专利名称：船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统及检测方法，特别适用于对海洋钻井平台船用拖缆机锚泊线的张力检测、收放线的长度测量以及速度测量，属于物理量测量技术领域。
背景技术：
半潜式平台是一种技术相对成熟，投资较低的浮式结构，它具有适应水深范围宽(200 3000m)，稳定性好，移运灵活等优点。因此，半潜式平台在深海钻井平台中有较多应用。为满足海上作业的要求，半潜式平台采用散开的锚泊系统定位，以抵御海洋环境的影响。锚泊系统由若干对称分布的锚泊线组成，这些锚泊线一端系在平台的不同位置，另一端锚固在海底，在散布的锚泊系统中，对锚泊线的两个基本要求是1)抛出的锚泊线长度有一定要求，即抛出的长度应足以保证船舶在受外力作用而漂移时锚泊线下端总能相切于水底，使锚的抓力得以充分发挥，防止走锚。2)锚泊线上施加了预张力，若干根有预张力的锚泊线布置在平台的周围，使平台保持在要求的位置。船用拖缆机是锚泊系统的主要组成部分，是半潜式平台上最重要的设备之一，其主要用途是为没有自航能力的海洋平台提供拖带和起抛锚作业，是支持半潜式平台抵抗风、流、和环境的重要手段。长期系泊于海面上的平台，要在各种恶劣的海洋环境中进行作业和生产，锚泊线所受的力常常大于100吨，有的甚至高达500吨以上。因此，正确测量其在海洋环境载荷作用下锚泊缆绳张力、抛出的锚泊缆绳长度就显得十分重要。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景，提供一种船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统及检测方法。本发明系统使用荷重传感器实现载荷测量，多圈绝对值编码器实现行程测量，PLC电气模块将采集到的荷重传感器信号和编码器信号进行处理计算，得到放出缆绳的长度、速度和张力，并显示在触摸屏上，触摸屏显示模块还可以实现相关参数的整定以及缆绳长度和张力的超限报警。本发明船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统技术方案它包括
若干个荷重传感器，该荷重传感器上连接有变送器；
一个编码器，用于实时采集和输出缆绳长度和速度数据信号，该编码器为多圈绝对值编码器；
一个包括CPU模块、模拟量输入接口模块、SSI信号转换模块、模拟量输出接口模块、无源开关量输出接口模块的PLC电气模块，用于将过定位空间力学系统进行简化，由PLC软件实现功能算法，建立力学模型；
一个包括触摸屏软件的触摸屏显示模块，该触摸屏显示模块与CPU模块相连接，用于实时显示缆绳张力及放出缆绳长度和速度，并对张力和长度进行参数整定，当长度和张力值超限，无源开关量输出接口模块就向现场提供报警信号；所述的荷重传感器与模拟量输入接口模块连接，将采集的荷重数据模拟量信号传送给模拟量输入接口模块；所述的编码器与绞车缆绳相连，记录绞车缆绳的当前绝对位置和速度，然后将位置和速度的数据信号传送给PLC电气模块。在上述技术方案基础上更进一步的方案是
所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统，其CPU模块分别与模拟量输入接口模块、SSI信号转换模块、模拟量输出接口模块和无源开关量输出接口模块以及触摸屏显示模块连接，用于处理数据信息以及发送命令；模拟量输入接口模块用于接收荷重传感器的信号，SSI信号转换模块用于接收编码器的信号，模拟量输出接口模块用于向现场提供计算出的缆绳长度、速度和张力的模拟量信号，无源开关量输出接口模块用于向现场提供张力和长度超限报警信号。本发明的一种用上述的系统进行船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，包括下述步骤
A、编码器采集传送缆绳位置和速度数据信号编码器将采集到的位置和速度数据信号传送给SSI信号转换模块；
B、荷重传感器采集传送荷重数据信号荷重传感器的变送器将感应到的压力转换成模拟量信号，并将模拟量信号传送给PLC电气模块中的模拟量输入接口模块；
C、PLC计算缆绳的长度和速度CPU模块将SSI信号转换模块接收到编码器的信号进行计算处理，得到当前放出的缆绳的长度以及此时放缆绳的速度；
D、PLC计算缆绳的张力模拟量输入接口模块将接收到的变送器传送的模拟量信号传给CPU模块，该CPU模块将模拟量信号再转化为压力值，并由CPU模块中的PLC软件根据力学计算模型，将包括压力值和缆绳长度值已知量进行计算处理，最终得到缆绳当前的张力值；
E、结果显示、参数整定和超限报警CPU模块将缆绳的位置、速度和张力值传送给触摸屏显示模块，然后触摸屏显示模块将接收到的缆绳位置、速度和张力值显示在触摸屏上，通过触摸屏软件进行参数整定并发送给CPU模块，当缆绳长度和张力超过整定值的范围时，无源开关量输出接口模块就会向现场提供报警信号。在上述方法技术方案基础上更进一步的技术方案是
所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其C步骤所述PLC计算缆绳长度步骤是先输入缆绳所处的层数η和圈数i，然后根据下式计算放出的缆绳长度
权利要求
1.一种船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统，其特征在于，包括 若干个荷重传感器(I )，该荷重传感器(I)上连接有变送器(1.1); 一个编码器(2)，用于实时采集和输出缆绳长度和速度数据信号，该编码器(2)为多圈绝对值编码器； 一个包括CPU模块(3)、模拟量输入接口模块(4)、SSI信号转换模块(5)、模拟量输出接口模块(6)、无源开关量输出接口模块(7)的PLC电气模块(8)，用于将过定位空间力学系统进行简化，由PLC软件实现功能算法，建立力学模型； 一个包括触摸屏软件的触摸屏显示模块(9)，该触摸屏显示模块(9)与CPU模块(3)相连接，用于实时显示缆绳张力及放出缆绳长度和速度，并对张力和长度进行参数整定，当长度和张力值超限，无源开关量输出接口模块(7)就向现场提供报警信号； 所述的荷重传感器(I)与模拟量输入接口模块(4)连接，将采集的荷重数据模拟量信号传送给模拟量输入接口模块(4);所述的编码器(2)与绞车缆绳相连，记录绞车缆绳的当前绝对位置和速度，然后将位置和速度的数据信号传送给PLC电气模块(8 )。
2.根据权利要求I所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统，其特征在于，所述的CPU模块(3 )分别与模拟量输入接口模块(4 )、SSI信号转换模块(5 )、模拟量输出接口模块(6 )和无源开关量输出接口模块(7 )以及触摸屏显示模块(9 )连接，用于处理数据信息以及发送命令；模拟量输入接口模块(4)用于接收荷重传感器(I)的信号，SSI信号转换模块(5)用于接收编码器(2)的信号，模拟量输出接口模块(6)用于向现场提供计算出的缆绳长度、速度和张力的模拟量信号，无源开关量输出接口模块(7)用于向现场提供张力和长度超限报警信号。
3.一种用权利要求I所述的系统进行船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，包括下述步骤 A、编码器(2)采集传送缆绳位置和速度数据信号编码器(2)将采集到的位置和速度数据信号传送给SSI信号转换模块(5)； B、荷重传感器(I)采集传送荷重数据信号荷重传感器(I)的变送器(I.I)将感应到的压力转换成模拟量信号，并将模拟量信号传送给PLC电气模块(8)中的模拟量输入接口模块(4); C、PLC计算缆绳的长度和速度CPU模块(3)将SSI信号转换模块(5)接收到编码器(2)的信号进行计算处理，得到当前放出的缆绳的长度以及此时放缆绳的速度； D、PLC计算缆绳的张力模拟量输入接口模块(4)将接收到的变送器(I.I)传送的模拟量信号传给CPU模块(3)，该CPU模块(3)将模拟量信号再转化为压力值，并由CPU模块中(3)的PLC软件根据力学计算模型，将包括压力值和缆绳长度值已知量进行计算处理，最终得到缆绳当前的张力值； E、结果显示、参数整定和超限报警CPU模块(3)将缆绳的位置、速度和张力值传送给触摸屏显示模块(9)，然后触摸屏显示模块(9)将接收到的缆绳位置、速度和张力值显示在触摸屏上，通过触摸屏软件进行参数整定并发送给CPU模块(3)，当缆绳长度和张力超过整定值的范围时，无源开关量输出接口模块(7)就会向现场提供报警信号。
4.根据权利要求3所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，C步骤所述PLC计算缆绳长度步骤是先输入缆绳所处的层数η和圈数i，然后根据下式计算放出的缆绳长度
5.根据权利要求4所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，公式 (D中，缆绳所处的层数η和圈数i的测定，以行程检测装置中的编码器(2)确定，包括下述步骤 Cl、确定缆绳内层和外层参数绞车缆绳共有k层，第I层为最内层，第k层为最外层；奇数层有P圈，偶数层有Q圈，每层中靠近绞车传动齿轮的为第一圈；缆绳层数与圈数由编码器(2)的读数确定； C2、编码器(2)对缆绳层数与圈数按以下公式确定 第I层的读数范围为(I P) X360°--------Q 第2层的读数范围为((P+1) (P+Q)) X 360° -------- , 第η层的读数范围为 [(n/2*P+n/2*Q+l) (n/2*P+n/2*Q+P)] X 360° (当 η 为奇数) [(n/2*P+n/2*Q-Q+l) (n/2*P+n/2*Q)] X360° (当 η 为偶数)
6.根据权利要求3所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，C步骤所述放缆绳的速度按下式确定
7.根据权利要求3所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，D步骤所述缆绳的张力，包括放缆张力和收缆张力，分别按下式确定
8.根据权利要求7所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，公式CD (D中绞车上剩余缆绳的自重G2的计算公式如下
9.根据权利要求7所述的船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测方法，其特征在于，公式中卷筒轴颈对轴承的压力Fa由轴承支座的两个支脚其下安装荷重传感器(I)测定相关参数后再按下述公式计算
全文摘要
本发明涉及船用拖缆机绞车缆绳张力和长度检测系统及检测方法，特别适用于对海洋钻井平台船用拖缆机锚泊线的张力检测、收放线的长度测量以及速度测量。本发明检测系统包括荷重传感器，编码器，PLC电气模块，触摸屏显示模块。检测方法步骤包括编码器采集传送缆绳位置和速度数据信号、荷重传感器采集传送荷重数据信号、PLC计算放缆绳的长度和速度、以及PLC计算缆绳的张力、结果显示参数整定和超限报警。本发明优点是能及时准确得到放或收缆绳的长度、速度和张力数据信息，确保海面上的作业平台安全稳定；触摸屏能显示检测情况并且触摸屏显示模块还能实现参数的整定以及缆绳长度和张力的超限报警；能有效地保护船用拖缆机绞车和缆绳的安全运行。
文档编号G01B21/06GK102628719SQ20121012967
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者刘娟, 张建民, 胡慧涛, 陈冲, 陈凯, 韩韬, 高有涛 申请人:武汉华中天经光电系统有限公司