DCM船施工钻杆冲洗水泵随机启动器系统的设计

陶 斌

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230）

引 言

DCM施工精度与质量要求较高，DCM钻杆从海底提升至甲板面以上时，携带大量淤泥，这些淤泥需要冲洗设备进行清理[1]。目前，国内外的重型DCM船舶钻杆冲洗仍是用水管进行人工冲洗，船舶水泵进行的启停通过人工控制。其次水泵所处区域船舶设备较多，存在着安全隐患。所以迫切需要一种自动而且准确的随机启动系统，从自动控制方面解决水泵运行不均衡、不充分以及DCM钻杆冲洗不干净的问题。进而保证船舶的正常生产，提高DCM施工效率。

1 系统的组成及工作原理

1.1 系统设计原理

自动程序原理：设定确保DCM钻杆冲洗干净的水流压力，通过压力传感器每隔10 s对实际水流压力进行监测，压力低于DCM钻杆要求的下限值时，随机启动一台水泵启动。水泵的启动是根据随机程序进行随机启动，即每一台水泵的启动都是随机的。若压力高于DCM钻杆冲洗的上限值，则10 s之后自动停止正在运行的任意一台水泵。重型DCM船舶配有3台冲洗水泵，本次设计模拟调试阶段压力下限值为100 kPa，压力上限值为150 kPa。

手动程序原理：自动程序出现异常，或者由于其他外在原因，现场需要进行操作时，将开关设置到手动。自动程序和手动程序相结合，确保施工设备的安全性。重型DCM钻杆结构如图1。

图1 重型DCM钻杆结构示意

1.2 系统设计结构框图

1）随机启动低压增泵流程，如图2所示；随机启动高压减泵流程，如图3所示。

图2 随机启动低压增泵流程

图3 随机启动低压增泵流程

1.3 随机启动低压增泵方案分析

系统开始运行，此时水流压力还未达到DCM钻杆冲洗设备要求的下限值，则进行低压增泵。系统启动之后，对管路中的水流压力进行实时监测，随机启动器系统将根据当前的压力判断是否启动DCM钻杆冲洗水泵。此时，随机启动器将对监测数据和DCM钻杆冲洗要求的压力值进行比较，进行A/D转换之后，若水流压力还是低于设备下限值，随机启动程序启动一台水泵。

1.4 随机启动高压减泵方案分析

高压减泵是在系统运行过程中，对管路中的水流压力进行实时监测，随机启动器将对监测到的压力数值和DCM钻杆冲洗水泵要求的上限值进行不断的比较，根据结果判断是否减少水泵。在数据传送以及比较的过程中，实质上是通过A/D转换进行数据传输，以及中断电路和接口电路之间的协调控制[2]。重型DCM施工船舶结构如图4所示。

图4 重型DCM施工船舶结构

2 冲洗水泵随机启动器系统的仿真设计

2.1 软件模块设计

1）压力传感器的选择

由于DCM船舶施工的精确性和海上施工环境的特殊性[3]，本次设计选择的传感器为MPX4115。其具有温度补偿的作用，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题，其还可以产生高精度模拟输出电压[4]。压力传感器数据采集模块的原理如图5所示。

图5 数据采集模块原理

MPX4115压力传感器在0～85 °C的温度工作范围内显示了典型的、最小的和最大的输出曲线（输出将在指定的压力范围之外饱和），如图6。

图6 MPX4115压力传感器相对压力输入的输出信号

MPX4115压力传感器的转换功能根据公称转换属性可知，具体转换公式为：

重型DCM船舶钻杆冲洗水流压力传感器电气原理如图7所示。

图7 重型DCM船舶钻杆冲洗水流压力传感器电气原理

2）A/D转换模块设计

A/D转换是将时间连续变化的模拟量转换为离散的量化数值的过程[4]。DCM钻杆冲洗水泵随机启动器系统就是将数字信号变成时间不连续的模拟信号进行控制。A/D变换的过程如图8。

图8 A/D转换原理

3）D/A转换模块设计

D/A转换模块的输入包括设备的供电电源、系统数字信号的输入、以及系统的基准参考电压等[5]。通过单片机CPU系统将数字信号输出为模拟信号传输至系统进行执行[6]。DCM钻杆冲洗水泵随机启动器的D/A通道芯片将根据输入的数字信号来切换多路开关以产生对应的输出电流和电压对其进行控制。D/A通道的组成原理如图9。

图9 D/A通道的组成原理

4）振荡电路模块

振荡电路为随机启动系统即单片机CPU各部分的工作提供系统时钟信号。DCM钻杆冲洗水泵随机启动器系统中振荡电路的电容器C1和C2的主要作用是帮助振荡器起振，同时电容器的大小对电路的振荡频率有微调作用，一般的取值为C1=C2=30 pf[7]。振荡电路如图10。

图10 振荡电路模块

2.2 仿真模型

根据单片机控制原理和DCM钻杆冲洗水泵随机启动器系统的要求，本次Proteus系统结构仿真模型如图11所示，本模型主要由A/D转换模块、振荡电路模块、自动复位电路模块和DCM钻杆冲洗水泵驱动电路模块等组成。

图11 系统设计模拟

2.3 仿真结果分析

1）压力为59 kPa，小于DCM钻杆冲洗水泵要求的下限值100 kPa时，水泵的启动顺序如表1所示。

表1 DCM钻杆冲洗水泵启动顺序

通过Proteus仿真可知，当系统监测到压力低于DCM钻杆冲洗水泵要求的下限值时，单片机随机启动系统将会启动水泵。由表中的五种启动运行结果可知，DCM钻杆冲洗水泵的每一次启动都是随机启动，在没有人为干预的情况下，其启动顺序较为理想，每台水泵都进行了运行，使其得到了有效的利用，延长了水泵的使用寿命。

2）在系统运行过程中，根据监测压力的变化，DCM钻杆冲洗水泵的启停情况如表2所示。

表2 监测压力变化引起的DCM钻杆冲洗水泵启停

当水流压力降低至DCM钻杆冲洗设备要求的下限值100 kPa时，DCM钻杆冲洗水泵进行随机启动。在运行过程中，当三台水泵全部启动之后，监测压力高于DCM钻杆冲洗设备要求的上限值时，对水泵进行逐个卸载，同时不断地向DCM钻杆冲洗水泵随机启动器系统进行数据传输。若监测压力低于设备要求的下限值时，则随机启动一台水泵，而当监测压力又高于其上限值时，则随机卸载一台运行的水泵。通过仿真模型可以看出，在系统运行过程中，当监测压力随时变化时，DCM钻杆冲洗水泵随机启动器系统能及时的做出反应，同时根据程序要求能及时的启停水泵。

3）在监测压力情况变化相同时，系统两次启动后，DCM钻杆冲洗水泵的运行情况如表3。

监测压力情况变化相同时，每一次系统的运行，DCM钻杆冲洗水泵的启动顺序都是不同的。同时，根据监测压力的变化，DCM钻杆冲洗水泵严格按照程序的要求进行启停，确保了系统运行的可靠性和及时性，有利于提高施工生产的效率。

表3 系统两次启动的DCM钻杆冲洗水泵运行情况

3 结 语

DCM钻杆冲洗水泵是DCM施工必不可少的设备，DCM钻杆冲洗水泵随机启动器系统对提高DCM的施工效率有重要的意义。在查阅了国内外大量的有关水泵自动控制的文献资料基础之上，介绍了目前DCM钻杆冲洗水泵的使用状况。用Proteus软件进行分析DCM钻杆冲洗水泵的随机启动器系统的运行状况，分析了DCM钻杆冲洗水泵的启停情况。结果表明，系统比较稳定，运行比较可靠，符合DCM钻杆冲洗水泵启停的要求，达到了预期的设计目标，极大提高了DCM施工效率，为下一步的实际运用打下了良好的基础，为其他工业现场设备也提供了可靠的参考价值。