鉆井船閥門遙控系統設計

郭曉波，許亮亮，張海龍

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

鉆井船閥門遙控系統設計

郭曉波，許亮亮，張海龍

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

閥門遙控系統是由控制臺利用液、氣、電作為動力對閥門的開啟、關閉進行遠距離集中控制，同時可以監測到各個閥的運行情況。首先介紹了遙控閥的類型，再通過兩種常見的控制方案闡述了閥門遙控系統的控制原理，最后以上海中遠船務工程有限公司在建鉆井船項目為例，詳細講述了電液動式閥門遙控系統的設計方法。

閥門遙控系統；控制方案；電液動式閥門

0 引言

閥門遙控系統是由控制臺利用液、氣、電作為動力對閥門的開啟、關閉進行遠距離集中控制，同時可以監測到各個閥的運行情況。一般閥門遙控裝置包括中央控制站、控制柜、液壓站、液壓管線、現場閥體和執行機構（注：只有選用液壓式遙控閥時，才包含液壓站和液壓管線）。在中央控制站或控制柜處通過監測裝置或者計算機發出動作指令，由安裝在現場的執行機構來執行，同時將位置信號反饋至控制柜和中央控制站，從中控制系統可以方便快捷地控制遠程閥門并實時了解閥門的開閉狀態［1］。

1 遙控閥的類型

根據遙控閥的驅動方式可以分為電動、氣動、液動、電液動四種基本類型［2，3］。電動遙控閥是以交流或直流電作為動力來源，通過控制臺上的開關控制電機的正反轉從而控制閥門的開、閉；氣動遙控閥是以氣源壓力作為動力，通過控制臺上的開關通過控制對應開閉閥氣管上的電磁閥換向，由氣壓驅動器驅動閥門進行開、閉；液動遙控閥是由液壓泵站提供動力源，通過控制臺上的開關控制對應的開、關閥管路上的電磁閥換向，由液壓驅動器驅動閥門進行開、閉；電液動遙控閥是以液壓為動力，通過控制柜控制電液式驅動電機正反轉，使驅動器液壓泵將正向或者反向的液壓動力提供給開、閉油路進行閥的開、閉。

根據閥的功能又可分為雙作用閥和單作用閥。需要失電后保持開關狀態不變時選用雙作用閥，需要失電后關閉或者失電后打開時，選用單作用閥。閥門選擇要滿足規范要求和船東要求，如壓載系統的遙控閥，要求當失去控制電源和壓力時，遙控閥必須為關閉狀態或導向關閉，所以只能選擇單作用閥。

根據閥的開閉程度又可以將閥分為兩種，一種是開關閥，其控制及反饋信號為數字量；一種是調節閥，其控制信號和反饋信號為模擬量。

2 閥門遙控系統的控制原理

閥門遙控系統是可以通過遠程監測并控制閥門開閉的系統。閥門遙控系統可以作為一個獨立的系統，有單獨的設備供應商提供整套控制系統，并與中央集成控制系統進行數據傳輸，實現遠程遙控功能；也可以集成到中央控制系統中，成為中控系統的一個子系統，由中控系統提供完整的系統［4］。無論采取獨立系統還是集成為中控系統的子系統，閥門遙控系統的控制原理都是一致的。其控制系統拓撲圖如圖1和圖2所示。

2.1 閥門遙控系統作為一個獨立的系統來設計

圖1所示方案中，遙控閥按照區域就近連接到對應的閥門遙控系統控制柜上，控制柜集成了 I/O模塊，系統控制模塊和系統操作的人機界面，通過人機界面顯示MIMIC圖，獲取閥門的開、閉狀態；通過人機界面的鼠標或者鍵盤來發送命令信號，從而達到遠程控制閥門的目的。

各個控制柜之間通過Ethernet網絡連接，使得任何一個單獨的控制柜上都可以監測并控制所有的遙控閥。控制柜通過RS-485總線和中控聯網，使得所有的遙控閥也可以通過中控監測并通過控制位置的選擇，轉移到中控控制。

2.2 閥門遙控系統作為中控系統的一部分來設計

圖2所示，遙控閥系統和中控系統共用現場信號采集柜（I/O柜），各個區域的遙控閥就近連接到I/O柜中，I/O柜經網絡連接到中央控制柜，閥門遙控的控制模塊集成在中控系統的控制柜中，再經網絡連接到人機操作界面，通過改界面監測并控制遙控閥。根據船東要求，在現場需要就地控制位置，可以加設就地控制板以滿足需要。

圖1 閥門遙控系統典型拓撲圖

圖2 閥門遙控系統典型拓撲圖

3 鉆井船閥門遙控系統設計方案

上海中遠船務工程有限公司在建鉆井船項目中閥門遙控系統主要服務于壓載系統、艙底水系統、海水冷卻系統中的遙控閥。考慮到管線敷設難度，所有遙控閥選用的是電液式遙控閥。根據閥門的位置分布共配置了五個自帶工作站的閥門遙控控制柜，同時配有兩臺手搖泵以備應急狀態時本地手動操作閥門。以下分別從系統電源、網絡、控制器和中控的接口，以及控制模塊等方面來介紹本項目中閥門遙控系統的設計方案［5］。

閥門遙控控制柜電源為220VAC 60Hz，正常情況下由船舶正常電源供給，當正常電源失效時，自動切換到220VAC 60Hz應急電源并向中控發送一個報警信號。控制柜中配有兩路220VAC/24VDC開關模塊電源，一路是為正常，另一路作備用，當正常模塊失效后切換到備用模塊供電并向中控發送報警信號。此外，每個控制柜中還配置有維持20分鐘供電的蓄電池。

每個控制柜配有一組網絡開關，主要作用是連接控制器和HMI人機界面。控制器連接到接口1，工作站HMI連接到接口2，接口3用作連接外部計算機，接口4和接口5用來和其它控制柜相連。該設計可使每一臺控制柜都可以分享其他所有控制柜的信息。該網絡為Moxa Turbo Ring冗余網絡，當網絡異常時，可以在20ms之內迅速恢復網絡聯機，確保系統正常運行。

每個控制柜中配有一個可編程控制器，控制器的地址根據控制柜編號編寫，遙控閥的控制和報警裝置都安裝在控制器中，此外控制器還配有和本地網絡的接口，便于修改內部程序。

每個控制柜中有兩個相互冗余的RS485模塊，通過RS485模塊和中控傳輸數據。兩個模塊中的數據相同，如果一個模塊故障，信號可以通過另一個模塊傳輸。每個控制柜配有一個帶有“17”的HMI操作界面的工作站，并自帶數據采集與監視系統APERIO。APERIO系統是船員最常用的操作系統，通過該系統可以通過設計好的顯示界面全程控制并監測遙控閥的狀態。所有的遙控閥和相關的三個系統（壓載系統、艙底水系統、海水冷卻系統）信息可以在五個控制的任何一個工作站上完全顯示。

本項目采用的閥門控制模塊是專門為控制Damcos閥門設計的控制單元，控制模塊通過控制本地執行機構中的電磁閥或者本地動力單元來控制閥門的開、閉。該模塊既可以通過中控控制也可以通過控制柜上的HMI控制，此外該模塊上還配有開、閉按鈕，以備緊急狀況時控制。控制模塊上有兩路繼電器輸出到本地執行機構的電磁閥和動力單元從而控制閥門的開、閉，同時配有閥門位置反饋信號輸入接口。

4 結論

閥門遙控系統作為船舶及海洋工程中的常用系統，在設計過程中要充分考慮船舶或海洋工程的實際情況選擇閥門的類型。根據各系統閥門的實際分布位置確定閥門遙控系統控制柜或接線柜的臺數，在滿足規范要求［6，7］的前提下確定控制柜合適的安裝位置，同時要考慮系統電源、網絡配置滿足冗余要求。本文通過介紹遙控閥類型，閥門遙控控制原理，比結合實際項目設計，對閥門遙控系統的設計方案做了詳細說明，望對以后的設計提供一定的參考價值。

［1］ 林銳， 劉輝， 張軒. 船舶閥門遙控系統研究與分析［J］.流體傳動與控制， 2007（6）： 15-16.

［2］ 韓章. 船舶閥門遙控系統的選擇［J］. 船舶與海洋工程，2009（2）： 33-34.

［3］ 周守為. 海洋石油工程設計指南［M］. 北京： 石油工業出版社， 2007.

［4］ 陳可越. 船舶設計手冊［M］. 北京： 中國交通科技出版社， 2008.

［5］ EMERSON閥門遙控系統資料［Z］. 2012.

［6］ ABS Rules for mobile offshore drilling units［S］. 2012.

［7］ ABS Rules for building and classing steel vessel［S］. 2012.

Design of Valve Remote Control System for Drill Ship

Guo Xiao-bo， Xu Liang-liang， Zhang Hai-long
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Valve remote control system is a kind of system that could control the valve form a remote controller by using the hydraulic pressure， air pressure and electric power as the source of power. At the same time， the operation state of each valve can be monitored on the remote controller. The paper introduces the type of remote control valve， and explains the control principle of valve remote control system through two common control schemes. Finally， the dill ship is taken as an example to describe the design method of the electro-hydraulic valve remote control system.

valve remote control system； control scheme； electro-hydraulic valve

U665.13

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.017

郭曉波（1988—），女，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程電氣專業設計。