CN105731284A - 深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，变频驱动系统驱动卷筒对脐带缆进行收放；根据卷筒主轴上的卷筒编码器对卷筒位置的检测结果，伺服驱动系统驱动排绳器的丝杆随着卷筒转动在单层匝数的范围内往复运动；排绳器的导轮上连接有排绳器编码器，对脐带缆的长度、速度进行检测；在排绳器的导轮轴上连接有张力传感器对脐带缆张力值进行检测。本发明实现对卷筒及排绳器的主从同步双闭环运动控制，能够随脐带缆的铺设距离延长、水深增加和海浪海流等条件的变化，自适应进行调速、张力调节、变节距自动排缆，确保脐带缆运行中不折不断，满足深海脐带缆安装和工作时的复杂要求。

Description

深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统

技术领域

本发明适用于海上油气田开发和海洋工程装备与技术领域，特别涉及一种深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统。

背景技术

随着海上油气田开发水深的增加及海洋工程的不断发展，水下生产系统以其显著的技术优势、可观的经济效益成为该领域内研究热点并得到广泛应用。但是我国深水油气田开发起步晚，水下生产系统缺乏技术支持，这一现状制约了我国深海油气资源的开发。

脐带缆作为水下生产系统的关键设备之一，是连接水下生产设备与目标船上监控设备的神经-生命线。脐带缆通过设置的电源线、数据线、光缆、水气管、保护层及浮力层等，为水下生产设备提供生命支持系统、传输动力电源及控制信号，确保水下生产设备能够满足作业时间、作业深度和作业程序的要求。

绞车是在脐带缆存储、制造、运输及工作中的关键设备，能够根据水下生产设备作业的深度变化，实时对脐带缆进行收放。为了保证收放的脐带缆不被折弯或拉断，特别是在收缆过程中，必须确保将脐带缆整齐有序地排列在绞车的滚筒上，避免脐带缆因乱层相互挤压而导致无法放缆；同时，还要确保其不能承受过大的拉力，避免超负荷拉力导致脐带缆断裂。绞车类型有电动式、气动式和液压式，卷筒数量有单卷筒、双卷筒和三卷筒。电动绞车由三相异步电动机驱动，通过减速器、液力偶合器或行星差速器等进行调速；气动绞车由气动马达通过减速器驱动；液压绞车由液压马达驱动，通过液压马达进行调速。

在绞车上排列了多层脐带缆时，若不采取排缆措施会出现乱卷现象，会缩短脐带缆寿命，影响绞车正常工作。为此，设置有排缆机构，其在绞车工作中能够有效避免脐带缆乱卷、互相挤压现象，对于保证绞车正常运转起到关键作用。排缆机构有凸轮式、丝杠式和液压缸式，凸轮排缆机构通过盘形梅花凸轮转动来推动排缆杆往复运动进行排缆，因凸轮轮廓与从动件之间为点线接触，容易磨损，不能用于受力较大的场合。丝杠排缆机构由丝杠、排缆架和行程开关构成，传动比标准，但丝杠加工困难，若螺距过小，缆密度系数高，轴向张力和径向压力过大，使工字轮发生变形；若螺距过大，排缆往复频繁，影响换向机构的可靠性和寿命，响应较慢，易出现马鞍形。液压排缆机构是排缆架在双出杆液压缸的活塞推动下双向运动，由行程限位开关进行换向，可实现无级调速，适用范围大，但结构复杂，占用空间大。机械式排缆机构一旦做成，只能适应固定直径的脐带缆，无法满足脐带缆直径变化。

脐带缆通常包含电缆、光缆、软管、管道，外面设有护套和铠装，缆芯内的空隙以填充物填满，缆芯、铠装和护套之间分别用包带隔离。脐带缆的结构特点在于，其是一种多功能单元，多层次构件螺旋缠绕复合的结构，各单元相互非粘结接触，存在摩擦与磨损。这就对绞车及其排缆机构产生了特殊要求，电动、气动或液压式绞车及机械式的排缆机构都不能满足脐带缆工作要求。

脐带缆的结构及其工作环境复杂，绞车收放脐带缆时，脐带缆受很大的张力，易被折断，这要求对脐带缆有更高的保护措施，要求绞车的调速和张力调节能力高；要求排缆机构适应卷筒上各层脐带缆张力变化，保证脐带缆层间和缆间排列精确，且不发生相对滑动。收放时脐带缆受到的张力，会随着脐带缆的长度、海况等条件变化。缠绕在绞车卷筒上的脐带缆不但有很大的径向力，还由于卷筒上各层脐带缆的张力不同，有时会内层松外层紧，造成层间混乱和脐带缆间的相对滑动，这将降低脐带缆使用寿命，造成脐带缆损坏。

随着深海油气开采的不断发展，脐带缆的应用也越来越多，脐带缆的铺设距离更长、应用范围扩大到超深水。由于水下设备的作业深度和作业程度不同，这些脐带缆的长度短则几百米，长则几千上万米，不同设备脐带缆的粗细也不同。随着脐带缆的铺设距离延长、水深增加和海浪海流等条件的变化，深海脐带缆会承受更大的静水压力和复杂的海洋环境浪流作用载荷，脐带缆受力更加复杂，容易发生侧向位移失稳而导致脐带缆破坏，对脐带缆的安装和运行带来一定的困难。并且，水深增加导致动态脐带缆顶张力增大，通过布置不同浮力块来缓冲其顶部压力会影响脐带缆的整体构型；即使在优化浮力块布置方式的基础上，仍需要高性能变频驱动的恒张力自适应控制技术来补偿脐带缆顶张力变化的影响。而因海浪、海流、水深等条件的变化，绞车的负载也在不断变化，驱动力矩范围变化大，这对绞车稳定运行干扰太大，因而必须能够对绞车的收放速度和张力进行调节。

然而，该领域亟需一种能够解决上述技术问题的恒张力自适应控制的绞车伺服排缆的控制系统，来完善保护脐带缆。

发明内容

针对深海脐带缆在安装和运行中面临的诸多挑战，本发明的目的在于解决深海脐带缆绞车及排缆系统的技术难点，填补深海脐带缆应用技术上的空白，通过提供一种深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，来满足脐带缆安装和工作的复杂要求，对提升海洋工程装备及技术水平，提高水下油气资源生产系统的可靠性和经济效益具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其中：

从排绳器设置的多个导轮之间穿过的脐带缆绕到绞车的卷筒上；

变频驱动系统设置的变频器驱动与之连接的卷筒电机转动，进而驱动卷筒对脐带缆进行收放；

伺服驱动系统设置的伺服电机驱动与之连接的排绳器的丝杆，使丝杆追随着卷筒的转动在单层匝数的范围内来回摆动，卷筒主轴每转动一匝时排绳器移动一个排线间距，并且在排绳器从单层匝数的一侧移动到另一侧进行脐带缆排线，以及再从另一侧反向移动回到前一侧而使脐带缆换层排线的过程中，使脐带缆与卷筒的面保持一定的角度；

其中，所述卷筒的主轴上连接有卷筒编码器，将其对卷筒的位置进行检测的结果，输出给与该卷筒编码器信号连接的CPU/运动控制器；

所述排绳器的导轮上连接有排绳器编码器，将其对脐带缆的长度、速度进行检测的结果，输出给与该排绳器编码器信号连接的所述CPU/运动控制器，使所述CPU/运动控制器对各编码器检测的结果进行处理，向变频驱动系统及伺服驱动系统输出用来对卷筒及排绳器进行主从双闭环运动控制的指令。

优选地，所述卷筒与排绳器通过电子凸轮进行同步联动，或者所述卷筒和排绳器通过各自设置的手柄进行单独操作。

优选地，在排绳器的导轮轴上连接有张力传感器，将其对脐带缆张力值进行检测的结果，输出至与该张力传感器信号连接的所述CPU/运动控制器，从而在所述卷筒与排绳器通过电子凸轮进行同步联动时，由所述CPU/运动控制器根据张力传感器检测的结果进行判断，相应地向卷筒及排绳器输出如下的指令：

在根据张力传感器的检测结果判断脐带缆张力值没有超出设定范围时，输出驱使卷筒与排绳器保持凸轮同步状态的指令；

在根据张力传感器的检测结果判断脐带缆张力值超出设定范围时，输出驱动绞车进行收缆或放缆，来调整脐带缆张力值至设定范围内的指令。

优选地，在所述卷筒与排绳器通过电子凸轮进行同步联动时，所述CPU/运动控制器根据各编码器检测的结果进行判断，相应地向卷筒及排绳器输出如下的指令：

在根据各编码器检测的结果判断排绳器没有到达换向位置时，输出驱使排绳器在原方向上与卷筒保持同步状态的指令；

在根据各编码器检测的结果判断排绳器到达换向位置时，输出驱使排绳器更换方向并与卷筒反方向保持同步状态的指令。

优选地，在绞车的带式制动器上连接有接近开关，其对带式制动器的刹车带处在打开或关闭的状态进行检测，并向与该接近开关信号连接的CPU/运动控制器输出检测的结果；

所述带式制动器的液压缸控制刹车带打开或关闭；所述CPU/运动控制器向与之信号连接的液压缸，输出驱使刹车带在绞车收缆或放缆时处在打开状态的指令。

优选地，所述CPU/运动控制器与电机绕组温度的电机温度传感器信号连接；所述CPU/运动控制器与驱使所述深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统执行所有设定操作的本地操作台信号连接；

所述CPU/运动控制器通过以太网，分别对系统参数进行显示及设置的人机接口，以及驱使所述深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统执行收放缆操作的远程操作台信号连接；所述系统参数包含逃逸角、换向角、两侧的换向位置、脐带缆直径、张力极限值、排绳器与卷筒的电子齿轮比。

优选地，所述卷筒电机包含六台变频电机，其各自通过相应的减速机来驱动卷筒；各变频电机所对应的变频器之间采用光纤连接并通讯；这些变频器与CPU/运动控制器之间通过Profibus总线连接并通讯，接收CPU/运动控制器输出的使能信号，对其驱使六台变频电机同时运转时的速度进行控制。

优选地，所述变频驱动系统还设置有制动单元和制动电阻；

所述制动单元并联在直流母线上，将直流母线的电压限制在设定的水平，还将制动能量输出至所述制动电阻上并转换成热能。

优选地，所述伺服驱动系统的伺服电机是永磁同步伺服电机，其通过伺服减速机连接并驱动排绳器的丝杠进行往复运动；

所述伺服驱动系统设置有伺服驱动器来连接并驱动所述伺服电机，所述伺服控制器是数字信号处理器。

本发明克服了深海脐带缆安装和运行工艺中的问题，绞车及伺服排缆的排绳器能够随脐带缆的铺设距离延长、水深增加和海浪海流等条件的变化自适应进行调速、张力调节、变节距自动排缆，确保脐带缆运行中不折不断。

本发明控制系统的优点在于：

(1)、通过编码器检测脐带缆速度、长度及排绳器位置和卷筒位置，张力传感器实时检测脐带缆张力，该伺服排缆控制系统对变频驱动的绞车和伺服驱动的排绳器进行主（绞车）-从（排绳器）同步双闭环精确运动控制。

(2)、伺服排缆控制系统采用电子凸轮同步控制，解决卷筒与伺服排绳器的函数关系，电子齿轮功能及飞剪、追剪的应用，3轴直线/圆弧/螺旋插补运动控制。

(3)、排绳器采用伺服位置精确控制，具有增益自动调整、指令平滑功能，达到高速位移、精准定位的运动控制，进行变节距自动排缆，实现脐带缆层间和缆间的精确排列。

(4)、恒张力自适应控制技术随着脐带缆的铺设长度、水深和海浪海流等条件的变化自动调节绞车转速和脐带缆张力，使脐带缆能适应更大的水压力和复杂的海洋环境浪流载荷。

因此，本发明的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，具备高动态响应特性、精确伺服排缆、恒张力自适应控制和完善的保护功能，本发明填补了我国海上油气田开发和海洋工程装备与技术领域的空白。

附图说明

图1是本发明中深海脐带缆绞车的结构示意图；

图2是本发明中伺服排缆控制装置的功能框图；

图3是本发明中排绳器的工作原理图(a)、(b)、(c)；

图4是本发明中排绳器的另一工作原理图；

图5是本发明中伺服排缆控制装置的工作流程图；

图6是本发明中伺服排缆控制装置的本地操作面板示意图；

图7是本发明中伺服排缆控制装置的远程操作面板示意图；

图8是本发明中伺服排缆控制装置执行联动操作时的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是本发明中深海脐带缆绞车的结构组合的示意图。表1提供了一个深海脐带缆绞车的参数的示例。

脐带缆70一端从排绳器80依次设置的多个导轮之间穿过后绕到绞车90的卷筒91上。排绳器80的电机81为一台永磁同步伺服电机，其通过伺服减速机连接并驱动排绳器的丝杠进行往复运动，以便调整穿过排绳器80之后的线缆相对于卷筒91的位置。卷筒电机92包含共6台变频电机，其通过各自的减速机和六个小齿连接并驱动卷筒91上的回转轴承，进而驱动卷筒91转动对脐带缆70进行收放工作。

卷筒编码器93为一绝对值编码器，将其通过弹性联轴器与卷筒91的主轴连接，实时检测卷筒91的位置；将排绳器编码器83通过弹性联轴器与排绳器80上的导轮连接，对绳长、绳速度进行直接的测量；将张力传感器安装于排绳器中间导轮轴82上，对绳的张力进行实时的直接测量；将接近开关94安装于绞车的带式制动器（带刹）上，对带闸进行检测，确保在运行时抱闸处在打开位置。

表1深海脐带缆绞车的参数

序号	项目	单位	参数
				1	额定负载	kN	50kN（第1层） /18kN（第45层）
2	额定速度	m/min	43m/min（第1层） /118m/min（第45层）
				3	脐带缆直径	mm	Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ15
4	容绳量	m	10000
				5	卷筒尺寸	mm	Φ500*795
6	主电机电机功率	kW	45
				7	伺服电机功率	kW	5.5
8	电机电制		380V/50Hz
				9	电机工作制		S1
10	电机防护等级		IP56
				11	减速机型号		H3HH15-56

如图2所示，是本发明中所述脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统（以下简称为伺服排缆控制系统）的功能框图。所述的伺服排缆控制系统，包含CPU/运动控制器，以及分别与之连接的变频驱动系统、伺服驱动系统、编码器、张力传感器，和其他一些辅助系统（如，带式制动器的液压缸、电机温度传感器、本地操作台及HMI（人机接口）、远程操作台）。

本发明中通过变频驱动系统对绞车卷筒的主轴进行驱动。变频驱动系统包含变频器、制动单元和制动电阻。该系统的核心为高性能传动单元——变频器，其内部具有电流反馈环节，起动性能良好，反应灵敏，根据负载大小能快速输出相应起动电流，一般不会超出额定电流所以对电网无冲击，变频器具有适应于电动机能力的短时过载功能及电源缺相、输出缺相、电源过压、过流、欠压、接地、变频器过热等保护功能。当电机减速制动进入再生发电状态时，它将电能回馈到逆变器，导致直流母线电压的升高。制动单元并联连接到直流母线上并将直流母线电压限制到可以接受的水平。制动单元还将制动能量送至外部制动电阻上并转换成热能。

变频器与CPU/运动控制器之间采用Profibus-DP协议通讯，PLC采集操作台面板上的电位器的电压信号，经过运算处理后转换为对应变频器的频率设定值，通过Profibus总线写到变频器中，同时读取变频器的运行参数和故障信息。卷筒6台电机对应的变频器之间采用光纤通讯，变频器采用主从同步控制。系统通过自检后，变频驱动系统根据收到的使能信号，驱使六台电机同时运转，令速度无极连续可控。

本发明采用高分辨率、带轴封的编码器，防护等级达到IP56；这些编码器带有Profibus-DP通讯接口，可以直接与运动控制器采用Profibus通讯电缆进行通讯。其中，排绳器编码器用于实时测量脐带缆的速度、长度。卷筒编码器实时测量卷筒转速和圈数，卷筒编码器作为虚主轴，伺服驱动器控制的伺服电机作为从轴，从轴与主轴可以实现凸轮同步。根据对卷筒编码器实时测量数据的处理结果，伺服驱动系统对排绳器的丝杠进行驱动。

本发明伺服驱动系统包括伺服电机、伺服驱动器。伺服电机采用结构极为紧凑的永磁式同步电机。它们满足精度、动态特性、转速设定范围以及防护等级和坚固性等方面的严格要求。这些电机配有最新的编码器技术，针对全数字式驱动与控制系统一起使用进行了优化。电机采用在自然冷却方式中，所产生的热量通过表面散出，防护等级可以达到IP56。伺服驱动器采用高速数字信号处理器(DSP)，配合增益自动调整、指令平滑功能的设计以及软件分析与监控，可达到高速位移、精准定位等运动控制需求。

运动控制器用来进行运动控制和系统逻辑联锁控制。本发明采用的专业运动控制器可提供丰富的通讯接口与其他系统进行数据和信息交换，能够兼容G-code/M-code，3轴直线/圆弧/螺旋插补运动控制，支持电子凸轮功能(2048点)及飞剪、追剪应用，是运动控制主机，也是扩展模块。运动控制器主要参数：16点I/O主机，最大扩展I/O至512点；程序容量为64ksteps，数据寄存器为10kwords；内建RS-232与RS-485通讯端口，兼容标准MODBUSASCII/RTU通讯协议，可以扩展Profibus-DP以及以太网通讯模块。实现的运动控制功能有：内建A/B相差动信号输出2组，最高差动输出频率500kHz；支持手摇轮直接输入；单轴运动控制功能(1段速、2段速、手摇轮输入)；电子齿轮功能。

本发明的张力传感器用于实时检测脐带缆的张力值，控制器根据张力反馈值自动调整变频器的输出以实现恒张力控制。带式制动器的液压缸控制带式制动器的打开、关闭。接近开关用于检测带式制动器的打开关闭状态。电机温度传感器检测电机绕组温度。所有的操作均可通过本地操作台进行操作，通过HMI显示、设置系统参数，HMI与CPU之间采用以太网通讯。远程操作台可进行基本的收放缆操作，远程操作台与CPU之间也采用以太网通讯。

如图6所示，本地操作台的操作面板上，包含张力、速度、长度显示仪表1；照明灯2；电源指示3；本地操作指示4；准备就绪指示5；故障指示6；急停按钮7；照明灯开关8；控制电源开关9；本地/远程操作选择开关10；排绳器单动/联动选择开关11；灯测试/故障复位开关12；自保持打开/关闭按钮指示灯13；远程操作箱连接电缆插座14；备用开关15；排绳器手动正转/反转控制开关16；排绳器微调开关17；收缆/放缆控制手柄18。如图7所示，远程操作台的操作面板上，包含照明灯19；张力、速度、长度显示仪表20；照明灯开关21；故障指示22；远程操作指示23；准备就绪指示24；收缆/放缆控制手柄25；带刹打开关闭按钮和指示灯25；急停按钮26；系统上电27。

如图3所示，介绍本发明所述伺服排缆控制系统的工作原理：

排绳器的丝杠追随着绞车卷筒轴的转动在单层匝(圈)数的范围内来回摆动，彼此的关系成一定的比例。一开始排绳器位于单层匝数的最左侧位置，当卷筒主轴转动一匝时，排绳器移动一个排线间距，如图3(A)所示，当排绳器移动到单层匝数范围最右侧时，如图3(B)所示，排绳器追随的方向变更为向左，如图3(C)所示，当排绳器再移动到单层匝数范围最左侧时，排线追随的方向再变更为向右。

如图4所示，定义排绳器左位置A，一般设定为0mm（要求A必须小于B）；定义排绳器右位置B，根据卷筒实际位置设定，例如315mm；脐带缆直径，例如12mm；逃逸角可防止电机反向时减速加速时多绕线；设定换向角度可防止在固定位置换向。

伺服排绳器的功能如下：系统通过自检后，绞车开始转动，线缆从最左面开始收绳，同时排绳器根据卷筒的位置进行自动调整，始终让卷筒的面与线缆保持在一定的角度，如图3(A)所示。当缆绳收到最右端时，且线缆布满了卷筒后，这时线缆需要换层，如图3(B)。当线缆换层后，线缆在排绳器的干预下，又开始向左排绳，如图3(C)；到最左端时，又从头开始重复动作。

如图4所示，介绍本发明所述伺服排缆控制系统的工作流程：系统上电后，首先自动进行初始化和自检，记住上电时刻的位置，系统无异常，则“准备好”绿色指示灯亮。设置系统参数，包括脐带缆直径、张力极限值、排绳器与卷筒的电子齿轮比等；启动液压站，用于控制刹车带的液压油缸；然后选择工作模式。

速度工作模式：若选择“卷筒和排绳器单动操作”则分别通过卷筒和排绳器各自手柄单独操作。若选择“卷筒和排绳器联动操作”则进行凸轮同步控制，系统通过各编码器的检测结果来判断排绳器是否到达换向位置；若没有到达换向位置，则排绳器在该方向上与卷筒保持同步；若到达换向位置，则排绳器更换方向，与卷筒反方向保持同步。

恒张力工作模式：“卷筒和排绳器联动操作”进行凸轮同步控制，系统根据张力传感器的检测结果来判断脐带缆张力值是否超出限制值；如果脐带缆张力没有超出设定范围，则卷筒与排绳器保持凸轮同步状态；如果脐带缆张力超出设定范围，则系统自动驱动绞车进行收缆或放缆，调整脐带缆使其张力值在允许的范围内。

在系统上电初始化及启动时，首先需要确保绞车满足启动条件，并且周围无人身安全隐患。依次将控制柜内相应的断路器合闸，以便在操作台上操作控制电源开关，等待电源指示灯点亮，控制柜上电完成。将操作台内相应的断路器合闸，使张力、速度、长度显示仪和操作台照明灯电源接通。

检查本地控制板上的“电源准备就绪”指示灯。使用选择开关“试灯”测试所有指示灯是否正常，检查显示屏画面状态及显示数据是否正常。检查所有选择开关，必须处于零位，“排绳器微调开关电位器”逆时针旋转到零，“收缆/放缆控制手柄”打到零位。所有指示灯都处于正常状态，方可进行如下 中任意一项的具体操作。

卷筒和排绳器联动操作

联动操作如图8所示：确认“排绳器微调开关电位器”和“收缆/放缆控制手柄”都在零位，将“遥控/本地”开关打到“本地”，“本地”指示灯亮，即可在本地操作台操作绞车。按下“带刹打开”按钮，刹车带打开，“带刹脱开”指示灯亮。将“排绳器单动/联动选择”开关打到“联动”，“联动准备”指示灯亮。

通过“排绳器手动正转/反转控制开关”选择脐带缆直径，如：1:Φ6mm，1:Φ8mm，1:Φ10mm，1:Φ12mm，1:Φ15mm。

将“收缆/放缆控制手柄”向前推可以放缆，将“收缆/放缆控制手柄”向后拉可以收缆，通过“排绳器微调开关电位器”微调排绳器与卷筒的电子齿轮比。

排绳器单动操作

将“排绳器单动/联动选择”开关打到“单动”，“单动准备”指示灯亮，将“排绳器手动正转/反转控制开关”打到“前进”排绳器正转，将“排绳器手动正转/反转控制开关”打到“后退”排绳器反转。

卷筒和排绳器联动远程操作

确认“排绳器微调开关电位器”和“收缆/放缆控制手柄”都在零位，将“遥控/本地”开关打到“遥控”，将“排绳器单动/联动选择”开关打到“联动”，“联动准备”指示灯亮，即可在远程操作箱操作绞车。按下“带刹脱开”按钮，刹车带打开，“带刹脱开”指示灯亮。将“收缆/放缆控制手柄”向前推可以放缆，将“收缆/放缆控制手柄”向后拉可以收缆。

综上所述，针对脐带缆收放技术的难点，通过本发明提供的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，能够实现自动排缆、排缆节距可变、收放速度连续可调、脐带缆装载恒张力调节、提供较大牵引力，又同时确保脐带缆的拉力低于破断力，对于保护脐带缆，提高我国深水油气田开发能力具有重大意义。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

从排绳器设置的多个导轮之间穿过的脐带缆绕到绞车的卷筒上；

变频驱动系统设置的变频器驱动与之连接的卷筒电机转动，进而驱动卷筒对脐带缆进行收放；

伺服驱动系统设置的伺服电机驱动与之连接的排绳器的丝杆，使丝杆追随着卷筒的转动在单层匝数的范围内来回摆动，卷筒主轴每转动一匝时排绳器移动一个排线间距，并且在排绳器从单层匝数的一侧移动到另一侧进行脐带缆排线，以及再从另一侧反向移动回到前一侧而使脐带缆换层排线的过程中，使脐带缆与卷筒的面保持一定的角度；

其中，所述卷筒的主轴上连接有卷筒编码器，将其对卷筒的位置进行检测的结果，输出给与该卷筒编码器信号连接的CPU/运动控制器；

所述排绳器的导轮上连接有排绳器编码器，将其对脐带缆的长度、速度进行检测的结果，输出给与该排绳器编码器信号连接的所述CPU/运动控制器，使所述CPU/运动控制器对各编码器检测的结果进行处理，向变频驱动系统及伺服驱动系统输出用来对卷筒及排绳器进行主从双闭环运动控制的指令。

2.如权利要求1所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

所述卷筒与排绳器通过电子凸轮进行同步联动，或者所述卷筒和排绳器通过各自设置的手柄进行单独操作。

3.如权利要求2所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

在排绳器的导轮轴上连接有张力传感器，将其对脐带缆张力值进行检测的结果，输出至与该张力传感器信号连接的所述CPU/运动控制器，从而在所述卷筒与排绳器通过电子凸轮进行同步联动时，由所述CPU/运动控制器根据张力传感器检测的结果进行判断，相应地向卷筒及排绳器输出如下的指令：

在根据张力传感器的检测结果判断脐带缆张力值没有超出设定范围时，输出驱使卷筒与排绳器保持凸轮同步状态的指令；

在根据张力传感器的检测结果判断脐带缆张力值超出设定范围时，输出驱动绞车进行收缆或放缆，来调整脐带缆张力值至设定范围内的指令。

4.如权利要求2所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

在所述卷筒与排绳器通过电子凸轮进行同步联动时，所述CPU/运动控制器根据各编码器检测的结果进行判断，相应地向卷筒及排绳器输出如下的指令：

在根据各编码器检测的结果判断排绳器没有到达换向位置时，输出驱使排绳器在原方向上与卷筒保持同步状态的指令；

在根据各编码器检测的结果判断排绳器到达换向位置时，输出驱使排绳器更换方向并与卷筒反方向保持同步状态的指令。

5.如权利要求1所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

在绞车的带式制动器上连接有接近开关，其对带式制动器的刹车带处在打开或关闭的状态进行检测，并向与该接近开关信号连接的CPU/运动控制器输出检测的结果；

所述带式制动器的液压缸控制刹车带打开或关闭；所述CPU/运动控制器向与之信号连接的液压缸，输出驱使刹车带在绞车收缆或放缆时处在打开状态的指令。

6.如权利要求1所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

所述CPU/运动控制器与电机绕组温度的电机温度传感器信号连接；

所述CPU/运动控制器与驱使所述深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统执行所有设定操作的本地操作台信号连接；

所述CPU/运动控制器通过以太网，分别对系统参数进行显示及设置的人机接口，以及驱使所述深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统执行收放缆操作的远程操作台信号连接；

所述系统参数包含逃逸角、换向角、两侧的换向位置、脐带缆直径、张力极限值、排绳器与卷筒的电子齿轮比。

7.如权利要求1所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

所述卷筒电机包含六台变频电机，其各自通过相应的减速机来驱动卷筒；各变频电机所对应的变频器之间采用光纤连接并通讯；这些变频器与CPU/运动控制器之间通过Profibus总线连接并通讯，接收CPU/运动控制器输出的使能信号，对其驱使六台变频电机同时运转时的速度进行控制。

8.如权利要求1或7所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

所述变频驱动系统还设置有制动单元和制动电阻；

所述制动单元并联在直流母线上，将直流母线的电压限制在设定的水平，还将制动能量输出至所述制动电阻上并转换成热能。

9.如权利要求1所述的深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统，其特征在于，

所述伺服驱动系统的伺服电机是永磁同步伺服电机，其通过伺服减速机连接并驱动排绳器的丝杠进行往复运动；

所述伺服驱动系统设置有伺服驱动器来连接并驱动所述伺服电机，所述伺服控制器是数字信号处理器。