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）

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

引言

“海洋石油161”平臺于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)集中控制臺無法使用，升降作業(yè)時(shí)只能樁邊操作，無可視化的平臺傾角檢測，升降作業(yè)效率低，人員勞動強(qiáng)度大，且存在一定操作安全隱患?，F(xiàn)借“海洋石油161”特檢塢修之際，對升降系統(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平臺升降動力由液壓系統(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（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)自動和半自動操作，對集中控制臺和樁邊控制柜做了整體替換，其余動力部分（電機(jī)起動器）利用原升降系統(tǒng)。電控系統(tǒng)改造主要由集中控制臺、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完成，各個(gè)插銷狀態(tài)、油缸壓力等信號數(shù)據(jù)通過PROFIBUS總線或者電纜傳輸?shù)郊嘏_監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員又通過集控臺的操作手柄、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，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，傳輸給PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場各種信號的遠(yuǎn)程監(jiān)控、判斷、存儲。

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，各樁腿的控制信號和狀態(tài)信號的輸入輸出由分布式IO實(shí)現(xiàn)。集中控制臺與樁邊控制柜的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”模式的主動冗余原理，在發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無擾動地自動切換。根據(jù)CCS《海上移動平臺入級規(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，并不會使備用的自動和/或手動控制失效?！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，各樁腿的控制信號和狀態(tài)信號由分布式IO實(shí)現(xiàn)。集中控制臺與樁腿控制單元的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，集中控制臺內(nèi)設(shè)置了交換機(jī)，集中控制臺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)、平臺傾斜角度、油缸和系統(tǒng)壓力等信息，以便對系統(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，方便集控臺和樁邊的操作員都對系統(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、平臺傾斜角度、自動控制時(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、自動剩余節(jié)距，同時(shí)保留了插銷原檢測信息。

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)自動升降的問題，優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)。通過對該升降系統(tǒng)的改造，達(dá)到以下目的：

（1）實(shí)現(xiàn)了平臺升降系統(tǒng)的集中控制功能，能在集中控制臺對單樁或多樁同時(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)在采油平臺的成功應(yīng)用[J].液壓與氣動,2012(1):75-78.

[4]中國船級社.海上移動平臺入級規(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：海上石油平臺設(shè)備管理，電氣工程項(xiàng)目及其它。