袁飛暉，張紀(jì)昱

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

電氣與自動(dòng)化

基于變頻驅(qū)動(dòng)的自升式鉆井平臺(tái)升降控制系統(tǒng)

袁飛暉，張紀(jì)昱

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

為進(jìn)一步提高自升式鉆井平臺(tái)升降的安全性，基于JU2000E型自升式鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，提出結(jié)合故障安全型控制回路及冗余通信網(wǎng)絡(luò)的綜合保護(hù)措施設(shè)計(jì)方案。該保護(hù)方案在理論與實(shí)踐層面適用于當(dāng)前常規(guī)的變頻驅(qū)動(dòng)升降控制系統(tǒng)。故障失效模式與影響分析及升降試驗(yàn)的實(shí)施相互驗(yàn)證了綜合保護(hù)措施在不同工況下的有效性和可靠性。

升降控制系統(tǒng)；安全；冗余；保護(hù)

0 引 言

升降控制系統(tǒng)作為自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵系統(tǒng)，其整體性能的優(yōu)劣決定了平臺(tái)的安全性和使用性，并直接關(guān)系到項(xiàng)目的建造、調(diào)試及交付使用。為進(jìn)一步提高自升式鉆井平臺(tái)升降的安全性，依托上海外高橋造船有限公司在建的JU2000E型自升式鉆井平臺(tái)工程項(xiàng)目，基于基本設(shè)計(jì)方案開展變頻驅(qū)動(dòng)升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。JU2000E型自升式鉆井平臺(tái)為三角形船體，有3個(gè)三角形桁架樁腿，各個(gè)樁腿由其下端的樁靴支撐；配置有齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)，采用液壓鎖緊裝置進(jìn)行船體固定。

這里以基本設(shè)計(jì)的齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)介紹升降控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及操作功能要求，結(jié)合變頻驅(qū)動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)提出安全回路、雙網(wǎng)絡(luò)冗余的設(shè)計(jì)方法，歸納總結(jié)出升降控制系統(tǒng)的綜合保護(hù)原則，以有效提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冗余度及平臺(tái)升降操作的安全性為目標(biāo)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

1 升降控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

升降系統(tǒng)除了包含結(jié)構(gòu)升降單元安裝架、樁腿及樁靴之外，還具有升降單元（包括減速齒輪箱）、交流驅(qū)動(dòng)柜（包括電機(jī)控制中心和人機(jī)交互界面等組件）及控制系統(tǒng)（主要包括升降系統(tǒng)中央控制臺(tái)、變頻驅(qū)動(dòng)柜、扭矩分配控制柜及相位偏差檢測(cè)站）等機(jī)電設(shè)備。

1.1 升降中央控制臺(tái)

整個(gè)平臺(tái)升降裝置的操作主要在升降控制臺(tái)上進(jìn)行，在升降控制臺(tái)上通過發(fā)出升降指令實(shí)施平臺(tái)的升降操作?？刂婆_(tái)上安裝有物理水平儀和電子水平儀（見圖1），用以保障平臺(tái)在安全傾斜范圍之內(nèi)。此外，控制臺(tái)上還安裝有3組顯示屏，顯示各個(gè)升降齒輪承受的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，弦管、樁腿的總動(dòng)態(tài)負(fù)荷，升降電機(jī)的工作電流、功率及樁腿高度等，其中電子水平儀可在顯示屏上模擬顯示平臺(tái)的水平狀態(tài)。

1.2 交流傳動(dòng)系統(tǒng)

1.2.1 交流傳動(dòng)系統(tǒng)

1) 升降裝置變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由VFD驅(qū)動(dòng)器及控制器協(xié)調(diào)電機(jī)控制中心控制各升降單元，正常情況下通過升降控制室內(nèi)的升降中央控制臺(tái)來操作；對(duì)于單樁腿操作模式，可對(duì)樁腿實(shí)行部分功能的就地操作。每個(gè)樁腿都配備一套獨(dú)立的變頻驅(qū)動(dòng)柜，以實(shí)現(xiàn)單個(gè)樁腿的獨(dú)立操作控制（見圖2）。

2) 扭矩再分配控制及模式選擇控制柜。扭矩再分配控制用于手動(dòng)模式下任意選擇樁腿的18個(gè)電機(jī)中的一個(gè)，通過變頻器來調(diào)整該升降單元的輸出力矩。由于采用的是單電機(jī)單驅(qū)動(dòng)器模式，因此可使轉(zhuǎn)矩控制精度大大提高，可覆蓋30%～93%的轉(zhuǎn)矩輸出范圍，并可按百分比模式選擇輸出轉(zhuǎn)矩。

3) 負(fù)載轉(zhuǎn)移控制系統(tǒng)。負(fù)載轉(zhuǎn)移控制站用于將平臺(tái)負(fù)重轉(zhuǎn)移至鎖緊裝置時(shí)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，或在需要將負(fù)荷逆向轉(zhuǎn)移至升降單元時(shí)的剎車釋放操作控制。上述模式的操作只能就地執(zhí)行，且升降系統(tǒng)的控制位必須轉(zhuǎn)移至就地的某個(gè)控制站，同時(shí)操作狀態(tài)可在中央控制臺(tái)的監(jiān)視屏上實(shí)時(shí)顯示出來。

1.2.2 升降驅(qū)動(dòng)柜變壓器

對(duì)于上述升降裝置變頻驅(qū)動(dòng)裝置，每個(gè)樁腿都配備一臺(tái)容量為 1250kVA的變壓器。區(qū)別于常見的雙變壓器組成虛擬24脈供電方案，該方案采用4組副邊繞組集成式變壓器，每組副邊對(duì)應(yīng)下游的一臺(tái)整流器。這樣配置是為了盡可能地降低變頻器對(duì)平臺(tái)電網(wǎng)的諧波注入，即使是單個(gè)樁腿操作也不會(huì)產(chǎn)生低次諧波電流，從而將總正弦波形畸變率控制在船級(jí)社規(guī)范要求的范圍（總電壓正弦波畸變率＜8%；單次正弦波畸變率＜5%）內(nèi)。

1.2.3 電機(jī)控制中心（MCC）

電機(jī)控制中心是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最后輸出環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻驅(qū)動(dòng)器及主控制器連接。其主要功能包括：升降單元電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出執(zhí)行、電機(jī)空間加熱，升降單元?jiǎng)x車器輸出執(zhí)行、剎車空間加熱、升降電機(jī)超速監(jiān)測(cè)、電機(jī)負(fù)荷監(jiān)測(cè)、安全回路監(jiān)測(cè)等。

1.2.4 升降單元及電機(jī)

升降電機(jī)作為整個(gè)電氣傳動(dòng)鏈的功率輸出端，是完成電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；贘U2000E型自升式鉆井平臺(tái)的基本設(shè)計(jì)，整個(gè)平臺(tái)共配置54套升降單元及電機(jī)，平均分布在3個(gè)樁腿上，即每個(gè)三角形桁架樁腿上有18套。針對(duì)升降系統(tǒng)多點(diǎn)同步傳動(dòng)的控制要求，結(jié)合固樁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)升降單元（電機(jī)）必須采取沿升降單元安裝架冠狀面的非對(duì)稱布置，且選用轉(zhuǎn)差較大的電機(jī)。該項(xiàng)目中選用的升降電機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。

表1 升降電機(jī)主要性能參數(shù)

1.3 相位偏差就地控制站及編碼器

相位偏差控制站通過監(jiān)測(cè)平臺(tái)樁腿的各弦管高度求取相位差，即樁腿弦管相對(duì)于平臺(tái)主體高度位置的位移累積差值。齒條相位差就地控制臺(tái)共有 3處，分布于前樁腿、左樁腿和右樁腿，并配置相互獨(dú)立的位置高度編碼器。每條樁腿的基礎(chǔ)上面都有一個(gè)高度檢測(cè)齒片與樁腿齒條咬合，同軸連接一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)小齒片，當(dāng)大齒片帶動(dòng)小齒片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)給高度檢測(cè)裝置反饋信號(hào)，用以計(jì)算、顯示每條樁腿的弦梁升降高度，以便于操作者進(jìn)行監(jiān)控和操作（見圖1）。

2 控制系統(tǒng)的架構(gòu)

升降控制采用PLC集控、分布式執(zhí)行和反饋的結(jié)構(gòu)，并與低壓交流傳動(dòng)部分相交互。在升降中央控制室實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)3個(gè)樁腿的提升和下放。就地控制只限于負(fù)荷轉(zhuǎn)移及相位偏差調(diào)整，該控制功能需在負(fù)荷轉(zhuǎn)換就地控制站與相位偏差就地控制站之間切換。

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

升降控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（PLC）控制部分、變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）控制部分和人機(jī)交互界面（HMI）控制部分等3部分構(gòu)成（見圖3）。

2.2 子模塊功能描述

2.2.1 PLC軟件邏輯

PLC部分主要由 S7-400H 中央處理器及ET 200M遠(yuǎn)程輸入、輸出模塊構(gòu)成。狀態(tài)監(jiān)控模塊用于接收輸入、反饋信號(hào)至處理器，以采取合適的控制措施（如剎車釋放、接觸器及斷路器狀態(tài)）。位置高度模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各樁腿的高度。信號(hào)參考模塊用于通信、發(fā)生變頻器轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩環(huán)的給定。操作控制模塊用于操作者對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行修改與輸入。安全保護(hù)模塊用于根據(jù)預(yù)設(shè)因果邏輯采取保護(hù)動(dòng)作。

2.2.2 變頻驅(qū)動(dòng)器通信與控制

變頻驅(qū)動(dòng)器采用常見的通用型變頻器（交—直—交型），整個(gè)機(jī)組包括整流、逆變及能量回饋制動(dòng)單元，前端采用不可控器件進(jìn)行整流，經(jīng)移相變壓器供電并聯(lián)整流，通過直流母排向后端逆變單元饋電；而逆變回路多采用全控型器件構(gòu)成主回路。該類型變頻驅(qū)動(dòng)器具有較寬的調(diào)頻范圍、較高的整體換能效率及較低的諧波畸變率。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊主要監(jiān)測(cè)逆變模塊的電壓、電流、頻率及輸入端口和輸出端口信號(hào)的狀態(tài)。通信模塊主要處理PLC與VFD間的雙向通信。參數(shù)模塊使軟件能對(duì)輸入設(shè)定進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取。保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)VFD對(duì)自身及電機(jī)的各種物理保護(hù)。

2.2.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面由2套工控計(jì)算機(jī)及3套觸摸屏構(gòu)成。監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)處理所有的故障報(bào)警點(diǎn)、升降電機(jī)的運(yùn)行電流和電壓及各終端設(shè)備的通信。參數(shù)設(shè)置模塊給升降操作人員提供一定范圍內(nèi)可設(shè)置的參數(shù)調(diào)整界面，如電子水平儀、樁腿高度、相位偏差的故障及報(bào)警。歷史記錄模塊用于實(shí)時(shí)記錄升降操作過程中的各主要參數(shù)，并能提供回放功能。

3 升降控制安保系統(tǒng)的架構(gòu)

由于升降系統(tǒng)直接影響到平臺(tái)的整體姿態(tài)控制，因此其可靠性尤為重要?；诖?jí)社對(duì)故障失效模式與影響分析（FMEA）的要求[1]，目前的F&G VFD750系統(tǒng)在基本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上升級(jí)了控制網(wǎng)絡(luò)和處理器，能對(duì)程序控制進(jìn)行備份，提供應(yīng)急情況下的繼續(xù)操作；同時(shí)，在經(jīng)歷先前事故之后升級(jí)了安保控制回路，提供弦梁超速檢測(cè)及應(yīng)急停止措施，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.1 升降控制系統(tǒng)失效模式與影響分析

由于升降系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備多、安裝布置跨區(qū)域，平臺(tái)的工況環(huán)境復(fù)雜，因此采用綜合設(shè)計(jì)和操作的故障失效模式與影響分析來評(píng)估系統(tǒng)[2]。采用該分析方式的目的在于評(píng)估、正視故障失效發(fā)生的可能性及其帶來的后果對(duì)升降控制系統(tǒng)的影響，通過采取必要的措施降低、排除潛在的故障，從而使評(píng)估結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)。

分別識(shí)別出單一設(shè)備、操作環(huán)節(jié)發(fā)生的故障及故障的嚴(yán)重性，并對(duì)嚴(yán)重程度、發(fā)生頻率和檢測(cè)等級(jí)加以分級(jí)。需要注意的是，對(duì)于前一個(gè)故障造成的后果，若其能導(dǎo)致其他新的故障，則這樣的后果必須考慮到故障模式分析中[3]。

在監(jiān)測(cè)方式上：系統(tǒng)參量的物理量通常采用自動(dòng)化檢測(cè)，比如升降電機(jī)的實(shí)際工作電流采用電流變換器進(jìn)行采樣；弦管相對(duì)高度采用絕對(duì)式編碼器測(cè)量；而控制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備、邏輯控制器的運(yùn)行狀況等則通過報(bào)警系統(tǒng)的聲光提示結(jié)合人工巡視獲得。

3.1.1 故障失效模式分析

根據(jù)操作模式和功能設(shè)備對(duì)升降控制系統(tǒng)進(jìn)行劃分，對(duì)于每種故障失效模式，應(yīng)盡可能地列舉出其主要失效原因（見表2），從而構(gòu)成故障失效模式識(shí)別矩陣表。因此，故障影響分析過程的最終結(jié)果是將故障風(fēng)險(xiǎn)分析從定性轉(zhuǎn)化為定量，通過嚴(yán)重程度、發(fā)生頻率和檢測(cè)等級(jí)3者的評(píng)級(jí)與劃分，得出該操作模式、功能設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（RPN）。一般該矩陣表也是后續(xù)故障影響分析、補(bǔ)償措施分析的基礎(chǔ)。

表2 升降控制系統(tǒng)失效模式與影響分析

續(xù)表2 升降控制系統(tǒng)失效模式與影響分析

3.1.2 故障影響分析與補(bǔ)償措施

由表2可知，各類故障可大致分為設(shè)備控制器和傳感器元器件本身的故障及外圍線路和操作流程導(dǎo)致的故障2類。

1) 對(duì)于第1類故障，必須采取對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償措施來降低風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，通常通過增加通信設(shè)備的冗余、增加故障越控的選擇開關(guān)等硬件冗余來補(bǔ)償，以降低故障發(fā)生頻次；

2) 對(duì)于第2類故障，諸如不當(dāng)操作導(dǎo)致的故障，除了輔助加強(qiáng)升降操作手冊(cè)的描述及培訓(xùn)之外，最主要的是通過軟件流程干預(yù)來規(guī)避可能的不當(dāng)操作。

在確立并實(shí)施以上所有補(bǔ)償措施之后，應(yīng)對(duì)故障失效的嚴(yán)重程度、發(fā)生頻率及檢測(cè)等級(jí)進(jìn)行修訂，再次重新考證，以完善、排除潛在的失效模式。若被分析項(xiàng)的最大風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)落在故障嚴(yán)重程度的高危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間內(nèi)，則需重復(fù)進(jìn)行該過程，改進(jìn)系統(tǒng)保護(hù)措施，直至該項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)落在中、低可接受區(qū)間內(nèi)，得到既滿足規(guī)范和規(guī)格書要求，又滿足故障失效模式與影響分析的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

3.2 控制系統(tǒng)綜合保護(hù)措施設(shè)計(jì)與分析

綜合保護(hù)的根本目的在于從多個(gè)角度采取措施，降低升降控制系統(tǒng)在操作過程中可能面臨的潛在故障源和危險(xiǎn)源。根據(jù)系統(tǒng)在國內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)反饋，結(jié)合上述故障的影響與分析，參考IEC 61508[4]和IEC 61511-3[5]對(duì)安全完整性等級(jí)的要求，在升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就將其預(yù)規(guī)劃為故障安全型。安全保護(hù)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立運(yùn)行的，當(dāng)系統(tǒng)的軟件和硬件發(fā)生故障時(shí)，在硬件最小容錯(cuò)設(shè)備（電子、電氣、可編程電子器件）的基礎(chǔ)上，預(yù)設(shè)的控制流程會(huì)將升降控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入預(yù)定安全狀態(tài)：保持平臺(tái)當(dāng)前的位置，降速停車或應(yīng)急停止?？刂葡到y(tǒng)綜合保護(hù)措施主要體現(xiàn)在硬件線路配置、安全保護(hù)邏輯和通信網(wǎng)絡(luò)冗余等3個(gè)方面，以保障與平臺(tái)相關(guān)的生命財(cái)產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益，防止造成海洋環(huán)境污染。

3.2.1 控制電源配置與線路設(shè)計(jì)

1) 應(yīng)急控制回路設(shè)計(jì)：為獲得可靠動(dòng)作的應(yīng)急控制回路，升降控制系統(tǒng)的主電源回路與升降中央控制臺(tái)、各樁腿升降裝置變頻驅(qū)動(dòng)裝置（變頻器柜）、升降就地控制站及相位偏差就地控制站的應(yīng)急停止功能一一實(shí)現(xiàn)硬線聯(lián)鎖；換言之，任何一個(gè)樁腿的任何一處應(yīng)急停止能使整個(gè)應(yīng)急控制回路動(dòng)作。

2) 控制電源冗余設(shè)計(jì)：根據(jù)樁腿升降單元傳動(dòng)區(qū)域劃分電源供給，升降中央控制臺(tái)及通信控制模塊由平臺(tái)生活區(qū)域220VAC電力二次系統(tǒng)控制類電源供電，各樁腿所屬變頻驅(qū)動(dòng)裝置、電機(jī)控制中心及其對(duì)應(yīng)的各個(gè)就地控制站則由平臺(tái)機(jī)艙區(qū)域二次系統(tǒng)控制類電源獨(dú)立供電。特別是在中央控制臺(tái)上加裝了在線式不間斷電源（UPS），確保檢控、操作界面及通信單元的連續(xù)性供電。

3.2.2 安全保護(hù)回路邏輯設(shè)置

當(dāng)遇到緊急情況需要停止升降作業(yè)時(shí)，安全控制從控制邏輯上分別采用降速停止及應(yīng)急停止的原則，且只有當(dāng)故障報(bào)警點(diǎn)及相關(guān)報(bào)警從系統(tǒng)中復(fù)位之后升降系統(tǒng)才能重啟，以此確保系統(tǒng)的每次升降均滿足所有安全控制邏輯的要求。

對(duì)于不同級(jí)別的應(yīng)急停止，所采取的控制邏輯也是不同的，這是基于升降裝置當(dāng)前的狀態(tài)直接影響到平臺(tái)的姿態(tài)及安全設(shè)計(jì)的。對(duì)于中央控制臺(tái)的應(yīng)急停止命令，其屬于最高級(jí)別，整個(gè)升降系統(tǒng)會(huì)被應(yīng)急切斷，包括所有的升降電機(jī)控制中心；但對(duì)于來自于樁腿電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心的應(yīng)急停止命令，只使對(duì)應(yīng)的樁腿升降電機(jī)控制中心的安全控制回路切斷，而不會(huì)使整個(gè)平臺(tái)升降系統(tǒng)被切斷。這樣的設(shè)計(jì)能綜合應(yīng)急響應(yīng)的動(dòng)作，避免事故擴(kuò)大及對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。

安全控制回路同樣設(shè)置了嚴(yán)格的邏輯判斷條件（見圖4），一旦任何一處的應(yīng)急停止條件觸發(fā)，都將直接使控制電源回路繼電器動(dòng)作，從而在硬件層面實(shí)現(xiàn)閉鎖，繼而在PLC程序上作為對(duì)樁腿電機(jī)控制中心（單個(gè)）的電氣執(zhí)行器件的控制輸入條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)該樁腿所有電機(jī)電源、剎車器電源及變頻器進(jìn)線電源的電氣閉鎖[6]。這些控制條件至少包括各主要操作站：中央控制臺(tái)應(yīng)急停止、各樁腿電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心應(yīng)急停止及各樁腿相位偏差就地控制站應(yīng)急停止。

3.2.3 控制系統(tǒng)冗余通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

升降系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用冗余環(huán)網(wǎng)的方案（見圖5），因此1個(gè)環(huán)網(wǎng)只對(duì)應(yīng)有1個(gè)主站，而整個(gè)控制系統(tǒng)有2個(gè)主站，分別位于中央控制臺(tái)及左部樁腿電機(jī)控制中心，兩者互為冗余，當(dāng)其中一臺(tái)主控制器出現(xiàn)故障時(shí)能實(shí)現(xiàn)切換和接管。

控制網(wǎng)絡(luò)采用 PROFIBUSDP協(xié)議，能適應(yīng)平臺(tái)控制室和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的數(shù)據(jù)通信與控制并配合光纖通信，能滿足海工平臺(tái)作業(yè)的復(fù)雜、惡劣工況。傳輸介質(zhì)可采用金屬雙絞線或光纖，對(duì)于這些JU2000E項(xiàng)目，樁腿現(xiàn)場(chǎng)至控制器I/O單元采用62.5/125的多模光纖連接，而控制柜內(nèi)部則采用標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP線連接。

值得注意的是，該項(xiàng)目使用冗余備份的ET200M遠(yuǎn)程I/O站來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的采集及執(zhí)行，從而使數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集的實(shí)效性和可靠性得到保障。該單元是一種被動(dòng)設(shè)備，不享有總線訪問權(quán)，只能對(duì)接收到的消息進(jìn)行確認(rèn)，或在主站請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

通過PROFIBUS協(xié)議連接起升降系統(tǒng)中央控制臺(tái)、各樁腿電機(jī)控制中心、變頻驅(qū)動(dòng)器及相位偏差就地控制站等主要控制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)所謂的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。為獲得高等級(jí)的可靠性，采用冗余網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，因此當(dāng)通信電纜破損時(shí)仍能保證通信正常。相位偏差就地控制站同樣采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使用PROFIBUS電纜連接樁腿上所有的弦梁編碼器，用數(shù)字通信的方式取代編碼器的脈沖信號(hào)。

4 結(jié) 語

通過對(duì)多個(gè) JU2000E型自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目的升降控制系統(tǒng)進(jìn)行故障失效模式與影響分析及升降試驗(yàn)，驗(yàn)證了綜合安全保護(hù)系統(tǒng)在各工況、各意外情況下對(duì)自升式平臺(tái)姿態(tài)控制的可靠性。綜合安保分析為升降控制系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了借鑒與啟示，為平臺(tái)業(yè)主、平臺(tái)設(shè)計(jì)單位及船廠對(duì)不同方案、不同性能進(jìn)行選擇和比較提供了依據(jù)，對(duì)建造成本控制及平臺(tái)綜合性能實(shí)現(xiàn)都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling unit 2014： 6-1-9/7 Failure Modes and Effects Analysis [S]. 2014.

[2] BSS. Jacking System FMEA Report [R]. GustoMSC, 2013： 3-4

[3] EPE. E-Stop circuit design - FMECA Report [R]. CAMERON, 2015： 6-11

[4] IEC. Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems： IEC 61508[S]. 2010.

[5] IEC. Guidance for the determination of the required safety integrity levels： IEC 61511-3[S] . 2003.

[6] 袁飛暉，王克虎，張紀(jì)昱，等. 用于鉆井平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的安全保護(hù)控制系統(tǒng)：2014101913248[P]. 2014-10-19.

Study on the Jacking Control System for Jack-Up Drilling Platform Based on Variable Frequency Drive

YUAN Fei-hui，ZHANG Ji-yu
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

This study proposes a design principle of comprehensive protection measures which combines the failure security control circuit and the redundancy communication network for the jacking control system of JU2000E jack-up drilling platform in order to improve the safety of jacking operation of the jack-up drilling platforms. The principle is suitable for the conventional variable frequency driven jacking control system both theoretically and practically. The failure mode influence analysis and the jacking experiments verify mutually the effectiveness and the reliability of the comprehensive protection measures under different conditions.

jacking control system; safety; redundancy; protection

TP273；TE951

A

2095-4069 (2017) 01-0031-08

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.006

2016-07-20

袁飛暉，男，高級(jí)工程師，工程碩士，1978年生。2011年畢業(yè)于華中科技大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶及海洋工程電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)與技術(shù)管理工作。