李萌，周毅，鄭坤，孫冰，周斌

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

LNG海上浮式加注系統(tǒng)是LNG燃料加注船的核心裝備之一，用于實現(xiàn)海上LNG加注船與LNG動力船間LNG的安全快速輸送。受風(fēng)浪、船體相互作用等因素影響，海上LNG輸送對過程安全性要求更高。本文設(shè)計一種LNG海上浮式加注管控系統(tǒng)，并建立加注系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對加注設(shè)備及加注管路的重要數(shù)據(jù)進行分析并量化，對加注過程及加注系統(tǒng)關(guān)鍵部件使用壽命實時跟蹤監(jiān)測，解決LNG浮式加注信息化程度低、關(guān)鍵設(shè)備運維預(yù)測能力缺失等問題，實現(xiàn)海上加注作業(yè)信息的實時采集、處理與監(jiān)測。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

加注控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)采用模塊設(shè)計，傳感模塊、控制系統(tǒng)、計費計量系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)等部分以相互獨立的方式進行設(shè)計，充分發(fā)揮系統(tǒng)的定制化和擴展性。系統(tǒng)主要分為上位層、控制層和設(shè)備層，系統(tǒng)硬件架構(gòu)拓撲圖見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)拓撲

上位層的人機交互設(shè)備配備兩臺工業(yè)工作站：數(shù)據(jù)監(jiān)控工作站可以對海上加注系統(tǒng)實現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的監(jiān)測和儀表設(shè)備的控制，同時兼?zhèn)渖a(chǎn)運行數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成人機交互、數(shù)據(jù)融合運算、設(shè)備安全管理等信息化管控功能；業(yè)務(wù)工作站主要實現(xiàn)計費計量系統(tǒng)的信息管理功能，對人員的制卡、刷卡信息進行匯錄，對生產(chǎn)單據(jù)進行跟蹤、記錄，對人員的權(quán)限進行分配等。

控制層由計費計量系統(tǒng)和核心控制器構(gòu)成：計費計量系統(tǒng)由自主研發(fā)的批量控制器和防爆讀卡器組成，將現(xiàn)場的計費計量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破骱蜕衔粚拥谋O(jiān)控站、業(yè)務(wù)站，實現(xiàn)加注過程的計費計量和工藝生產(chǎn)的手動控制；控制系統(tǒng)核心控制器完成現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、安全聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)通信等功能，提供第三方接口，同時完成ESD的緊急切斷、緊急停車、超限緊急動作等控制。

設(shè)備層主要配備精密儀表設(shè)備和電氣設(shè)備：精密儀表用于加注系統(tǒng)的前端信息感知與計量，通過流量計、溫/壓傳感器、靜電報警器對工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行無間斷監(jiān)測，實時將數(shù)據(jù)遠傳給控制層；電氣設(shè)備用于調(diào)度輸送液體燃料，泵機將加注罐內(nèi)的LNG輸入到工藝管道內(nèi)，通過調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥實現(xiàn)流速控制和緊急切斷。

各模塊之間的功能見圖2。

圖2 模塊功能

2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計

船舶加注管理系統(tǒng)基于Econsoft環(huán)境，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)功能的設(shè)計及開發(fā)，在windows7-10的系統(tǒng)上運行；屏幕界面基于嵌入式的運行環(huán)境，在Kinco HMIWare進行開發(fā)，相關(guān)界面設(shè)計見圖3。

圖3 加注系統(tǒng)人機交互界面設(shè)計

2.1 上位層功能設(shè)計

上位層的業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)可以對加注/受注船信息、加注量、計費額度等數(shù)據(jù)進行集中管理，系統(tǒng)中至少保留100 000條操作記錄，以便對數(shù)據(jù)進行查詢統(tǒng)計；加注的相關(guān)參數(shù)可由有數(shù)據(jù)授權(quán)的技術(shù)人員預(yù)先在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置壓力變送器范圍，溫度變送器范圍，流量系數(shù)，預(yù)冷溫度，預(yù)冷流速等參數(shù)，從而實現(xiàn)精確控制。

監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測工藝數(shù)據(jù)和軟管吊位置信息，提供加注狀態(tài)和數(shù)據(jù)報警功能，當系統(tǒng)與加注批控器通訊中時，系統(tǒng)畫面將出現(xiàn)通訊故障報警信息；加注批控器和上位機之間通過RS485線和Modbus協(xié)議進行通信，在刷卡加注時到數(shù)據(jù)庫中進行檢查，如果信息有誤可以停止加注，從而保證系統(tǒng)安全性，同時控制系統(tǒng)可以設(shè)置就地/遠程加注控制，保證加注方式的靈活性。

除此之外加注時要進行船號的確認，開票室制作IC卡時選擇船型編號，IC卡設(shè)定編號與泊船編號一致，方可刷卡加注；現(xiàn)場刷卡完成須有操作人員確認加注信息，無誤后方可確認信息正確開始加注；刷卡以后數(shù)據(jù)上傳到加注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中進行校驗，確認無誤后將加注量下載到批控器，操作員確認后進行加注；業(yè)主可通過需求選擇需要打印的報表信息。

2.2 控制層功能設(shè)計

控制層系統(tǒng)提供本地/遠程操作兩種操作模式，可以通過加注控制室的加注控制系統(tǒng)修改加注模式，聯(lián)機加注模式由制卡系統(tǒng)設(shè)置預(yù)制加注量并由加注批控器自動讀取預(yù)裝量。脫機模式由現(xiàn)場操作人員在大屏上手動輸入預(yù)裝量或輸入加注單號，系統(tǒng)根據(jù)加注單號讀取預(yù)注量，輸入完成后即可直接開始加注。

在加注時需要連接接地裝置，加注完畢要斷開接地裝置；加注人員可通過批量控制器屏幕確認加注信息。加注調(diào)節(jié)閥根據(jù)批控器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的四段加注速度，比對加注瞬時流速，自動控制調(diào)節(jié)閥開度，以控制流速在設(shè)定相應(yīng)加注段的流速范圍內(nèi)；在設(shè)定好預(yù)裝量后，加注撬將自動依次打開氣動切斷閥、氣動調(diào)節(jié)閥進行充裝，在沒有報警的情況下，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置好的系統(tǒng)參數(shù)，自動進行加注流速控制，在達到系統(tǒng)設(shè)置提前量時，系統(tǒng)將減小流速，加注完成自動關(guān)閉閥門，停止加注。當出現(xiàn)緊急事故時緊急切斷閥在緊急停車、EDS急停狀態(tài)下切斷閥關(guān)閉，同時可以存儲報警信息和報警日志。

系統(tǒng)控制器連接質(zhì)量流量計、溫度變送器、壓力變送器等，對質(zhì)量、溫度、壓力等信號進行精確采集。通過控制器的自調(diào)節(jié)PID算法控制氣動調(diào)節(jié)閥，可有效消除水擊及靜電，確保動態(tài)加注精度，保證加注的穩(wěn)定性。加注系統(tǒng)10 in彩色液晶顯示屏提供參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)脫機聯(lián)機狀態(tài)、溫度、壓力、流速、預(yù)裝量、已裝量與報警顯示功能，同時顯示屏上會有計費計量顯示。

2.3 設(shè)備層功能設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)可以進行溫度、壓力檢測，采集溫度、壓力變送器的4～20 mA信號，并在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)置上限報警值，超限則立即報警，并發(fā)出聲光，執(zhí)行器執(zhí)行聯(lián)鎖動作；系統(tǒng)還可以進行靜電檢測，具有靜電夾未接或接觸不良(接地電阻大于等于10 Ω時)報警功能，并實現(xiàn)對控制閥門的聯(lián)鎖，防止火災(zāi)爆炸事故；當加注遇有靜電故障時，都將發(fā)出醒目的閃爍紅光和警醒的報警聲提醒現(xiàn)場操作工的注意，并在批控器上滾動顯示故障和報警項，當液相線和氣相線的壓力和溫度超過設(shè)定值時控制系統(tǒng)報警。

根據(jù)加注工藝流程，自動控制液相開關(guān)閥開關(guān)，及氣動調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度根據(jù)設(shè)置參數(shù)自動多段調(diào)節(jié)。閥位檢測可以實時檢測液相/氣相開關(guān)閥、氣動調(diào)節(jié)閥的閥位信號，實現(xiàn)閥位遠程顯示及異常報警。在軟管吊動作過程中，通過編碼器和接近開關(guān)時刻反饋位置信息，在出現(xiàn)超限動作前執(zhí)行安全聯(lián)鎖動作，在出現(xiàn)緊急情況時，只需按下輔助操作盤上的防爆急停按鈕，就能立即關(guān)閉并停止該加注撬的加注進程，同時執(zhí)行相應(yīng)的安全聯(lián)鎖動作。

加注批控器和上位機之間通過RS485線和Modbus協(xié)議進行通信。在刷卡加注時到數(shù)據(jù)庫中進行檢查，如果信息有誤則停止加注，保證安全性?？刂葡到y(tǒng)可以設(shè)置就地/遠程加注，保證了加注方式的靈活性；同時上位機預(yù)留與DCS通信使用的OPC接口，供DCS采集加注撬信息。

3 加注系統(tǒng)控制流程

LNG加注控制系統(tǒng)的控制流程主要可以分為計費計量系統(tǒng)、自動化工藝控制系統(tǒng)兩部分，加注控制流程見圖4。

圖4 加注控制流程

計費計量系統(tǒng)包括定量加注、定額加注、非定量加注三種模式。定量加注是指控制系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備完成工作人員設(shè)定的預(yù)定量的加注，當IC卡余額不足時提示人員重新設(shè)定加注量；定額加注是指人員設(shè)定LNG的加注的金額，程序內(nèi)部可以自動換算為對應(yīng)的加注量；非定量加注是指當人員對加注量沒有預(yù)先控制時，控制器預(yù)先根據(jù)IC卡金額量進行加注，當余額充足時，加注前端的注滿開關(guān)信號反饋到系統(tǒng)內(nèi)部，結(jié)束加注過程，否則以最大的余額量進行加注。相關(guān)系統(tǒng)界面顯示見圖5。

圖5 人機交互界面

自動化工藝控制系統(tǒng)用于滿足LNG介質(zhì)加注特性的工藝要求，在預(yù)裝期間首先對管線進行整體預(yù)冷，當溫度滿足加注要求時，首先采取小流量罐裝，防止罐內(nèi)溫差較大導(dǎo)致LNG氣化過快造成的壓力隱患，中間過程通過預(yù)設(shè)流速來控制調(diào)節(jié)閥大開度，經(jīng)過3段階梯式的PID調(diào)節(jié)手段，實現(xiàn)LNG介質(zhì)快速、慢速、低速的分級控制過程，最終完成穩(wěn)定、安全的加注流程。