專利名稱：船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)及檢測方法，特別適用于對海洋鉆井平臺船用拖纜機錨泊線的張力檢測、收放線的長度測量以及速度測量，屬于物理量測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半潛式平臺是一種技術(shù)相對成熟，投資較低的浮式結(jié)構(gòu)，它具有適應(yīng)水深范圍寬(200 3000m)，穩(wěn)定性好，移運靈活等優(yōu)點。因此，半潛式平臺在深海鉆井平臺中有較多應(yīng)用。為滿足海上作業(yè)的要求，半潛式平臺采用散開的錨泊系統(tǒng)定位，以抵御海洋環(huán)境的影響。錨泊系統(tǒng)由若干對稱分布的錨泊線組成，這些錨泊線一端系在平臺的不同位置，另一端錨固在海底，在散布的錨泊系統(tǒng)中，對錨泊線的兩個基本要求是1)拋出的錨泊線長度有一定要求，即拋出的長度應(yīng)足以保證船舶在受外力作用而漂移時錨泊線下端總能相切于水底，使錨的抓力得以充分發(fā)揮，防止走錨。2)錨泊線上施加了預(yù)張力，若干根有預(yù)張力的錨泊線布置在平臺的周圍，使平臺保持在要求的位置。船用拖纜機是錨泊系統(tǒng)的主要組成部分，是半潛式平臺上最重要的設(shè)備之一，其主要用途是為沒有自航能力的海洋平臺提供拖帶和起拋錨作業(yè)，是支持半潛式平臺抵抗風(fēng)、流、和環(huán)境的重要手段。長期系泊于海面上的平臺，要在各種惡劣的海洋環(huán)境中進行作業(yè)和生產(chǎn)，錨泊線所受的力常常大于100噸，有的甚至高達500噸以上。因此，正確測量其在海洋環(huán)境載荷作用下錨泊纜繩張力、拋出的錨泊纜繩長度就顯得十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述背景，提供一種船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)及檢測方法。本發(fā)明系統(tǒng)使用荷重傳感器實現(xiàn)載荷測量，多圈絕對值編碼器實現(xiàn)行程測量，PLC電氣模塊將采集到的荷重傳感器信號和編碼器信號進行處理計算，得到放出纜繩的長度、速度和張力，并顯示在觸摸屏上，觸摸屏顯示模塊還可以實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的整定以及纜繩長度和張力的超限報警。本發(fā)明船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)技術(shù)方案它包括
若干個荷重傳感器，該荷重傳感器上連接有變送器；
一個編碼器，用于實時采集和輸出纜繩長度和速度數(shù)據(jù)信號，該編碼器為多圈絕對值編碼器；
一個包括CPU模塊、模擬量輸入接口模塊、SSI信號轉(zhuǎn)換模塊、模擬量輸出接口模塊、無源開關(guān)量輸出接口模塊的PLC電氣模塊，用于將過定位空間力學(xué)系統(tǒng)進行簡化，由PLC軟件實現(xiàn)功能算法，建立力學(xué)模型；
一個包括觸摸屏軟件的觸摸屏顯示模塊，該觸摸屏顯示模塊與CPU模塊相連接，用于實時顯示纜繩張力及放出纜繩長度和速度，并對張力和長度進行參數(shù)整定，當(dāng)長度和張力值超限，無源開關(guān)量輸出接口模塊就向現(xiàn)場提供報警信號；所述的荷重傳感器與模擬量輸入接口模塊連接，將采集的荷重數(shù)據(jù)模擬量信號傳送給模擬量輸入接口模塊；所述的編碼器與絞車?yán)|繩相連，記錄絞車?yán)|繩的當(dāng)前絕對位置和速度，然后將位置和速度的數(shù)據(jù)信號傳送給PLC電氣模塊。在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上更進一步的方案是
所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)，其CPU模塊分別與模擬量輸入接口模塊、SSI信號轉(zhuǎn)換模塊、模擬量輸出接口模塊和無源開關(guān)量輸出接口模塊以及觸摸屏顯示模塊連接，用于處理數(shù)據(jù)信息以及發(fā)送命令；模擬量輸入接口模塊用于接收荷重傳感器的信號，SSI信號轉(zhuǎn)換模塊用于接收編碼器的信號，模擬量輸出接口模塊用于向現(xiàn)場提供計算出的纜繩長度、速度和張力的模擬量信號，無源開關(guān)量輸出接口模塊用于向現(xiàn)場提供張力和長度超限報警信號。本發(fā)明的一種用上述的系統(tǒng)進行船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，包括下述步驟
A、編碼器采集傳送纜繩位置和速度數(shù)據(jù)信號編碼器將采集到的位置和速度數(shù)據(jù)信號傳送給SSI信號轉(zhuǎn)換模塊；
B、荷重傳感器采集傳送荷重數(shù)據(jù)信號荷重傳感器的變送器將感應(yīng)到的壓力轉(zhuǎn)換成模擬量信號，并將模擬量信號傳送給PLC電氣模塊中的模擬量輸入接口模塊；
C、PLC計算纜繩的長度和速度CPU模塊將SSI信號轉(zhuǎn)換模塊接收到編碼器的信號進行計算處理，得到當(dāng)前放出的纜繩的長度以及此時放纜繩的速度；
D、PLC計算纜繩的張力模擬量輸入接口模塊將接收到的變送器傳送的模擬量信號傳給CPU模塊，該CPU模塊將模擬量信號再轉(zhuǎn)化為壓力值，并由CPU模塊中的PLC軟件根據(jù)力學(xué)計算模型，將包括壓力值和纜繩長度值已知量進行計算處理，最終得到纜繩當(dāng)前的張力值；
E、結(jié)果顯示、參數(shù)整定和超限報警CPU模塊將纜繩的位置、速度和張力值傳送給觸摸屏顯示模塊，然后觸摸屏顯示模塊將接收到的纜繩位置、速度和張力值顯示在觸摸屏上，通過觸摸屏軟件進行參數(shù)整定并發(fā)送給CPU模塊，當(dāng)纜繩長度和張力超過整定值的范圍時，無源開關(guān)量輸出接口模塊就會向現(xiàn)場提供報警信號。在上述方法技術(shù)方案基礎(chǔ)上更進一步的技術(shù)方案是
所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其C步驟所述PLC計算纜繩長度步驟是先輸入纜繩所處的層數(shù)η和圈數(shù)i，然后根據(jù)下式計算放出的纜繩長度
權(quán)利要求
1.一種船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括 若干個荷重傳感器(I )，該荷重傳感器(I)上連接有變送器(1.1); 一個編碼器(2)，用于實時采集和輸出纜繩長度和速度數(shù)據(jù)信號，該編碼器(2)為多圈絕對值編碼器； 一個包括CPU模塊(3)、模擬量輸入接口模塊(4)、SSI信號轉(zhuǎn)換模塊(5)、模擬量輸出接口模塊(6)、無源開關(guān)量輸出接口模塊(7)的PLC電氣模塊(8)，用于將過定位空間力學(xué)系統(tǒng)進行簡化，由PLC軟件實現(xiàn)功能算法，建立力學(xué)模型； 一個包括觸摸屏軟件的觸摸屏顯示模塊(9)，該觸摸屏顯示模塊(9)與CPU模塊(3)相連接，用于實時顯示纜繩張力及放出纜繩長度和速度，并對張力和長度進行參數(shù)整定，當(dāng)長度和張力值超限，無源開關(guān)量輸出接口模塊(7)就向現(xiàn)場提供報警信號； 所述的荷重傳感器(I)與模擬量輸入接口模塊(4)連接，將采集的荷重數(shù)據(jù)模擬量信號傳送給模擬量輸入接口模塊(4);所述的編碼器(2)與絞車?yán)|繩相連，記錄絞車?yán)|繩的當(dāng)前絕對位置和速度，然后將位置和速度的數(shù)據(jù)信號傳送給PLC電氣模塊(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的CPU模塊(3 )分別與模擬量輸入接口模塊(4 )、SSI信號轉(zhuǎn)換模塊(5 )、模擬量輸出接口模塊(6 )和無源開關(guān)量輸出接口模塊(7 )以及觸摸屏顯示模塊(9 )連接，用于處理數(shù)據(jù)信息以及發(fā)送命令；模擬量輸入接口模塊(4)用于接收荷重傳感器(I)的信號，SSI信號轉(zhuǎn)換模塊(5)用于接收編碼器(2)的信號，模擬量輸出接口模塊(6)用于向現(xiàn)場提供計算出的纜繩長度、速度和張力的模擬量信號，無源開關(guān)量輸出接口模塊(7)用于向現(xiàn)場提供張力和長度超限報警信號。
3.一種用權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)進行船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，包括下述步驟 A、編碼器(2)采集傳送纜繩位置和速度數(shù)據(jù)信號編碼器(2)將采集到的位置和速度數(shù)據(jù)信號傳送給SSI信號轉(zhuǎn)換模塊(5)； B、荷重傳感器(I)采集傳送荷重數(shù)據(jù)信號荷重傳感器(I)的變送器(I.I)將感應(yīng)到的壓力轉(zhuǎn)換成模擬量信號，并將模擬量信號傳送給PLC電氣模塊(8)中的模擬量輸入接口模塊(4); C、PLC計算纜繩的長度和速度CPU模塊(3)將SSI信號轉(zhuǎn)換模塊(5)接收到編碼器(2)的信號進行計算處理，得到當(dāng)前放出的纜繩的長度以及此時放纜繩的速度； D、PLC計算纜繩的張力模擬量輸入接口模塊(4)將接收到的變送器(I.I)傳送的模擬量信號傳給CPU模塊(3)，該CPU模塊(3)將模擬量信號再轉(zhuǎn)化為壓力值，并由CPU模塊中(3)的PLC軟件根據(jù)力學(xué)計算模型，將包括壓力值和纜繩長度值已知量進行計算處理，最終得到纜繩當(dāng)前的張力值； E、結(jié)果顯示、參數(shù)整定和超限報警CPU模塊(3)將纜繩的位置、速度和張力值傳送給觸摸屏顯示模塊(9)，然后觸摸屏顯示模塊(9)將接收到的纜繩位置、速度和張力值顯示在觸摸屏上，通過觸摸屏軟件進行參數(shù)整定并發(fā)送給CPU模塊(3)，當(dāng)纜繩長度和張力超過整定值的范圍時，無源開關(guān)量輸出接口模塊(7)就會向現(xiàn)場提供報警信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，C步驟所述PLC計算纜繩長度步驟是先輸入纜繩所處的層數(shù)η和圈數(shù)i，然后根據(jù)下式計算放出的纜繩長度
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，公式 (D中，纜繩所處的層數(shù)η和圈數(shù)i的測定，以行程檢測裝置中的編碼器(2)確定，包括下述步驟 Cl、確定纜繩內(nèi)層和外層參數(shù)絞車?yán)|繩共有k層，第I層為最內(nèi)層，第k層為最外層；奇數(shù)層有P圈，偶數(shù)層有Q圈，每層中靠近絞車傳動齒輪的為第一圈；纜繩層數(shù)與圈數(shù)由編碼器(2)的讀數(shù)確定； C2、編碼器(2)對纜繩層數(shù)與圈數(shù)按以下公式確定 第I層的讀數(shù)范圍為(I P) X360°--------Q 第2層的讀數(shù)范圍為((P+1) (P+Q)) X 360° -------- , 第η層的讀數(shù)范圍為 [(n/2*P+n/2*Q+l) (n/2*P+n/2*Q+P)] X 360° (當(dāng) η 為奇數(shù)) [(n/2*P+n/2*Q-Q+l) (n/2*P+n/2*Q)] X360° (當(dāng) η 為偶數(shù))
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，C步驟所述放纜繩的速度按下式確定
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，D步驟所述纜繩的張力，包括放纜張力和收纜張力，分別按下式確定
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，公式CD (D中絞車上剩余纜繩的自重G2的計算公式如下
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測方法，其特征在于，公式中卷筒軸頸對軸承的壓力Fa由軸承支座的兩個支腳其下安裝荷重傳感器(I)測定相關(guān)參數(shù)后再按下述公式計算
全文摘要
本發(fā)明涉及船用拖纜機絞車?yán)|繩張力和長度檢測系統(tǒng)及檢測方法，特別適用于對海洋鉆井平臺船用拖纜機錨泊線的張力檢測、收放線的長度測量以及速度測量。本發(fā)明檢測系統(tǒng)包括荷重傳感器，編碼器，PLC電氣模塊，觸摸屏顯示模塊。檢測方法步驟包括編碼器采集傳送纜繩位置和速度數(shù)據(jù)信號、荷重傳感器采集傳送荷重數(shù)據(jù)信號、PLC計算放纜繩的長度和速度、以及PLC計算纜繩的張力、結(jié)果顯示參數(shù)整定和超限報警。本發(fā)明優(yōu)點是能及時準(zhǔn)確得到放或收纜繩的長度、速度和張力數(shù)據(jù)信息，確保海面上的作業(yè)平臺安全穩(wěn)定；觸摸屏能顯示檢測情況并且觸摸屏顯示模塊還能實現(xiàn)參數(shù)的整定以及纜繩長度和張力的超限報警；能有效地保護船用拖纜機絞車和纜繩的安全運行。
文檔編號G01B21/06GK102628719SQ20121012967
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者劉娟, 張建民, 胡慧濤, 陳沖, 陳凱, 韓韜, 高有濤 申請人:武漢華中天經(jīng)光電系統(tǒng)有限公司