摘 要
本发明公开了隔水管张紧器的组合式智能保护系统。包括：操作员主控制台OMCC、系统逻辑控制单元SLCU、独立控制单元RCU[1-8]、抗反冲阀ARV[1-8]、位置传感单元TPT[1-8]、气源监控单元ACU、升沉运动单元HMU、配电盘EEB。每一组张紧机构单元都设计有一个嵌入式电子模块，即独立控制单元RCU，采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为控制元件，控制单元RCU数量可以按组进行自由配置和相互替换，多组模块将信号汇总于系统逻辑控制单元SLCU，并在操作员主控制台OMCC显示重要数据，某一个RCU或上位机发生故障时，其余控制单元可以自动组网，保障系统网络不中断，张紧器不停机作业，具有很强的灵活性和互换性，充分保证隔水管张紧系统的安全可靠性。本发明公开了隔水管张紧器状态判断算法,对张紧器进行实时监控、状态判断和自动保护，并可以定期提示操作员进行必要的维护和测试。
1 背景技术
隔水管张紧器是重要的海洋油气钻采装备，用于海洋浮式钻井平台上增强隔水管系统抵御风浪的能力，张紧系统是否可靠是海洋油气钻采能否顺利进行的关键。目前，隔水管张紧器主要分为钢丝绳式和液缸式。本发明以8缸钢丝绳式隔水管张紧器为控制对象进行阐述。
隔水管张紧器通常都是按组成对配置，在平台上彼此之间呈对角对称布局。隔水管张紧器系统存储有巨大的能量，当事故发生时，存储在张紧系统中的高能量需要快速释放，避免对张紧系统、其它机械设备、人员等造成危害，这就要求张紧系统必须配备具有超高安全可靠性和自动判断、快速响应能力的保护装置，传统做法普遍局限于液压和机械式保护，自动控制系统参与度不够高，所有张紧机构单元的控制信号集中于一处监控，下端每一个张紧机构单元都依赖与集成控制台，当集成控制台发生故障或需要调整系统配置时，控制系统将不能起到有效的保护作用，需要停机做大量整改，影响生产作业甚至导致重大损失，并且不便于进行局部测试和维护，安全可靠性、系统灵活性和智能化水平都有待提升。
2 发明内容
本发明解决了现有技术中隔水管张紧器控制系统自动保护功能较少、冗余度低、布线复杂、扩展性差、智能化水平低等问题。本发明设计了一种分组式智能保护系统，每一组张紧机构单元均设计有一个嵌入式电子模块，作为独立控制单元，采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为控制元件，每个嵌入式电子模块都可以独立工作并对相应机构进行测试，控制单元数量可以按组进行自由配置，多组模块将信号汇总于系统逻辑控制单元，并在操作员主控制台显示重要数据。本发明公开了保护系统中的隔水管张紧器状态判断算法，对张紧器进行实时监控、状态判断和自动保护。控制系统的智能化水平高，具有很强的灵活性和互换性，充分保证隔水管张紧系统的安全可靠性。
本发明所采用的技术方案是：操作员主控制台OMCC（5）与系统逻辑控制单元SLCU（6）相连，可双向传输数据信息；系统逻辑控制单元SLCU（6）还分别与独立控制单元RCU（3）、气源监控单元ACU（7）、升沉运动单元HMU（8）相连；独立控制单元RCU（3）分别采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为控制元件，每个嵌入式电子模块都可以独立工作并对相应机构进行测试，控制单元数量可以按组进行自由配置和相互替换，多组模块将信号汇总于系统逻辑控制单元SLCU（6）；抗反冲阀ARV（1）检测并控制液缸与蓄能器之间的反冲运动，由操作员主控制台OMCC（5）显示并发出控制指令开启或关闭；位置传感单元TPT（2）检测液缸行程和抗反冲阀主阀位置，将位置信号传入独立控制单元RCU（3）；气源监控单元ACU（7）将气源压力传入系统逻辑控制单元SLCU（6），同时由操作员主控制台OMCC（5）显示压力值并发出控制指令开启和关闭气源开关阀；升沉运动单元HMU（8）检测平台升沉运动，将坐标信号经系统逻辑控制单元SLCU（6）传入操作员主控制台OMCC（5）显示；配电盘EEB（4）负责系统配电。
如图1所示，本发明的隔水管张紧器的组合式智能保护系统，包括：操作员主控制台OMCC（5）、系统逻辑控制单元SLCU（6）、独立控制单元RCU（3）、抗反冲阀ARV（1）、位置传感单元TPT（2）、气源监控单元ACU（7）、升沉运动单元HMU（8）、配电盘EEB（4）。
独立控制单元RCU（3）[1-8]是隔水管张紧器保护装置的核心部件，每一个RCU（3）和相应张紧器单元都是相互独立的。多个RCU（3）形成一个分布式的冗余系统，防止一根钢丝绳断开导致的张紧器系统故障。每个RCU（3）包含一个已编程的DSP逻辑控制器和CAN总线接口模块，组网灵活，扩展性强。每一个RCU（3）都安装在相应张紧机构附近，通过CAN连入司钻房内的系统逻辑控制单元SLCU（6），SLCU（6）接收和分配系统控制信号，并可以与外界其它系统进行信息交换，通过工业以太网与OMCC（5）进行通信。OMCC（5）也设置在司钻房内，张紧器的运行状态和各项重要参数实时显示于触摸屏上，对钢丝绳或隔水管断裂进行报警提示，必要时可进行局部测试和维护。
如图2所示，控制系统通过监控抗反冲阀ARV（1）[1-8]对张紧机构执行保护，EC1-EC6是ARV（1）的电气控制接口，EC1、EC2、EC3是发送给电磁阀SV1和SV2的开关电信号，EC4和EC5用来控制比例电磁阀PV1，线性位移传感器LPT[1-8]监测主阀位置并通过EC6接口报告给RCU（3）。蓄能器和液缸之间的油液流动都必须通过ARV（1），ARV（1）具有多种工作状态，如图3所示，控制系统通过监控EC1-EC6完成一系列保护措施，常规工况下主阀完全打开，蓄能器和液缸之间的流量完全不受约束和控制，钢丝绳意外断裂将引起活塞快速的加速，形成一个通过主阀的高流量率和压降。当达到触发流量率时，主阀迅速关闭，减少流量以限制活塞反冲速度。当保护系统询问并判断得出事故已经发生时，ARV（1）将由RCU（3）设置为防护状态，RCU（3）发送PWM控制信号对ARV（1）主阀进行节流，由控制算法进行调节，主阀节流响应位置传感单元TPT（2）和升沉运动单元HMU（8）传来的数据。
位置传感单元TPT（2）包括安装于反冲液缸外侧的线绳式编码器和抗反冲阀内部的磁致微脉冲位移传感器LPT。RCU（3）系统将处理 TPT（2）信号，计算液缸活塞和主阀阀芯的速度和加速度。TPT（2）是本质安全型的，适用于危险区域。
升沉运动单元HMU（8）使用高精度三轴加速度记录器和两轴倾角传感器来记录钻井平台的升沉运动。被记录的数据包括升沉，倾角和转动。HMU（8）应尽可能安装在钻井平台重心附近。
配电盘EEB（4）放置于非防爆区,远离危险区域，保证系统的安全可靠性。包含整流二极管等电气元件，将平台发电机组提供的交流电压转换为24V直流电压，用来驱动下级组件。
本发明的作用是：隔水管张紧器的组合式智能保护系统，每一组张紧机构均设计有一个嵌入式电子模块，即独立控制单元RCU（3），采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为控制元件，每个嵌入式电子模块都可以独立工作并对相应机构进行测试，RCU控制单元数量可以按组进行自由配置和相互替换，多组模块将信号汇总于系统逻辑控制单元SLCU（6），并在操作员主控制台OMCC（5）显示重要数据。隔水管张紧器的组合式智能保护系统，公开了保护装置中的隔水管张紧器状态判断算法，对张紧器进行实时监控、状态判断和自动保护，并定期提示操作员进行必要的维护和测试。某一个独立控制单元或主控台故障，其余控制单元可以自动组网，保障张紧器不停机作业，具有很强的灵活性和互换性，充分保证隔水管张紧系统的安全可靠性。
3 附图说明
图1为本发明的系统组成方框图。
图2为ARV原理图。
图3为ARV控制逻辑图
图4为系统功能模块框图
图5为本发明的实施流程示意框图。
图6为状态判断算法流程图。
图中，1—抗反冲阀ARV[1-8]、2—位置传感单元TPT[1-8]、3—独立控制单元RCU[1-8]、4—配电盘EEB、5—操作员主控制台OMCC、6—系统逻辑控制单元SLCU、7—气源监控单元ACU、8—升沉运动单元HMU。
图中，“[1-8]”表示张紧机构标识，本专利所述隔水管张紧器系统共有8个张紧机构，因此RCU、ARV、TPT都是8套，其中TPT包含线绳式编码器和磁致位置传感器LPT各8个，专利阐述中部分内容省略了标识。
4 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图4，本发明的系统功能实施方式包括：上电启动后OMCC（5）进入主界面，程序读取距离上次进行系统测试的时间，累计达到30天软件自动进入测试画面，指导操作者完成必要的系统测试。没有达到30天操作者也可以主动选择测试。状态总览将8个张紧器液缸和钢丝绳的位移，以及平台升沉位移以棒图的形式实时显示在OMCC（5）上，该界面设计为仅做显示的监测画面，张紧器液压缸活塞行程和钢丝绳伸缩量均以英寸为单位。液压缸活塞行程由线绳式编码器测得，钢丝绳伸缩量经程序计算得到。平台的升沉信号由升沉运动单元HMU（8）采集而来。反冲阀监控功能完成抗反冲阀ARV（1）的状态监测和控制。RCU（3）发送3路开关量信号（图2中的EC1、EC2、EC2）选择抗反冲阀ARV（1）的工作模式。气源监控功能接收压力变送器模拟量信号和发送开关量控制信号完成气源压力检测和开启关闭气源阀。液缸位置曲线由线绳式编码器测得液缸行程，以X轴为时间轴，Y轴记录每个液缸活塞的行程，随时间推移形成若干动态曲线。钢丝绳维护以国际上通常使用的吨/循环（TON/CYCLE）方法作为钢丝绳切断换新的依据。钢丝绳累积吨/循环数接近极限值时，OMCC（5）提醒操作者需要更换钢丝绳。位置传感器校准用来校准安装在8个液缸上的线绳式编码器。保护系统记录所有的报警信息和历史数据，便于操作者查看和分析。
如图5，隔水管张紧器的组合式智能保护系统的具体运作方式是，独立控制单元RCU（3）和系统逻辑控制单元SLCU（6）在主控制器CPU的每个脉冲周期，都将询问张紧器活塞位置和升沉运动单元，处理信号以判断系统状态。线绳式编码器检测液缸活塞行程，并以曲线的形式实时显示于OMCC（5）上，曲线随时间推移实时更新；RCU（3）检测并控制液缸与蓄能器之间抗反冲阀ARV（1），内置的位移传感器LPT将主阀闭合度传入SLCU（6），同时由OMCC（5）显示并发出控制指令开启或关闭抗反冲阀，或使抗反冲阀处于比例控制模式，实现液缸速度控制；气源监控单元ACU（7）将气源压力传入逻辑控制单元SLCU（6），同时由操作员主控制台OMCC（5）显示压力值并发出控制指令开启和关闭气源开关阀；升沉运动单元HMU（8）检测平台升沉运动，将坐标信号经逻辑控制单元SLCU（6）传入OMCC（5）显示。
保护系统进行状态判断的具体实施方法是，张紧器事故工况及应对措施包含有：①钢丝绳断裂：由于超过使用寿命、疲劳、腐蚀或者高于钢丝绳断裂强度的拉力而造成钢丝绳个别断裂，立即自动关闭相应张紧机构更换钢丝绳。②隔水管紧急切断：由于动力定位控制系统故障、风暴或者操作人员失误，造成钻井平台偏移超过允许的警戒范围。当超过警戒范围时，一系列的报警校正装置需要立即启动。如果校正装置不能及时启动或者不足以校正偏移，操作员必须执行紧急切断隔水管。③隔水管意外断裂：隔水管疲劳或者其紧固件损坏而导致隔水管最终断裂，位于隔水管、水下防喷器中的任何一个连接都有可能发生故障。当某一个张紧机构的反冲液缸活塞的速度和加速度与钻井平台升沉速度和加速度相比较得出的偏差超过预设RCU（3）的界限值时，相应RCU（3）将发送报告给SLCU（6），SLCU（6）立即询问其它所有的RCU（3），判断出钢丝绳或隔水管断裂等工况。如果多于4个RCU（3）测出偏差均高于预设值，证明隔水管发生断裂。如果没有其它RCU（3）从活塞和钻井平台运动中得出超量偏差，那么SLCU（6）判断出是超量偏差发生处的钢丝绳发生了断裂，启动局部保护即可，而不用保护器整个系统，发生故障的张紧机构中ARV（1）中产生的压力降使得ARV（1）自动关闭。这时OMCC（5）将会接收到一个信号，点亮警示灯并发出警报指示，指出是哪一个张紧器发生了钢丝绳断裂，其它所有的张紧器则继续正常运转。
如图6，张紧器状态判断算法的程序流程是，保护系统对8个张紧机构“轮询”检测，比较升沉运动加速度a(nh)和液压缸活塞加速度a(nl)之间的关系确定系统状态。a(nh)由升沉运动传感器HMU检测并计算得到，a(nl)由线绳式编码器测得的位移l(n)对时间求二阶导数得出，软件对DSP扫描周期进行离散化处理进行计算。加速度前的系数k和q（k>q）由隔水管张紧器总体设计参数确定。当a(nh)≈a(nl)，表明第N个张紧机构正常运行，继续扫描下一个张紧机构；当a(nl)>k*a(nh)，张紧机构活塞的加速不依赖于钻井平台的运动，并且远远大于升沉运动加速度，系统报警并显示第N个张紧机构钢丝绳发生断裂；当计算结果为k*a(nh)>a(nl)>q*a(nh)，统计这种情况发生的数量，如果超过4个张紧机构，表明发生了隔水管断裂，自动执行隔水管意外剪断的保护措施，RCU（3）发送PWM比例信号控制ARV（1）举起隔水管。状态判断程序块不断循环执行，直到发生了三种情况之一或人为强行中止了程序。
以上所述为本发明应用于8缸张紧机构的实例，张紧机构数量不限制本发明，凡在本发明原理和实施方法之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。