CN114059588A - 海底沉管水下拉合控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底沉管水下拉合控制方法，属于海底水下沉管技术领域；针对沉管水下安装对接的工艺要求，本发明主要采用位移传感器测量的待安装沉管和已安装沉管之间的距离L和已知的系统设定的拉合距离Y作比较，确定电机泵站的变频器输出频率F，以使所述L与所述Y同步来实现待安装沉管在沉管过程中与已安装沉管的精准定位；还将压紧力设定在一个范围值内，为了待安装沉管和已安装沉管完成GINA圈对接后的水力压接；本发明可以实现对沉管的同步位置拉合，同步速度控制，并且有效减少电磁阀在拉合过程中开关的频率，减小电磁阀损伤，并且拉合过程中设备平稳，不会产生高频率抖动。

Description

海底沉管水下拉合控制方法
技术领域
本发明涉及海底沉管技术领域，具体涉及海底沉管水下拉合控制方法。
背景技术
沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法，沉管隧道就是将若干个预制段浮运到海面现场，并一个接一个的沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法修建的水下隧道。传统设备在沉管拉合时的其中一种方法是采用开环控制，其最终对位精度是通过潜水员在水下测量后反馈至总指挥，在进行沉管调整。此种方法对位精度低，并且对潜水员水下作业要求高，整体施工效率低，精度低，劳动力代价大。传统同步系统的另外一种控制方法是采用电磁阀开启的PWM控制方式，是在一个时间周期内控制阀开关时间占比的方法，此种方法在设备运行时位移传感器反馈得到的待安装沉管和已安装沉管间距离L和压力传感器得到的压紧力G与实际的沉管距离和实际的压紧力做对比，靠电磁阀来调节L和G来达到实际的L和G与设定的一致。这种方法的缺点是时间周期内都有阀开关，造成系统的行走是抖动的，并且这样长时间频繁打开关断电磁阀会对其造成一定程度的损伤，严重影响电磁阀的寿命。
发明内容
本发明针对上述所述的海底沉管拉合时需要人员水下作业，并且电磁阀频繁开关造成的电磁阀损伤的技术问题，提供了海底沉管水下拉合控制方法，包括如下步骤：
基于待安装沉管钢端外壳侧面和已安装沉管钢端外壳侧面的之间的距离L和已知的系统设定的拉合距离Y，确定电机泵站的变频器输出频率F；
基于所述变频器输出频率F，调节待安装沉管的实际拉合速度V；
基于调节后的待安装沉管的实际拉合速度V，以使所述L与所述Y同步来实现待安装沉管在沉管过程中与已安装沉管的精准定位，以减少电磁阀在拉合过程中开关的频率。
作为优化，所述基于L和Y，具体为所述L和所述Y作比较，包括如下步骤：
若所述L＞所述Y时，变频器输出频率F，待安装沉管的实际拉合速度V增大，直至L≤Y，系统停止；
若所述L≤所述Y时，系统停止变频器无输出。
作为优化，所述变频器输出频率F的计算方法为：拉合中，暂时目标位置Y1，通过计算得到变频器输出频率为F1，将L与Y1作比较，并设定一个频率差值F2：
当所述L＞所述Y1，则F＝F1+F2；
当所述L＜所述Y1，则F＝F1-F2；
当所述L＝所述Y1，则F＝F1；如此循环，直至L≤Y1时,系统停止；
作为优化，所述F1的计算方法为：F1＝F0×V×S/Q，其中：
Q-电机泵站的最大流量，S-油缸油杆腔的面积，V-实际拉合速度，F0-变频电机泵站的最大允许频率。
作为优化，所述F2的计算方法为：F2＝(L-Y1)×P，其中：
P-比例系数，所述P为经典控制理论PID中的P，其数值结合实际调试情况后得到。
作为优化，所述L＝(L2+L4+L5)-(L1+L3)，其中：
L1-待安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管钢端外壳侧面的水平距离；
L2-待安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管拉合钩钩体的水平距离；
L3-已安装沉管拉合台底座侧面至已安装沉管钢端外壳侧面的水平距离；
L4-已安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管钢端外壳侧面的水平距离；
L5-待安装沉管拉合千斤顶油缸伸出的行程。
作为优化，还包括如下步骤：
基于压力传感器反馈的压紧力G和已知设定系统的压紧力范围G0～G1作比较，以确定电磁阀是否需要开启。
作为优化，所述基于压力传感器测量的压紧力G和已知设定系统的压紧力范围G0～G1作比较包括如下步骤：
若所述G0≤G≤G1，则系统压力控制在理论范围内，电磁阀不需要启动；
若所述G<G0，则电磁阀启动进行补压，直至当压紧力G>G0时系统停止；
若所述G>G1，则电磁阀启动进行泄压，直至当压紧力G<G1系统停止。
作为优化，所述变频器输出频率F是通过所述变频器对待安装沉管的实际拉合速度V进行自动调速来进行自动输出，以确保在拉合过程中速度平稳。
作为优化，用于收集所述位移传感器测量数据和所述压力传感器测量数据的主站PLC和子站PLC采用光纤双环网进行通讯。
本发明相较于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明提供了海底沉管水下拉合控制方法，根据实际待安装沉管和已安装沉管间距离L和已知设定沉管距离Y的比较计算出给定变频器的频率值F，达到使实际待安装沉管和已安装沉管间距离L与设定沉管距离Y一致来减少电磁阀在拉合过程中开关的频率，减小电磁阀损伤，并且拉合过程中设备平稳，不会产生高频率抖动。
(2)本发明在初步拉合完成后，在把GINA圈压紧的过程，系统设定的压紧力设置为G0～G1，将实际压紧力G与压紧力下限G0和压紧力上限G1来比较，来保证各拉合点的力同步来达到减少电磁阀开关。
(3)主站PLC和子站PLC采用光纤双环网进行通讯，保证了系统的良好运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明变频控制位置拉合实施流程图；
图2为本发明变频控制力的拉合实施流程图；
图3为本发明位移传感器反馈的L的计算方法示意图；
图4为本发明主站和子站通讯的双环网的网络拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4，本发明提供了海底沉管水下拉合控制方法，包括如下步骤：
基于待安装沉管钢端外壳侧面和已安装沉管钢端外壳侧面的之间的距离L和已知的系统设定的拉合距离Y，计算出所述L，在系统运行过程中，所述L和所述Y作比较，确定电机泵站的变频器输出频率F；
基于所述变频器输出频率F，所述F调节电机输出流量，来调节待安装沉管的实际拉合速度V；
基于调节后的所述V，以使所述L与所述Y同步来实现待安装沉管在沉管过程中与已安装沉管的精准定位，系统中电磁阀仅起到开关油路的作用，能够有减少电磁阀的开关频率，提高电磁阀的使用寿命。
具体的，在各个拉合点都在零位状态时，设定当前沉管距离为L0、拉合距离为Y0、拉合速度为V0(详见图1)，启动系统，系统开始运行后，基于位移传感器测量的待安装沉管和已安装沉管之间的距离L和已知的系统设定的拉合距离Y作比较包括如下步骤：
若所述L＞所述Y时，即实际沉管速度小于系统设定沉管速度，变频器输出频率F，电机输出电流增大，待安装沉管的实际拉合速度V增大，直至L≤Y，系统停止；
若所述L≤所述Y时，即实际沉管速度大于等于系统设定沉管速度，系统停止变频器无输出。此方法涉及F和L的计算
具体的，所述变频器输出频率F的计算方法为：拉合中，暂时目标位置Y1，通过计算得到变频器输出频率为F1，将L与Y1作比较，并设定一个频率差值F2：
当所述L＞所述Y1，则F＝F1+F2；
当所述L＜所述Y1，则F＝F1-F2；
当所述L＝所述Y1，则F＝F1；如此循环，直至L≤Y1时,系统停止；
具体的，所述F1的计算方法为：F1＝F0×V×S/Q，其中：
Q-电机泵站的最大流量，S-油缸油杆腔的面积，V-实际拉合速度，F0-变频电机泵站的最大允许频率。其中所述F0、V、S和Q为泵站自带参数，均为已知。
具体的，所述F2的计算方法为：F2＝(L-Y1)×P，其中：
P-比例系数，所述P为经典控制理论PID中的P，比例系数P的目的是将位移产生的误差转化成调节频率，并将反馈的误差信号放大，以提高整体控制的动态响应速度，P的数值为根据实际情况得到。
具体的，所述位移传感器反馈的待安装沉管和已安装沉管间距离L是由安装在待安装沉管和已安装沉管油缸上的位移传感器和设备安装的空间位置通过计算得到，公式为：L＝(L2+L4+L5)-(L1+L3)(详见图3)，
L1-待安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管钢端外壳侧面的水平距离，为空间位置距离，为实际测量获得；
L2-待安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管拉合钩钩体的水平距离，拉合中，钩体会上下摆动，为位移传感器反馈得到；
L3-已安装沉管拉合台底座侧面至已安装沉管钢端外壳侧面的水平距离，为空间位置距离，为实际测量获得；
L4-已安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管钢端外壳侧面的水平距离，拉合过程已安装沉管和待安装沉管之间位置变动，所以为位移传感器反馈得到；
L5-待安装沉管拉合千斤顶油缸伸出的行程，千斤顶会上下摆动，所以为位移传感器反馈获得。
具体的，在本方案的一个实施例中，为了使待安装沉管和已安装沉管在GINA圈对接的水力压接过程中，各拉合点的力同步来达到减少电磁阀开关，本方案还包括如下步骤：
基于压力传感器测量的压紧力G和已知设定系统的压紧力范围G0～G1作比较，以确定电磁阀是否需要开启，由于压紧力在压紧后波动范围不大，所以设定一个范围后，电磁阀不需要频繁开启。
具体的，在本方案的一个实施例中，所述基于压力传感器测量的压紧力G和已知设定系统的压紧力范围G0～G1作比较包括如下步骤(详见图2)：
若所述G0≤G≤G1，则系统压力控制在理论范围内，电磁阀不需要启动；
若所述G<G0，则电磁阀启动进行补压，直至当压紧力G>G0时系统停止；
若所述G>G1，则电磁阀启动进行泄压，直至当压紧力G<G1系统停止。
具体的，为了保证沉管在水下拉合过程中的平稳和拉合速度可调，所述变频器输出频率F是通过所述变频器对待安装沉管的实际拉合速度V进行自动调速来进行自动输出，以确保在拉合过程中速度平稳。
具体的，为了保证设备平稳运行，受网络影响较小，用于收集所述位移传感器测量数据和所述压力传感器测量数据的主站PLC和子站PLC采用光纤双环网进行通讯(详见图4)，当其中的4根网线断开始，仍然可以保证通讯系统稳定运行。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于待安装沉管钢端外壳侧面和已安装沉管钢端外壳侧面的之间的距离L和已知的系统设定的拉合距离Y，确定电机泵站的变频器输出频率F；
基于所述变频器输出频率F，调节待安装沉管的实际拉合速度V；
基于调节后的待安装沉管的实际拉合速度V，以使所述L与所述Y同步来实现待安装沉管在沉管过程中与已安装沉管的精准定位，以减少电磁阀在拉合过程中开关的频率。
2.根据权利要求1所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，所述基于L和Y，具体为所述L和所述Y作比较，包括如下步骤：
若所述L＞所述Y时，变频器输出频率F，待安装沉管的实际拉合速度V增大，直至L≤Y，系统停止；
若所述L≤所述Y时，系统停止变频器无输出。
3.根据权利要求2所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，所述变频器输出频率F的计算方法为：拉合中，暂时目标位置Y1，通过计算得到变频器输出频率为F1，将L与Y1作比较，并设定一个频率差值F2：
当所述L＞所述Y1，则F＝F1+F2；
当所述L＜所述Y1，则F＝F1-F2；
当所述L＝所述Y1，则F＝F1；如此循环，直至L≤Y1时,系统停止。
4.根据权利要求3所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，所述F1的计算方法为：F1＝F0×V×S/Q，其中：
Q-电机泵站的最大流量，S-油缸油杆腔的面积，V-实际拉合速度，F0-变频电机泵站的最大允许频率。
5.根据权利要求3所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，所述F2的计算方法为：F2＝(L-Y1)×P，其中：
P-比例系数，所述P为经典控制理论PID中的P，其数值结合实际调试情况后得到。
6.根据权利要求2所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，所述L＝(L2+L4+L5)-(L1+L3)，其中：
L1-待安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管钢端外壳侧面的水平距离；
L2-待安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管拉合钩钩体的水平距离；
L3-已安装沉管拉合台底座侧面至已安装沉管钢端外壳侧面的水平距离；
L4-已安装沉管拉合台底座侧面至待安装沉管钢端外壳侧面的水平距离；
L5-待安装沉管拉合千斤顶油缸伸出的行程。
7.根据权利要求1所述的海底沉管水下拉合力控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：
基于压力传感器反馈的压紧力G和已知设定系统的压紧力范围G0～G1作比较，以确定电磁阀是否需要开启。
8.根据权利要求7所述的海底沉管水下拉合力控制方法，其特征在于，所述基于压力传感器测量的压紧力G和已知设定系统的压紧力范围G0～G1作比较包括如下步骤：
若所述G0≤G≤G1，则系统压力控制在理论范围内，电磁阀不需要启动；
若所述G<G0，则电磁阀启动进行补压，直至当压紧力G>G0时系统停止；
若所述G>G1，则电磁阀启动进行泄压，直至当压紧力G<G1系统停止。
9.根据权利要求1所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，所述变频器输出频率F是通过所述变频器对待安装沉管的实际拉合速度V进行自动调速来进行自动输出，以确保在拉合过程中速度平稳。
10.根据权利要求1所述的海底沉管水下拉合控制方法，其特征在于，用于收集所述位移传感器测量数据和所述压力传感器测量数据的主站PLC和子站PLC采用光纤双环网进行通讯。
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