自升式平台的制作方法

专利名称：自升式平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自升式平台。自升式平台通常包括船体和至少三个纵 向可移动的桩腿。这些桩腿相对于壳体都可单独地移动，即使用至少一个 驱动机构可上升或下降。通常，每个桩腿上都具有至少一个独立的驱动机构。
背景技术：
为了使平台做好工作准备，桩腿的下端必须放在固定不动的地基上。 为此，降低这些桩腿直到它们接触地基。然后，通过相应地驱动桩腿以引 起船体的移动，可以将船体抬升至高于地基的任意位置。桩腿可平行排列 或可倾斜以提高自升式平台的稳定性。地基可以具有倾斜和/或不平的外 形。在这种情况下，将桩腿驱动到不同的位置以保持船体的平衡。
对于海上自升式平台，通常，船体被设计成在桩腿的最高上升状态下 可漂浮。因此，这种平台可以很容易地被运送到其工作位置，例如，通过 使用拖船沿着水面拖动它。当平台到达其工作位置时，就在水中降低桩腿， 直到每个桩腿都接触到海底。为了平台的稳定静置，就可以将船体抬升至
高出水平面，从而增大桩腿上的负载。这些平台通常适用于达150米深度 的水体，但不适用于深海。
这种自升式平台用于，例如，勘探或开发海底石油和天然气领域的海 上石油和天然气工业的作业。换言之，它们可以用作可移动的天然气或石 油钻井平台。海上自升式平台的其它应用有，例如，海底管道或其它海底 管线上的维修作业以及江河或船塢中的河床作业。
在WO 2005/103301 Al中公开了 一种用于自升式平台的优选驱动机 构。在那里，已经提出用永久励磁电动机(也称为"永磁电动机")来移 动桩腿且用于使船体保持在高出地基的预定位置上，与在先技术中使用的 异步电动机大不相同。这样，就不需要机械制动器来临时地固持平台，因 为通过高效永磁电动机可以把船体完全保持在原位。此外，永磁电动机能 以无级变速实现桩腿的移动，从而允许高转矩的平稳作业，与具有双速作 业、高失误的在先技术大不相同。然而，至今没有披露控制驱动机构的有
4效方法。

发明内容
本发明的目的是确定一种自升式平台，其提供高性能且可靠的桩腿操作。
根据本发明，通过包含权利要求1所给出特征的自升式平台解决问题。
本发明提出一种自升式平台，其包括船体和用于该船体的至少三个纵向可移动的桩腿。这些桩腿中的至少一个包括至少一个可变速驱动器
(VSD),该至少一个可变速驱动器是桩腿驱动机构的一部分。该平台包括用于该驱动机构的闭环控制单元。该控制单元通过双向电子总线连接到该可变速驱动器，用于传输控制参数。这意味着，该可变速驱动器集成在该控制系统中。这是通过双向电子总线接头实现的，例如，高速现场总线或以太网。
该电子总线连头确保在闭环控制中控制单元可以使用来自可变速驱动器的重要控制参数，如实际速度和实际转矩，反之亦然。 一方面，这能获得高性能的桩腿操作，因为在闭环控制中可以充分利用可用速度/转矩。另一方面，驱动机构的稳定的速度/转矩控制成为可能。此外，即使是用感应电动机，可变速驱动器也能获得无级变速运动，。
此外，该可变速驱动器可以控制感应电动机或7乂磁电动机。优选地，
该可变速驱动器连接到永磁电动机或永磁直流电动机，以可变速度驱动永磁电动机。就高曱板处于保持位置时转子损耗而言，永磁电动机要优于异步电动机。在这种情况下，尤其减小了电动机受力和散热。在后一种情况下，如果使用了多个电动机，那么每个可变速驱动器都需要各自的换流器。
优选地，所述控制单元包括速度控制器，其通过所述总线接头向可变速驱动器的转矩控制器传递转矩设定点。这种级联控制结构允许在该控制单元中分离不同的模块功能。速度设定点由外部确定并且被输入该速度控制器。速度设定点和转矩设定点都可在模块之间获取，例如，用于施加例如转矩限制的约束条件。因此，这些模块可以相互独立地工作，从而减小控制单元的误差趋势。
有益地，所述转矩控制器集成到所述可变速驱动器中。这样，该可变速驱动器会紧凑。此外，可以不用曱板上的人员来操作可变速驱动器受控
5升降系统，增加了作业安全性。
在优选实施例中，所述速度控制器可以通过所述总线接头接收所述可变速驱动器的实际速度值。实际速度值是桩腿运动闭环控制的优选有效控制参数。
可以通过置于所述速度控制器上游的速度传感器确认模块来提高桩腿运动的可靠性和精确性。也可以为任何其它控制参数(例如实际转矩值或重量值)提供控制值和传感器确认。在关键的升降作业中，控制值和传感器确认模块可以评估来自每个传感器的状况和数值。这种评估是基于预定的控制策略。
所述速度传感器确认模块所用的优选的控制策略是，例如，选择最可能正确的速度值和/或最高带宽传感器的速度值。最可能正确的值被确定为，例如，来自功能传感器的最大值、平均值、低选择或计算平均值。速度值的最高带宽是通过，例如使用直接来自电动机传感器的速度值而不是来自速度传感器值的计算值获得的。通过这些控制策略，就能确保升降作
业的高可靠性和精确性。
在另 一优选实施例中，该控制单元包括对所述转矩设定点起作用的转矩限制模块，所述转矩设定点由所述速度控制器输出给所述可变速驱动器。独立的转矩限制模块可以实现内部和外部约束条件，例如电源限制和操作者设置限制。例如，可选择向驱动机构施加除了有效电流限制之外的固定或可变转矩限制，而不影响速度和转矩控制器的动作。结果是在升降作业产生更平稳的过渡。
为此，所述转矩限制模块有益地可以执行联合的转矩/功率限制。就本发明而言，联合的转矩/功率限制包括，在低速情况下由内部或外部设定转矩限制来限制速度控制器的转矩设定点，以及，在高速情况下由根据平台上的可用动力的浮动限制来限制转矩设定点。
优选地，所述转矩限制模块可以通过所述总线接头接收所述可变速驱动器的实际速度和实际转矩值。因此，通过直接监控可变速驱动器，独立的转矩限制模块可实现转矩设定点的外部或内部约束条件。这确保驱动机构的短反应时间和高可靠性，并且降低机械磨损。在非常优选的实施例中，所述控制单元包括用于每个桩腿的一个对应的速度控制器。这样就能通过把子任务分配给不同的独立模块来进一步分散闭环控制。然而，在所有桩腿的集体操作中，所有速度控制器通常会收到相同的速度设定点作为输入。然后，转矩限制模块将对由对应速度控制器输出的所有转矩设定点起作用。
有利地，至少一个桩腿的驱动机构包括一个以上的可变速驱动器。这样能够分配升降负载。如果一个驱动器发生故障，至少另外一个会继续可用。这大大增加了桩腿运动作业的可靠性。
在非常复杂的实施例中，所述的多驱动器的桩腿的每个可变速驱动器都包括一个对应的通过所述总线接头与对应的速度控制器连接的转矩控制器。由此，所有可变速驱动器被集成到控制系统中。这种级联控制结构增大驱动机构的可靠性，因为单个模块和/或可变速驱动器可能会失效，但不会停止升降作业。其余的驱动器将仅仅承受附加负载。
优选地，所述双向电子总线是一种高速现场总线，例如PROFIBUSDP。该电子总线也可以是众所周知的以太网派生物。这些替代品是价格低廉但可靠的总线系统，具有短的反应时间。


下面用附图进一步解释本发明的实施例。在附图中
图1示出了自升式平台的示意侧-现图2示出了永磁电动机的驱动控制电路的简化框图；以及
图3示出了转矩限制的示意转矩-速度图。
在全部附图中，相同的部件由相同的附图标记标出。
具体实施例方式
图1示意性地示出位于大海中的海上自升式平台1。它包括船体2和一些平行的、纵向可动的桩腿3 (即4个，只示出其中的两个)。船体1运载着，例如用于油田勘探的钻井设备。在图l所示状态中，所有桩腿3都安在作为固定地基的倾斜的海床4上。船体1抬起高出水平面5数米。
每个桩腿3配备了含有多个对应的可变速驱动器的驱动机构6，即18个(图1未示出)，该驱动机构驱动齿条-齿轮装置，该驱动机构与所有桩腿3共用的闭环控制单元(图1未示出)相结合。例如对于三角形桩腿，每个桩腿3的可变速驱动器被分配给三个独立组，每组都有各自的驱动器A至F。它们包括能实现无级变速地驱动桩腿3的永磁电动机(未示出)。所有可变速驱动器8A！(组l的驱动器A)至8f3 (组3的驱动器F)(见图2)都有单独的换流器(未示出)。
平台1可以由远程或本地抬升控制台(未示出)以自动和手动操作模式抬起。
图2以简化的形式示出了驱动控制系统的主要元件。它包括闭环控制单元7和一个桩腿3的可变速驱动器8A1 (组1的驱动器A)至8F3 (组3的驱动器F)，用于驱动例如永磁电动机(未示出)。为了简便起见，只图示了可变速驱动器8A1、 8F1、 8a2和8f2。出于同样的原因，附图中也没有示出其它桩腿3。
操作者可以根据操作模式驱动杠杆组9的一个或多个杠杆，该杠杆组包括用于每个桩腿3的一个单独的桩腿杆和用于所有桩腿3的集体作业的一个主杆。由速度设定点选择和修正模块10接收杠杆组9的状态，该模块10将速度设定点N+输出给每个桩腿3的对应速度控制器11 (只示出一个速度控制器11 )。速度控制器11给分配给它们的可变速驱动器8A1至8ra输出对应的转矩设定点M*。
除了速度控制器11之外，控制单元7还包括转矩限制模块12和控制制动器15的制动控制模块13。制动控制模块13从重量传感器确认模块14接收重量传感器值。重量传感器确认模块14可以从桩腿3上的重量单元或从桩腿上的重量估算器接收它的输入值。制动控制模块13也接收来自它所控制的制动器15的反馈信号，以及所有可变速驱动器8A1至8F2的实际转矩值。
对于后一目的，控制单元7经由作为双向电子总线16的PROFIBUSDP与可变速驱动器8^至8F2连接。 一方面，通过这个电子总线16连接，转矩设定点IV^从对应的速度控制器11传输给每个可变速驱动器8A1至8F2的控制器17。另一方面，实际转矩值M从可变速驱动器8^至8F2传输给转矩限制模块12和制动控制模块13,并且，实际速度值N从可变速驱动器8A1至8F2传输给置于速度控制器11上游的对应的速度传感器确认模块18。此外，信号通知驱动器状态"运行"或"停止"的标记R从每个可变速驱动器8^至8K传输给转矩限制模块12。为了附图的清楚性，只是简单画出实际值N、 M和R经由电子总线16从可变速驱动器8n、 8A2、 8F2的传输。这也适用于由转矩限制模块12施加在驱动器组2和组3上的转矩限制。
因为在抬升作业期间一些部件可能会有故障，重量传感器确认模块14和速度传感器确认模块18根据控制策略评估它们的输入传感器的状态
和数值。它们可以从功能传感器选择最可能正确的值，这可能是最大值、平均值、弱选择性或计算平均值。它们还可以选择具有最高带宽的传感器。
例如，速度传感器确认模块18可以使用来自汽车的速度值，而不是来自位置传感器的计算速度值。也可以提供其它传感器作为替代。给制动控制模块13的制动反馈输入从锁紧/夹紧机构得到信号。
每个速度控制器11产生转矩设定点给它下游的所有可变速驱动器8a!至8F2。该设定点可以被高级控制结构(例如由转矩限制模块12执行的电源管理系统PMS或操作者设置限制)进行限制。桩腿之间的任何差异由水平控制器19自动调整，该水平控制器19具有关于每个桩腿3的位置和偏移的信息。同一桩腿3的可变速驱动器8^至8F2之间的差异由转矩限制模块12调整，其执行转矩设定点限制。在将转矩设定点M"合总线16之前，执行限制。
在图3中示意性示出了描述两种不同限制策略的转矩-速度图。根据状态标记R和所有可变速驱动器8A1至8f2的实际转矩值M、以及来自电源管理系统PMS的输入和选定的工作模式，在第一策略中，转矩限制模块12可以将速度控制器11输出的转矩设定点M+限制成最大转
头巨M腿x-fix。
功率限制是一个推荐的功能，以防止在抬升作业期间可能出现的失电。对于专门应用，有必要限制对预定数值的输出。对于简单应用，使用一个固定的转矩限制就可以实现这一点。为此目的，速度控制器11的输
出由转矩限制模块12监测，并且，如果有必要，其被限制成极限值，除了有效的电流限制以外。因此，最大输出也限制成最大转速时的相应的最大转矩。
在许多情况下，永久设定的转矩限制Mn^-fix不足以提供有效的功率限制。例如，就具有高起步转矩而言转矩限制必须设定得相当高，这样的事实会引起在高速时超出最大容许输出。还有，在使用感应电动机磁场弱化操作的感应电动机的情况下，只使用具体情况下的固定转矩限制Mmax_fix就能获得有效的输出限制。
因此，优选的第二策略是由转矩限制模块12执行联合的转矩/功率限制。在低速状况期间，内部或外部确定的转矩限制M丽-k将限制速度控制器11输出的转矩设定点M*。在高速状况期间，实际功率限制将被考虑作为以平台1上的可用功率为依据的浮动限制M隨.fl。at。这将是限制成驱动器换流器的额定电流时所能获得的转矩。转矩限制将永远大于预定的最小转矩限制M,-min。
除了 "自动"和"手动"操作模式以外，控制单元7向操作者提供了多种控制模式。它们的运作在下文描述。
自动操作模式被设计成以相同的速度同时操作所有桩腿3，这与个体修正分开。它还提供了在上升或下降平台1时自动的水平控制。为此目的，可由操作者使用按钮从本地或远距离手动地实现水平控制功能。
为了抬升平台1，即船体2，由操作者启动水平控制功能。这将调整
桩腿的移动速度，以保持平台1的平衡。速度被自动地限制成例如2m/min的最大值，并且是杠杆组9的主杆的偏转的函数。如果主杆被解开，它会返回中间位置并且升降速度回到零。制动器15在预定时间以后将自动接合。在作业的任何阶段，可以通过相应的独立杆调整单个桩腿速度，即增大或减小。所有桩腿3工作一致，例如， 一旦一根腿失效或被操作者关闭，那么其它的也将停止。在任何这些情况下，制动器15将立即接合。
下降船体2的过程与上升的类似，只是顺序相反。随着主杆向下运动，平台l下降。计算负载将出现负值，因为转矩为负。平台l的下降速度被限制成，即使在最大的杠杆偏转下，例如2m/min。 一旦平台1到达水平面，负载示数将倾向于正的，因为转矩变得负得更少了。然后将用于桩腿上升的水平控制功能关闭。
通过按下控制台上的固持"按钮，从抬升控制台选择固持功能。当主杆到达其中间位置时，这将取代平台上升和下降期间的自动制动功能。在这个作业期间，电动机内的温度将升高。因为电动机温度受到永久监控，如果超出了电动机温度警戒线一定数量，这个功能会自动地中止并且制动器15会接合。
在平台l处于半抬起位置时，所谓的定位桩可能会暂时刺入海床4，并且操作者保持着主杆向下，随着桩腿3离开海床4，桩腿上升速度增大。速度仍然与主杆偏转成比例，但在这种情况下，最大为例如3m/min。当桩腿处于拖曳位置时，操作者将停止作业。这个位置可以在可视显示装置(VDU)上预置或定义。如果不能确定或超越，当发出信号"达到终点位置"的桩腿3的限位开关被激活时，系统将自动停止上升动作。为了独立地定位桩力逸3，可以以手动才莫式移动它们。为了桩腿下降，每个桩腿都由推-按钮启动。这个作业由偏转主杆至
"上"方向来开始，这意味着抬起船体2，即下降桩腿3。下降速度与主杆偏转成比例。在这种情况下，最大速度为例如3m7min。所有的桩腿3以相同的速度下降。负载计将呈现负值。
当至少一个桩腿3触及地基即海床4时，下降速度就减小，直至为零，并且转矩将增大到例如由设计规格给出的最大转矩值的约30%的数值。这个转矩值可由操作者调整。这会保持到所有桩腿3达到相同的状态。 一旦所有桩腿3都到位，转矩限制M皿将会逐渐增大。在过渡期间，由于海床状况的原因，桩腿3可以以不同速度移动。随着转矩限制M匪的增大，可变速驱动器8恢复对抬升船体2的速度控制。
手动操作模式被设计成让每个独立桩腿3的控制归操作者负责。速度取决于各个独立桩腿杆位置。在这种操作模式中自动水平控制不起作用。
手动操作模式允许操作者更自由地调整，如对桩腿3的预先加载或作单独的位置调整，例如，在已知海床是倾斜时。对这种模式应用了某些限制，也就是，没有来自抬升控制台的功率限制，没有转矩限制，除了可变速驱动器8允许的最大值，也没有自动水平控制，除了亲自读取倾角计。
为了预先加载，平台1必须已经抬在所有桩腿3上。因此，操:作者必须从对角布置的桩腿3中选出两个并且将它们升高以对它们进行部分卸载。这是通过使系统进入"手动"操作模式，并使用对应的"启动"按钮选择两个桩腿3来完成的。使用主杆使它们在正确的方向升高(或稍微卸载)。这会导致平台1的重量停留在其它两个桩腿3，从而推动预先加载的一对进入海床4。对于另外一对桩腿3的预先加载，在重新将平台l定位在海上方之后重复这个操作。
为了从海床4拔出一个桩腿3，需要持续一段时间的最大转矩。通过选择此功能，超过了所有其它转矩限制，除了电源管理系统PMS算出的限制。然而，在这个操作模式中，会出现速度接近零，并且能耗小于平台全速抬升作业期间的能耗。
实际转矩M和实际速度N不断受到监控。当桩腿3开始移动并且实际转矩M减小时，控制单元7逐渐减小转矩设定点，以避免出现突然的"桩腿脱离海床"事件。这种减小可以由速度控制器11执行或由转矩限制模块12以转矩限制M皿的形式执行。通常，对于繁重作业，可使用水射流来帮助桩腿3的收回。按照与上述相同的原理，可以布置用于感应电动机的变频驱动控制, 然而，需要应用本领域技术人员所公知的些许修改。
权利要求
1.一种自升式平台(1)，其包括船体(2)和用于所述船体(1)的至少三个纵向可移动的桩腿(3)，该桩腿(3)中的至少一个包括作为桩腿驱动机构(6)一部分的至少一个可变速驱动器(8，8A1至8F2)，其中，该平台(1)包括用于所述驱动机构(6)的闭环控制单元(7)，该闭环控制单元(7)通过双向电子总线(16)与所述可变速驱动器(8，8A1至8F2)连接，用于传输控制参数(M*，M，N，R)。
2. 如权利要求l所述的自升式平台(1),其特征在于，该可变速驱 动器(8，8m至8f2)连接到永磁电动机。
3. 如权利要求l所述的自升式平台(1),其特征在于，该可变速驱 动器(8,8^至8f2)连接到感应电动机。
4. 如在前任一项权利要求所述的自升式平台(1),其特征在于，所 述控制单元(7)包括速度控制器(11),该速度控制器经由所述总线接 头(16)向所述可变速驱动器(8, 8^至8f2)的转矩控制器(17)传递转 矩设定点(M*)。
5. 如权利要求4所述的自升式平台(1),其特征在于，所述转矩控 制器(17)集成到所述可变速驱动器(8，8a!至8f2)中。
6. 如权利要求4或5所述的自升式平台(1),其特征在于，所述速度 控制器(11 )可以通过所述总线接头(16 )接收所述可变速驱动器(8, 8A1 至8f2)的实际速度值(N)。
7. 如权利要求6所述的自升式平台(1),其特征在于，在所述速度 控制器(11 )的上游布置速度传感器确认模块(18)。
8. 如权利要求7所述的自升式平台(1)，其特征在于，所述速度传 感器确认模块(18)选择最可能正确的速度值和/或最高带宽传感器的速 度值。
9. 如在前任一项权利要求所述的自升式平台(1),其特征在于，该 闭环控制单元(7)包括对所述转矩设定点(M*)起作用的转矩限制模块(12)，所述转矩设定点由所述速度控制器(11 )输出给所述可变速驱动 器(8,8a!至8f2)。
10. 如权利要求9所述的自升式平台(1)，其特征在于，所述转矩限 制模块(12)执行联合的转矩/功率限制。
11. 如权利要求9或10所述的自升式平台(1),其特征在于，所述转矩限制模块(12 )可以通过所述总线接头(16 )接收所述可变速驱动器(8， 8a!至8f2)的实际速度和实际转矩值(N,M)。
12. 如在前任一项权利要求所述的自升式平台(1)，其特征在于， 所述闭环控制单元(7)包括用于每个桩腿(3)的一个对应的速度控制器(11)。
13. 如权利要求12所述的自升式平台(1)，其特征在于，至少一个 桩腿(3)的驱动机构(6)包括一个以上的可变速驱动器(8a!至8f3)。
14. 如权利要求13所述的自升式平台(1),其特征在于，所述的多 驱动器的桩腿(3)的每个可变速驱动器(8^至8b)都包括一个对应的转 矩控制器(17),该转矩控制器(17)经由所述总线接头(16)与所述对 应的速度控制器(11)。
15. 如在前任一项权利要求所述的自升式平台(1),其特征在于， 所述双向电子总线(16)是一种高速现场总线或以太网。
全文摘要
本发明涉及一种自升式平台(1)，其包括船体(2)和用于该船体(2)的至少三个纵向可移动的桩腿(3)，这些桩腿(3)中的至少一个包括作为桩腿的驱动机构(6)一部分的至少一个可变速驱动器(8，8_A1至8_F2)，其中，该平台(1)包括用于该驱动机构(6)的闭环控制单元(7)，该闭环控制单元(7)通过双向电子总线(16)与可变速驱动器(8，8_A1至8_F2)连接，用于传输控制参数(M^*，M，N，R)。
文档编号E02B17/00GK101636539SQ200780052256
公开日2010年1月27日 申请日期2007年3月20日 优先权日2007年3月20日
发明者V·卡尔斯塔德 申请人:西门子公司