船用壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的設(shè)計

于祥春 關(guān)敬民 孔凡旭 高 帥 魏鵬飛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

半潛式自航工程船(Semi-submersible Ships)也稱半潛式母船，是專門運輸大型海上石油鉆井平臺、大型艦船、潛艇、龍門吊及預(yù)制橋梁構(gòu)件等超長超重，但又無法分割吊運的超大型設(shè)備的特種海運船舶。半潛式自航工程船在工作時，會像潛水艇一樣，通過調(diào)整船身壓載水量，平穩(wěn)地將一個足球場大小的船身甲板潛入10～30m深的水下，只露出船樓建筑；然后等需要裝運的貨物拖拽到已經(jīng)潛入水下的裝貨甲板上方時，啟動大型空氣壓縮機，用壓縮空氣將半潛式自航工程船身壓載水艙的壓載水排出船體，使船身連同甲板上的承載貨物一起浮出水面，然后綁扎固定，海運至目的地。

半潛式自航工程船的空氣壓載系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機、空氣管路、壓載艙及透氣管路等系統(tǒng)，其中空氣壓縮機系統(tǒng)的設(shè)計和供貨基本由Atlas Copco、Aerzen和Ingersoll-rand公司壟斷。而壓載系統(tǒng)是半潛式自航工程船正常工作的重中之重，筆者將重點闡述半潛式自航工程船壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和控制流程的設(shè)計方案。

1 船用壓載系統(tǒng)①

船舶的壓載方式主要有壓載水泵、壓縮空氣和利用靜水壓力(重力)自流3種方式。不同壓載方式的壓載速度不同，消耗的能量也不盡相同，船舶下潛和上浮的作業(yè)時間也有很大差異。

某項目船舶壓載系統(tǒng)設(shè)置有兩套單獨的系統(tǒng)：空氣壓載系統(tǒng)(圖1)和水泵壓載系統(tǒng)(圖2)，并以空氣壓載系統(tǒng)為主、水泵壓載系統(tǒng)為輔，兩種方式配合使用。空氣壓縮機系統(tǒng)是空氣壓載系統(tǒng)的核心，為整個壓載系統(tǒng)提供可靠的壓縮空氣，空氣壓縮機系統(tǒng)包括4套空氣壓縮機系統(tǒng)(每臺流量6 750m3/h、壓力270kPa)，每兩套系統(tǒng)并聯(lián)工作，同時為兩個壓載主空氣管匯提供壓縮空氣。水泵壓載系統(tǒng)包括：艏部水泵系統(tǒng)，兩臺離心泵，流量1 500m3/h、壓力350kPa，負(fù)責(zé)主甲板以上的壓載水艙；艉部水泵系統(tǒng)，兩臺離心泵，流量400m3/h、壓力350kPa，負(fù)責(zé)艉浮箱和尾部其中一個壓載水艙。

2 壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)

壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)集中了報警、監(jiān)測及控制等功能，而船底水系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及壓縮機系統(tǒng)等各子系統(tǒng)分散獨立運行，同時又與全船控制系統(tǒng)相互聯(lián)系，實現(xiàn)綜合報警、監(jiān)測及控制等功能。全船控制系統(tǒng)的功能類似于DCS系統(tǒng)；而壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)則以PLC為核心的單元控制系統(tǒng)，類似于DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場操作控制站。

壓載空氣壓縮機系統(tǒng)主要包括無油螺桿空氣壓縮機、后冷卻器、氣水分離器和相關(guān)的電控儀表，這些也是壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的主要控制對象，其中無油螺桿空氣壓縮機自帶控制柜，也是壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的控制對象。壓載空氣壓縮機的工作過程主要是壓載作業(yè)和排載作業(yè)，因此壓載空氣壓縮機的系統(tǒng)控制也是圍繞這兩類作業(yè)設(shè)計的。

3 壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的硬件配置

圖1 空氣壓載系統(tǒng)示意圖

圖2 水泵壓載系統(tǒng)示意圖

壓載空氣壓縮機系統(tǒng)主要由4套相同的空氣壓縮機系統(tǒng)組成，且互為備用。同樣控制系統(tǒng)也是4套互為備用，而且每一套本身又是CPU和通信冗余配備，空氣壓縮機控制系統(tǒng)的硬件配置如圖3所示。雙CPU之間采用同步光纖通信，與ET200之間采用Profibus DP通信，與觸摸屏之間采用網(wǎng)線Internet通信，與DCS系統(tǒng)之間采用Modbus RTU 485通信。

系統(tǒng)采用Simatic S7-400，包括：CPU 412-3H，2塊；模擬量輸入模塊，8點 1塊；數(shù)字量輸入模塊，16點 1塊，32點 1塊；數(shù)字量輸出模塊，16點 1塊。觸摸屏為Simatic MP 277 Touch，是多功能平臺類HMI設(shè)備，可擴(kuò)展辦公領(lǐng)域的通信功能，設(shè)有Profibus DP接口、以太網(wǎng)接口和TFT屏幕，并且支持Sm@rt Service、Sm@rt Acess和OPC服務(wù)器。

4臺空氣壓縮機控制系統(tǒng)之間的通信采用Modbus RTU 485，采用冗余配置，其通信冗余連接如圖4所示。

圖3 空氣壓縮機控制系統(tǒng)硬件配置

圖4 壓載空氣壓縮機系統(tǒng)通信連接示意圖

4 壓載空氣壓縮機控制系統(tǒng)的軟件流程

圖1中給出了壓載空氣壓縮機系統(tǒng)的各個設(shè)備，及其與全船系統(tǒng)的聯(lián)系。在此流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了如圖5所示的壓載空氣壓縮機系統(tǒng)的控制軟件流程。

空氣壓縮機的初始狀態(tài)為停機狀態(tài)，電動閥3701～3704都處于關(guān)閉狀態(tài)。排載啟動的控制過程：首先打開電動閥3701和3704，同時監(jiān)測電動閥的位置，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則系統(tǒng)報警；如果電動閥正常打開則啟動空氣壓縮機。空氣壓縮機啟動達(dá)到正常轉(zhuǎn)速后打開電動閥3702，監(jiān)測電動閥3702的狀態(tài)，如果沒有正常打開則系統(tǒng)復(fù)位為初始狀態(tài)；如果電動閥3702正常打開則接著關(guān)閉電動閥3704，如果電動閥3704沒有正常關(guān)閉則系統(tǒng)復(fù)位為初始狀態(tài)，否則空氣壓縮機繼續(xù)工作進(jìn)行排載作業(yè)；這期間如果出現(xiàn)空氣壓縮機報警或是TT3703監(jiān)測的溫度超過70℃或者中控發(fā)出ESD關(guān)機信號，則電動閥3704打開，電動閥3701和3702關(guān)閉，壓縮機停止，同時系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)。如果沒有以上情況出現(xiàn)，就一直運行排載作業(yè)至排載結(jié)束復(fù)位到初始狀態(tài)。

空氣壓縮機初始假設(shè)處于停機狀態(tài)，電動閥3701～3704都處于關(guān)閉狀態(tài)。壓載啟動的控制過程：首先打開電動閥3703，但在打開電動閥3703之前需保證水分罐的液位開關(guān)LSHH-3701無報警，同時監(jiān)測電動閥3703的開關(guān)狀態(tài)，如果電動閥3703沒有打開則進(jìn)行系統(tǒng)報警，確定已經(jīng)打開后啟動空氣壓縮機同時打開電動閥3704。然后檢測空氣壓縮機和電動閥3704的狀態(tài)，如果空氣壓縮機沒有啟動則系統(tǒng)報警，如果電動閥3704沒有打開則返回初始狀態(tài)，如果空氣壓縮機和電動閥3704狀態(tài)都正常則空氣壓縮機繼續(xù)運行同時監(jiān)測水分罐液位LT-3701。如果LT-3701的液位低于0mm則電磁閥SV3701關(guān)閉，如果液位高于450mm則電磁閥SV3701打開。這期間如果出現(xiàn)空氣壓縮機報警或是TT3703監(jiān)測的溫度超過70℃，則電動閥3703和3704關(guān)閉，同時系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)。如果沒有以上情況出現(xiàn)，那么就一直運行壓載作業(yè)至壓載結(jié)束后復(fù)位到初始狀態(tài)。

圖5 壓載空氣壓縮機系統(tǒng)控制流程

5 結(jié)束語

半潛式自航工程船的壓載空壓機系統(tǒng)是由海洋石油工程股份有限公司組織技術(shù)力量進(jìn)行自主研發(fā)的，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化研究，該系統(tǒng)首次在半潛式自航工程船壓載系統(tǒng)成功應(yīng)用后，設(shè)備一切功能運行正常，證明了該設(shè)計方案的可行性。這不但打破了國外公司在此領(lǐng)域的設(shè)計壟斷，也為今后在此領(lǐng)域的工作奠定了基礎(chǔ)。