积累误差加大。由于液压系统自己没有对同步的实际状态进行检测，更没有利用实际结果对控制进行自动修正，在诸多不利因素的影响下，同步控制效果往往很差，必须依靠人为观察与指挥，通过特殊操作来进行底座移动。

2 先进的闭环控制系统

国外先进的海洋模块钻机、修井机上下底座移动常用的液压控制系统都为电控液闭环控制系统，有些甚至实现了自动控制。应用普通的电控液闭环控制系统进行底座移动作业时，基本上只需要一个人进行全部操作，而且安全、轻松、方便、快捷。应用全自动的电控液闭环控制系统进行底座移动作业，则只需要设置目标位等参数，控制系统就能自动的将上下底座移动到目标位置。

电控液闭环控制系统是利用各种传感器对各种工作状态进行实时采集，由控制系统进行数据分析与对工作状态进行安全分析后，根据工况要求和作业流程，对执行器件实施有效控制。由于采取电控液方式，操作系统与控制系统分开安装，从而保证操作系统轻便、小巧，可在安全位置手持操作。

左右油缸伸缩闭环控制系统的基本原理就是将左右油缸人为的分为主动油缸和跟随油缸，操作人员控制主动油缸的伸缩量与伸缩速度，控制系统对主动油缸的伸缩量与伸缩速度进行检测，然后自动控制跟随油缸的伸缩量与伸缩速度，使其保持与主动油缸的伸缩量和伸缩速度一致。针对上下底座移动部件的特殊结构，系统还必须对油缸插销板的状态进行检测，以实现油缸的正确和自动的往复伸缩。为了安全和自动控制的需要，系统必须对油缸的实际油压进行监测，以保证对作业状态进行综合安全分析。

3 开环控制系统与闭环控制系统的优缺点分析

开环控制系统的优点是组成简单，相对成本较低，系统自身可靠性高。缺点是使用时必须要其他人员协助进行同步状态观察，操作人员根据观察结果对左右驱动进行单独控制。完全靠人的视觉进行同步判断，存在很大的安全风险，因为距离移动体太远时观察的不太准确，距离移动体太近又不安全，也不符合操作规范。另外，当控制系统阀件出现故障加上操作人员疏忽时，则存在更大的安全风险。因此，采用普通纯液压同步系统，必须要其他人员协助观察，操作人员谨慎、缓慢地操作，而且必须有人工作在危险区，才能基本保证完成移动作业。同时，当导轨出现变形、严重锈蚀时，必须先对导轨进行维修与维护，否则不能进行有效作业。

电控液闭环控制系统的缺点是组成相对复杂，相对成本也较高，由于系统自身相对复杂，出现故障的概率增加。优点一是作业时的安全性非常高，因为液压系统和控制系统出现故障对安全性几乎没有影响，在出现事关安全的故障时，控制系统的安全分析程序和安全控制程序会保证系统的安全。比如伸缩控制原则为同步伸缩，液压系统任何造成不同步的故障都会得到有效控制。电控系统在开机时首先进行自检，判断传感器是否正常；在作业时，传感器和控制器出现任何非正常变化，系统的故障分析子系统都会作出相应的安全控制和报警。从人身安全来说，作业人员利用远程操作系统，可在安全区域实现远程操作，可有效避免特殊事故状况下的人身伤害事故。优点二是效率高，操作简单，尤其是带自动控制功能的系统，几乎不需要操作人员的操作技巧，系统对作业极限参数进行了限制，所以，除场地、作业条件限制外的其他安全风险非常小。优点三是对导轨、偏载等的要求大大降低，出现导轨不平、导轨摩擦阻力严重不同、左右载荷严重偏载等情况，系统都能保证正常、安全的作业。控制系统的防爆与防腐技术属通用技术，可得到有效保证。

4 结论

综合以上分析，海洋模块钻机、修井机上下底座移动采用电控液闭环控制系统具有很高的性能价格比，系统成本增加大约在10万元左右，但带来的安全、效率确更有价值，尤其是对导轨变形后，只要不十分严重，使用电控液闭环控制系统完全能正常作业，在这方面可大大降低平台维修与维护费用。

采用先进的控制技术，既是装备制造与改造的发展方向，也是提高效率、降低作业人员的劳动强度、减少作业风险、降低作业成本的有效方法。利用电控液闭环控制系统代替现有的开环控制系统，将给企业带来显著的经济效益和社会效益。