劉承志 徐亞玲 石麗杰 周迎春 薛吉宏

摘要：壓載控制系統(tǒng)是半潛式平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)控制和監(jiān)測(cè)半潛式平臺(tái)在裝載和卸載過(guò)程中壓載水量的變化，進(jìn)而保證半潛式平臺(tái)的穩(wěn)性，對(duì)于保障平臺(tái)的安全性和提高調(diào)載工作效率方面具有重要的作用。介紹了一種以WinCC 組態(tài)軟件和PLC 為核心控制器的壓載控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備操作和上位機(jī)界面監(jiān)測(cè)于一體，通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)的信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)控制。相比于傳統(tǒng)的人工操作閥門的方法，壓載控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以大節(jié)省人力以及時(shí)間成本，提高壓載效率。通過(guò)相關(guān)調(diào)載試驗(yàn)表明，下位機(jī)程序運(yùn)行穩(wěn)定，上位機(jī)呈現(xiàn)的畫面直觀明了，具有良好的人機(jī)交互性。

關(guān)鍵詞：半潛式平臺(tái);壓載控制系統(tǒng);WinCC 組態(tài)軟件;PLC;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0231-04

Research on Ballast Control System of Semi-submersible Platform

Liu Chengzhi，Xu Yaling，Shi Lijie，Zhou Yingchun，Xue Jihong

（ Offshore Oil Engineering Co. ，Ltd. ，Tianjin 300461，China ）

Abstract：The ballast control system is an important part of the semi-submersible platform. By controlling and monitoring the change of the ballast water volume of the semi-submersible platform during the loading and unloading process，the stability of the semi-submersible platform can be ensured，which is important for ensuring the safety of the platform. It plays an important role in improving performance and improving theefficiency of load adjustment. A ballast control system with WinCC configuration software and PLC as the core controller was introduced，which integrated dataacquisition，data processing，equipmentoperationandhostcomputerinterfacemonitoring. Throughthesignaltransmissionbetween the host computer and the lower computer，realized the automatic control of the valve. Compared with the traditional method of manuallyoperating the valve，the application of the ballast control system could greatly save manpower and time cost，and improve the ballast efficiency. The related load adjustment test shows that the program of the lower computer runs stably，the picture presented by the upper computer is intuitive and clear，and has good human-computer interaction.

Key words：semi-submersible platform;ballast control system;WinCC configuration software;PLC;human-computer interaction

0 引言

隨著我國(guó)海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，深海域的石油開發(fā)已逐步成為我國(guó)現(xiàn)階段的重點(diǎn)研究方向，同時(shí)半潛式的采油平臺(tái)也逐步在各類采油平臺(tái)中脫穎而出[1]，半潛式平臺(tái)是通過(guò)調(diào)節(jié)其壓載艙中壓載水量的變化進(jìn)而控制整個(gè)平臺(tái)的上浮與下沉。在早期的壓載工況下，平臺(tái)的穩(wěn)定狀態(tài)大都由操作人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)獲得。為了完成配載，需控制壓載水艙的壓載量，這個(gè)過(guò)程不僅需要大量的人力和時(shí)間成本，工作效率低，還無(wú)法保證裝載或卸載貨物的安全性，并未實(shí)現(xiàn)壓排載的自動(dòng)控制[2]。為解決這些問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一種控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，降低人工成本，提高壓排載操作效率。

王嘉宇等[3]依據(jù)壓載水調(diào)撥智能控制算法，對(duì)特定船型在縱傾和橫傾狀態(tài)下的穩(wěn)性進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了壓載水自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的壓載水控制方式實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)。Manzi 等[4]以Pridedo Rio 號(hào)石油鉆井平臺(tái)為例，在原有壓載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有人機(jī)交互接口的壓載系統(tǒng)，提高壓載效率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)已有的船舶和海上平臺(tái)的壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，本文研究的半潛式平臺(tái)具有壓載艙數(shù)量多，閥門數(shù)量多的特點(diǎn)，同時(shí)其還要經(jīng)歷多種復(fù)雜工況，為保證其穩(wěn)性，需要對(duì)半潛式平臺(tái)進(jìn)行精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此介紹了一種以WinCC 組態(tài)軟件和PLC 為核心控制器的壓載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)象包括半潛式平臺(tái)的壓載艙液位、平臺(tái)吃水、壓載泵進(jìn)出口壓力等，通過(guò)使用PLC 控制器控制壓載艙的閥門開閉、排載水泵的啟停等。上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面的開發(fā)由WinCC 組態(tài)軟件完成，主要包括顯示系統(tǒng)的控制界面、生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表等。上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)載過(guò)程中半潛式平臺(tái)的狀態(tài)以及設(shè)備的運(yùn)行情況，并根據(jù)不同的狀況做出相應(yīng)的控制。

1 壓載控制系統(tǒng)概述

本文介紹的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)分為上部模塊和船體兩大部分，壓載控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備主要位于船體，船體共有4個(gè)立柱，每個(gè)立柱的C 層應(yīng)急控制間均設(shè)置有PLC 控制盤柜，4個(gè)立柱之間的控制盤柜通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行通信;壓載控制系統(tǒng)位于船體的操作站共有兩臺(tái)，分別設(shè)置于船體的SW 立柱和NE 立柱，每臺(tái)操作站均可以控制和監(jiān)測(cè)整個(gè)船體的壓排載狀態(tài);在上部模塊的中控室也設(shè)有一臺(tái)壓載控制系統(tǒng)操作站，通過(guò)串口通信，用戶也可以在上部模塊的中控室中進(jìn)行相應(yīng)的控制和監(jiān)測(cè)。壓載控制系統(tǒng)如圖1所示。

2 壓載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 壓載控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)壓載控制系統(tǒng)應(yīng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊等組成。壓載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓載控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊由液位傳感器和壓力傳感器對(duì)系統(tǒng)中壓載艙液位、各立柱吃水液位、管路壓力、液壓動(dòng)力系統(tǒng)溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;數(shù)據(jù)處理模塊，即PLC，用于對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，根據(jù)不同的輸入數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的信號(hào)顯示于上位機(jī)中，并對(duì)遠(yuǎn)程控制模塊，即電液閥門和排載水泵，發(fā)出控制指令，相應(yīng)的電液閥門和排載水泵完成指定的動(dòng)作;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊即WinCC 上位機(jī)組態(tài)軟件，對(duì)整個(gè)壓載控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2. 2 液位測(cè)深系統(tǒng)

整個(gè)半潛式平臺(tái)的控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)艙室的液位，如凝析油艙、污油艙、柴油艙、淡水艙、壓載艙等，這些數(shù)據(jù)對(duì)于半潛式平臺(tái)的穩(wěn)態(tài)控制至關(guān)重要。在整個(gè)半潛式平臺(tái)的壓載控制系統(tǒng)中，液位測(cè)深系統(tǒng)起著監(jiān)測(cè)和報(bào)警的作用。液位測(cè)深系統(tǒng)包括液位傳感器以及監(jiān)測(cè)軟件等，位于壓載艙中的液位傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PLC 控制器進(jìn)行處理以后，顯示于上位機(jī)界面中。當(dāng)液位傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)低于或高于系統(tǒng)原有的設(shè)定值時(shí)，報(bào)警信號(hào)會(huì)自動(dòng)輸出，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)的工作人員處理相應(yīng)情況[5]，保障了半潛式平臺(tái)的安全性。半潛式平臺(tái)的液位測(cè)深系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面如圖3所示。

2. 3 閥門遙控系統(tǒng)

相比于傳統(tǒng)的依靠人力手動(dòng)控制閥門開閉的方式，閥門遙控系統(tǒng)對(duì)于節(jié)約人力成本、提高工作的安全性起著非常重要的作用[6]。在壓載控制系統(tǒng)中，閥門遙控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)半潛式平臺(tái)壓排載系統(tǒng)管路上電液閥門的狀態(tài)，接收壓載控制系統(tǒng)的調(diào)載指令，控制電液閥門的開閉以及排載水泵的啟停。本文介紹的半潛式平臺(tái)的閥門遙控系統(tǒng)由電液閥門、遙控系統(tǒng)和應(yīng)急閥塊等組成。當(dāng)需要進(jìn)行調(diào)載作業(yè)時(shí)，首先明確壓載艙的位置和壓載水量，由壓載控制系統(tǒng)的操作臺(tái)控制相應(yīng)閥門的開啟和關(guān)閉，同時(shí)在操作界面前監(jiān)測(cè)各個(gè)閥門的狀態(tài)和壓載艙內(nèi)水的實(shí)時(shí)液位，當(dāng)調(diào)載作業(yè)完成時(shí)，及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)閥門。半潛式平臺(tái)的閥門遙控系統(tǒng)的控制及監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。該系統(tǒng)有效解決了遠(yuǎn)距離操作閥門工作量大或某些場(chǎng)所操作人員不能隨時(shí)進(jìn)入操作閥門的情況。

3 壓載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

半潛式平臺(tái)壓載控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為下位機(jī)PLC 軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。壓載控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。PLC 控制軟件[7]主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制等功能，其中數(shù)據(jù)采集主要包括壓載艙液位、各立柱吃水、排載系統(tǒng)管路壓力等參數(shù)，數(shù)據(jù)處理主要包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等，遠(yuǎn)程控制主要包括電液閥門的開閉、排載水泵的啟停等。上位機(jī)WinCC 組態(tài)軟件[8]的主要功能是實(shí)現(xiàn)壓載艙液位、各立柱吃水、排載水泵狀態(tài)、閥門開關(guān)狀態(tài)以及系統(tǒng)管路壓力和溫度等參數(shù)在上位機(jī)界面中實(shí)時(shí)顯示，針對(duì)系統(tǒng)中的故障及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并生成報(bào)表進(jìn)行記錄。

3. 1PLC 軟件設(shè)計(jì)

壓載控制系統(tǒng)的PLC 軟件設(shè)計(jì)采用STEP7軟件[9]編寫系統(tǒng)功能塊圖表示控制邏輯，采用多線程的方法來(lái)進(jìn)行模塊化編程，即由主程序調(diào)用多個(gè)子程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)閥門的開閉、排載水泵的啟停，并在監(jiān)測(cè)的同時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理。PLC 軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

進(jìn)入到程序以后，首先完成系統(tǒng)初始化操作，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的初始值和參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，然后對(duì)整個(gè)壓載控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查[10]，包括硬件和軟件，硬件主要有排載水泵、各傳感器、閥門的狀態(tài)，軟件包括各立柱間 PLC 通信是否正常，上位機(jī)界面是否能正確顯示各設(shè)備的狀態(tài)。若系統(tǒng)通信正常，則按流程進(jìn)行下一步操作，若通信發(fā)生錯(cuò)誤，則需要立刻中斷程序進(jìn)行故障檢查。當(dāng)上位機(jī)界面處于正常狀態(tài)時(shí)，傳感器開始對(duì)各壓載艙液位、各立柱吃水和系統(tǒng)管路壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集到的信號(hào)進(jìn)入PLC 的相應(yīng)模塊， PLC 調(diào)用相應(yīng)的子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)排載水泵、電液閥門的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)上位機(jī)端對(duì)采集到的液位、壓力、溫度以及設(shè)備執(zhí)行情況實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。

3. 2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

半潛式平臺(tái)的系統(tǒng)非常龐大，操作人員無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)監(jiān)測(cè)到多個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)，因此將現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備形象地顯示在中控的監(jiān)測(cè)畫面中是非常必要的。上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)主要是便于操作人員在中控室可以實(shí)時(shí)查看到各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)，方便操作人員及時(shí)做出判斷是否需要進(jìn)行調(diào)載作業(yè)，若需進(jìn)行調(diào)載作業(yè)，則操作人員通過(guò)控制上位機(jī)發(fā)出指令信息，指令信號(hào)傳到下位機(jī)PLC 控制器，進(jìn)而對(duì)整個(gè)壓排載系統(tǒng)進(jìn)行圖7上位機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制。上位機(jī)軟件系統(tǒng)功能如圖7所示。

WinCC 是一種模塊化的自動(dòng)化組件，具有很好的開放性和穩(wěn)定性[11]?；赪inCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有：全面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各壓載艙的液位、各立柱吃水液位以及系統(tǒng)管路壓力或溫度等信息，并實(shí)時(shí)顯示排載水泵和電液閥門的運(yùn)行狀態(tài);具備良好的人機(jī)交互界面，操作人員可以在中控室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并發(fā)出控制指令進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，控制設(shè)備的運(yùn)行;數(shù)據(jù)記錄，上位機(jī)軟件會(huì)將實(shí)時(shí)的液位、壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于日后查看。

4 海上工況調(diào)載

該半潛式生產(chǎn)平臺(tái)正常工況下的吃水為35～40 m，圖8所示為平臺(tái)上裝載計(jì)算機(jī)在平臺(tái)壓載到35 m 時(shí)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，由圖可以看出，平臺(tái)在壓載到35 m的位置時(shí)已經(jīng)基本滿艙，所以實(shí)際上平臺(tái)只要壓載到35 m 左右時(shí)即可達(dá)到正常海上生產(chǎn)工況。

在進(jìn)行壓載操作時(shí)，進(jìn)入壓載控制系統(tǒng)的閥門遙控界面，打開相應(yīng)的閥門即可控制海水進(jìn)入壓載艙。本文中以NW9艙的壓載操作為例進(jìn)行介紹，如圖9所示。進(jìn)行NW9壓載艙進(jìn)水操作時(shí)，需依次打開閥門XV-96010、XV-96013、XV-96014、XV-96006、 XV-96012、XV-96015，

在壓載控制系統(tǒng)中找出相應(yīng)的閥門打開即可。點(diǎn)擊相應(yīng)的閥門在界面中會(huì)彈出如圖10所示的命令面板，點(diǎn)擊“OPENED”即完成閥門的開操作。需要注意的是，由于壓載艙數(shù)量多，進(jìn)行壓載操作時(shí)，需要對(duì)側(cè)反復(fù)壓載，不能單側(cè)壓載，避免造成平臺(tái)傾斜嚴(yán)重，這就需要操作人員在監(jiān)測(cè)界面時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直至各立柱吃水一致。

通過(guò)海上壓載試驗(yàn)，可以得出該半潛式平臺(tái)的系統(tǒng)穩(wěn)定，能很好地控制泵及閥門地動(dòng)作，同時(shí)上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面清晰，采集到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在允許誤差的范圍內(nèi)，具有很好的人機(jī)交互性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的半潛式平臺(tái)的壓載控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各壓載艙的液位、各立柱吃水液位等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，采集到的信號(hào)傳輸?shù)絇LC 控制器進(jìn)行處理用以對(duì)系統(tǒng)的排載水泵和電液閥門的控制?；赪inCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面具有良好的人機(jī)交互界面，除了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)外，通過(guò)發(fā)送控制指令到PLC 控制進(jìn)而控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。該壓載控制系統(tǒng)集自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)于一體，具有良好的穩(wěn)定性，大節(jié)約了人力成本，提高了整個(gè)平臺(tái)的自動(dòng)化水平。

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第一作者簡(jiǎn)介：劉承志（1986-），男，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)殡姎鈨x表自動(dòng)化。 （編輯：王智圣）