高連燁

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津作業(yè)公司 天津 300452）

海洋石油161平臺(tái)升降系統(tǒng)電控部分優(yōu)化改造

高連燁

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津作業(yè)公司 天津 300452）

針對(duì)海洋石油161平臺(tái)液壓插銷升降系統(tǒng)改造前存在的問題，介紹了電控系統(tǒng)改造方案，系統(tǒng)硬件配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、監(jiān)控畫面。

海洋石油161平臺(tái)；液壓插銷升降系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)

引言

“海洋石油161”平臺(tái)于2008年開始建造，2009年交付給中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，該平臺(tái)自投產(chǎn)以來，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但由于諸多原因，升降系統(tǒng)集中控制臺(tái)無法使用，升降作業(yè)時(shí)只能樁邊操作，無可視化的平臺(tái)傾角檢測(cè)，升降作業(yè)效率低，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在一定操作安全隱患。現(xiàn)借“海洋石油161”特檢塢修之際，對(duì)升降系統(tǒng)做了優(yōu)化改造。[1-3]

1 電控系統(tǒng)改造方案

海洋石油161平臺(tái)升降動(dòng)力由液壓系統(tǒng)提供。液壓系統(tǒng)由插銷控制回路、提升油缸的換向和速度控制回路等基本液壓回路構(gòu)成。電控系統(tǒng)將系統(tǒng)的控制信號(hào)（操作手柄、按鈕、接近開關(guān)、溫度傳感器、壓力傳感器等）通過輸入接口輸入，經(jīng)過內(nèi)部的控制程序處理后，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（主油缸、插銷油缸）按照預(yù)定的邏輯順序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)液壓插銷系統(tǒng)的控制，如圖1所示為升降系統(tǒng)改造后電氣控制流程。

圖1 升降系統(tǒng)改造后控制流程

此次升降系統(tǒng)改造電控部分為徹底解決操作繁瑣，實(shí)現(xiàn)升降系統(tǒng)自動(dòng)和半自動(dòng)操作，對(duì)集中控制臺(tái)和樁邊控制柜做了整體替換，其余動(dòng)力部分（電機(jī)起動(dòng)器）利用原升降系統(tǒng)。電控系統(tǒng)改造主要由集中控制臺(tái)、樁邊控制柜和傾斜水平儀組成，見下表1所示。

表1 升降電控系統(tǒng)改造部分

2 電控系統(tǒng)硬件配置

液壓插銷升降電控系統(tǒng)主要由PLC模塊和觸摸屏等構(gòu)成，其硬件配置如下表2所示。

表2 電氣控制系統(tǒng)硬件配置

按集中管理，分布式控制原則設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和交互，系統(tǒng)框架由管理層、控制層和現(xiàn)場數(shù)據(jù)層構(gòu)成。

管理層主要在集中控制臺(tái)完成，各個(gè)插銷狀態(tài)、油缸壓力等信號(hào)數(shù)據(jù)通過PROFIBUS總線或者電纜傳輸?shù)郊嘏_(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員又通過集控臺(tái)的操作手柄、監(jiān)控界面等又將控制命令給PLC系統(tǒng)，完成提升油缸和插銷油缸的動(dòng)作，總覽整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

控制層用可編程控制器作為底層控制中心分別對(duì)升降系統(tǒng)的提升油缸、插銷油缸、泵站電機(jī)進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)，采集信息，控制設(shè)備運(yùn)行。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)層指通過各種傳感器將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)由物理量轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，傳輸給PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場各種信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、判斷、存儲(chǔ)。

3 電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。集中控制臺(tái)配置一套西門子S7-400H冗余PLC。各樁邊控制柜內(nèi)配置一套ET200M分布式IO，各樁腿的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的輸入輸出由分布式IO實(shí)現(xiàn)。集中控制臺(tái)與樁邊控制柜的PLC通過Profibus總線進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。集中控制臺(tái)內(nèi)的冗余PLC系統(tǒng)使得其中1個(gè)CPU或者ET200M出現(xiàn)故障后，控制系統(tǒng)依然能夠正常使用。原先觸摸屏數(shù)據(jù)傳輸采用profibus總線形式，這種方式傳輸數(shù)據(jù)最高224字節(jié)且傳輸速度慢，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)傳輸，避免觸摸屏畫面卡頓。

圖2 電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

集中控制臺(tái)的控制系統(tǒng)配置一套西門子S7-400H冗余PLC。S7-400H采用“熱備用”模式的主動(dòng)冗余原理，在發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)地自動(dòng)切換。根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》關(guān)于控制系統(tǒng)的一般要求“控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障對(duì)控制過程產(chǎn)生的危險(xiǎn)性盡可能降到最低的程度，并不會(huì)使備用的自動(dòng)和/或手動(dòng)控制失效?！盵4]升降系統(tǒng)電控系統(tǒng)選用具有容錯(cuò)功能的400H的PLC，樁邊控制柜還有一套應(yīng)急的操作，這樣極大提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了控制系統(tǒng)只出現(xiàn)一處故障的情況下，升降控制系統(tǒng)仍然能夠使用。

各樁腿控制單元內(nèi)配置一套ET200M分布式IO，各樁腿的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)由分布式IO實(shí)現(xiàn)。集中控制臺(tái)與樁腿控制單元的PLC通過Profibus總線進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。冗余PLC系統(tǒng)使得CPU或者ET200M出現(xiàn)故障后，控制系統(tǒng)依然能夠正常使用。此外，集中控制臺(tái)內(nèi)設(shè)置了交換機(jī)，集中控制臺(tái)和各樁腿控制單元的觸摸屏以及電子水平儀觸摸屏均通過交換機(jī)連接PLC以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。

4 人機(jī)界面的優(yōu)化

人機(jī)界面是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，是操作員和過程機(jī)器設(shè)備之間的接口。人機(jī)界面(HMI)主要承擔(dān)以下任務(wù)：(1)過程可視化；(2)操作員對(duì)過程的控制；(3)顯示報(bào)警；(4)過程值和報(bào)警記錄；(5)報(bào)警和運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)定設(shè)置。[5]操作員在平臺(tái)升降的操作過程中，要時(shí)時(shí)了解當(dāng)前提升油缸的位移、插銷的狀態(tài)、平臺(tái)傾斜角度、油缸和系統(tǒng)壓力等信息，以便對(duì)系統(tǒng)操作和緊急報(bào)警做出正確的判斷和處理。

整個(gè)升降系統(tǒng)在集中控制臺(tái)布置了兩塊觸摸屏，在每個(gè)樁邊控制柜各布置了一個(gè)觸摸屏，方便集控臺(tái)和樁邊的操作員都對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)時(shí)時(shí)監(jiān)控。每個(gè)HMI由多個(gè)畫面組成，主要包括主界面、樁腿畫面、液壓泵站。

主界面顯示的信息如下圖3所示。包括選擇的工況、控制位置、平臺(tái)傾斜角度、自動(dòng)控制時(shí)的升降節(jié)距設(shè)定；同時(shí)還有4條樁腿各自的位移、總共升降的節(jié)距數(shù)、提升油缸瞬時(shí)位移、提升油缸有桿腔與無桿腔壓力、上下插銷插拔狀態(tài)等；液壓站各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。

圖3 觸摸屏主界面

樁腿界面如圖4所示，可以顯示樁腿的各提升油缸位移及有桿腔無桿腔壓力、上下插銷的狀態(tài)，以及工況、控制模式、控制位置、樁腿位移、當(dāng)前節(jié)距、自動(dòng)剩余節(jié)距，同時(shí)保留了插銷原檢測(cè)信息。

圖4 1#樁腿界面

液壓泵站顯示如圖5所示，主要顯示各電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)電流、加載閥得失電狀態(tài)、主泵出口壓力、濾器堵塞情況、各樁比例閥開口反饋、各樁流量大小等信息。

圖5 液壓泵站畫面

5 結(jié)論

本次升降系統(tǒng)改造徹底解決了以前無法實(shí)現(xiàn)集中控制和不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降的問題，優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)。通過對(duì)該升降系統(tǒng)的改造，達(dá)到以下目的：

（1）實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)升降系統(tǒng)的集中控制功能，能在集中控制臺(tái)對(duì)單樁或多樁同時(shí)進(jìn)行升降操作，實(shí)現(xiàn)各樁腿按設(shè)定節(jié)距數(shù)自動(dòng)升降；

（2）通過改造簡化升降系統(tǒng)的操作，優(yōu)化樁腿控制單元的設(shè)計(jì)，使樁腿控制單元操作更加人性化，優(yōu)化樁腿控制單元上觸摸屏的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，便于操作人員在機(jī)旁進(jìn)行樁腿升降控制操作。

[1]穆勝軍.海洋石油161平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].船海工程,2015(4):127-129.

[2]雷曉程.西門子S7-400H冗余系統(tǒng)在12000m石油鉆機(jī)上的應(yīng)用[J].自動(dòng)化工程,2009(3):51-53.

[3]劉愛俠.插銷式液壓升降系統(tǒng)在采油平臺(tái)的成功應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2012(1):75-78.

[4]中國船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）[M].北京：人民交通出版社,2012.

[5]車暢.插銷爬桿型風(fēng)電安裝船升降裝置液壓與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

高連燁（1983-），男，學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向：海上石油平臺(tái)設(shè)備管理，電氣工程項(xiàng)目及其它。