基于LabVIEW鉆井平臺壓載系統(tǒng)監(jiān)控設計

2016-10-13 10:42:37溫娜楊奕飛

電子設計工程 2016年10期

溫娜，楊奕飛

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

溫娜，楊奕飛

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

鉆井平臺遠離陸地在深水惡劣環(huán)境下作業(yè)，受到風、浪、流的影響，會產生橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩等多自由度的運動，所以掌握平臺壓載系統(tǒng)是否正常運作有其必要性，這就需要對平臺上各艙室的液位測量傳感器、平臺實時的吃水狀況、橫向與縱向傾角、壓載水的重量、壓載系統(tǒng)管系的狀態(tài)等參數進行實時采集傳輸，并進行邏輯判斷與控制。關鍵詞：壓載系統(tǒng)；監(jiān)控；OPC；LabVIEW

隨著人類對油氣資源開發(fā)利用的深化，油氣勘探開發(fā)從陸地轉入海洋，半潛式鉆井平臺作為海上油氣勘探開發(fā)的重要裝備之一，但由于海上作業(yè)環(huán)境惡劣、情況復雜，鉆井生產和工作人員的安全時刻受到威脅，所以必須對海上鉆井平臺進行實時監(jiān)控以確保系統(tǒng)的正常運行。壓載子系統(tǒng)是鉆井平臺子系統(tǒng)中的一個重要子系統(tǒng)，它是調整鉆井平臺浮態(tài)和平衡的關鍵部分，負責整個平臺的沉浮作業(yè)與壓載調平，所以對其進行實時的監(jiān)控有利于鉆井平臺的安全作業(yè)，是生產和工作人員的安全保障。

1　壓載系統(tǒng)配置與監(jiān)控參數

1.1壓載系統(tǒng)構成

鉆井平臺上總共包含34個壓載水艙和4個壓載平衡調節(jié)水艙，分別分布在平臺的左、右舷浮體和舷艏艉中。其分布圖如圖1所示。其中，壓載平衡調節(jié)水艙的作用是用來平衡平臺艏艉的縱向傾斜度，也是測量平臺吃水參數的主要監(jiān)測對象；壓載水艙平均分配在左、右兩個舷浮體中，其是用來平衡橫向方向上的穩(wěn)定性，以及平臺的穩(wěn)心高度。壓載艙以及平衡艙中的液位狀況以及平臺的吃水情況是通過其上安裝的壓力式液位測量傳感器測得的，將模擬信號轉變成4～20 mA的電信號送到壓載監(jiān)控系統(tǒng)以供分析處理［1］。

圖1　壓載艙及壓載平衡艙布置圖

1.2壓載系統(tǒng)監(jiān)控參數

壓載系統(tǒng)由各壓載艙、壓載泵、控制閥、各種儀器儀表和管道等基本元件構成，通過對泵機和閥門的操作實現壓載艙海水的注入和排出，以調整平臺在不同運動情況（移航、操作、自存）下的平衡性。調整參數包括平臺排水量、吃水和平臺縱、橫向的平穩(wěn)性，以及安全范圍內的穩(wěn)心高度；同時調節(jié)壓載艙的各參數能夠有效地減小平臺外部的變形，避免引起較大的彎曲力矩與剪切力，有效減少平臺整體的振動［2］。

深水鉆井平臺壓載水系統(tǒng)通過其上的各個傳感器測得參數數據，當傳感器將測得的數據傳送至數據處理模塊，根據計算結果發(fā)送相應的指令控制相應的壓載泵與開關閥開啟或者關閉，進行壓入或者排出壓載水的動作，以使平臺處于穩(wěn)定狀態(tài)。對影響壓載系統(tǒng)的各個設備進行監(jiān)控，得到設備參數，作為操作動作的依據，這些參數又分為模擬信號與數字信號，壓載子系統(tǒng)監(jiān)控對象及參數如表1所示。

表1　壓載系統(tǒng)監(jiān)控對象

通過測量不同工況下平臺的縱橫搖角參數，吃水深度以及各種參數，再根據式（1）～（5）的小傾角公式來建立平臺的穩(wěn)性計算模型，就可以根據參數確定平臺在任何時刻需要進行的各種調整動作。

其中，GM、GM1分別表示初始和卸貨后的縱穩(wěn)性高，GML、GML1分別表示平臺裝卸貨后的縱穩(wěn)性高；θ為縱傾角（θ＞0為艏傾，θ＜0為艉傾），φ為橫搖角（φ＞0為左傾，φ＜0為右傾）；d是原平臺平均吃水，d1是裝卸后的平臺平均吃水，δd是平均吃水增量，p表示負載的增加量，Δ是裝卸前的排水量，ρ是液體密度，ix、iy分別表示自由液面面積橫向、縱向慣性矩，x、y、z分別表示裝卸負載p的重心位置縱向、橫向、垂直坐標，是漂心縱向坐標［1］。

2　壓載水配載控制邏輯

壓載水穩(wěn)性的調節(jié)方式主要有注入和排出二種，當注入壓載水時，壓載泵從平臺浮體的海底閥箱吸入海水，通過控制相關主管和支管上的閥門，把一定量的海水壓入到相應的艙式；當排出壓載水時，同樣通過控制管路上的相關閥門的開關，把多余的壓載水通過壓載泵排出到集水井中；在壓載調節(jié)平衡的過程中，海水不可以自由地流動，必須在壓載泵的工作下進行流動［3］。

深水鉆井平臺的穩(wěn)定性是通過壓載水的具體配載來決定的，使得平臺的穩(wěn)定性保持在一定的范圍內，當鉆井平臺儲油不多時需要注入海水來調節(jié)平臺的穩(wěn)性與吃水深度；而當鉆井平臺上儲油量達到一定量的時候需要排出海水來調節(jié)平臺穩(wěn)性與吃水深度［4］。壓載水的配載控制邏輯見表2與流程圖2。

其中φ表示橫搖角，θ表示縱傾角，φ0，φ1分別表示橫搖角的上限和下限，θ0，θ1分別表示縱傾角的上限和下限。其中φ0和θ0上限為負值，對應的是左傾和艉傾。φ1和θ1下限為正值則相反。

表2　壓載水配載表

以壓載水配載表中的第一種情況為例，將壓載水配載控制邏輯在PLC中使用梯形程序圖表現出來，如圖2所示，當縱傾角在上下限范圍之間，表明平臺艏艉平衡，橫搖角大于下限說明平臺右傾，需要向左艙注水，左艙的閥門C1_C17打開，而右艙的C1_C17以及4個平衡艙P1_P4的閥門關閉。

圖2　PLC邏輯控制程序圖

3　壓載系統(tǒng)的監(jiān)控設計

目前工業(yè)控制系統(tǒng)向著大規(guī)模方向發(fā)展，導致其中的應用軟件以及各種協(xié)議變得更加復雜，為了解決這一問題，各大工業(yè)自動化控制廠商合作研制出統(tǒng)一標準——OPC標準，緊接著支持OPC技術的各組態(tài)軟件應運而生，NI公司也在2006年推出支持OPC技術的LabVIEW 8.0DSC模塊［5］。因為LabVIEW具有組態(tài)軟件無法可比的編程靈活性，所以本文采用LabVIEW作為上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)環(huán)境。

在OPC服務器的選擇上，選擇Kepware公司開發(fā)的KEPServerEx，其擁有的工業(yè)互連通訊能力世界領先，其上嵌入了多種插件驅動程序、組件和150多種通訊協(xié)議，能夠支持1000多種常見的設備，而且支持多種C/S技術規(guī)范［6］。同時KEPServerEXOPC服務器擁有快速客戶端、驅動插件選擇安裝和快速配置界面，無論使用何種驅動，是否擁有上位機客戶端，它都可以不間斷快速穩(wěn)定地采集生產數據和控制底層設備，支持串聯和以太網連接等一系列應用最廣泛的工業(yè)控制系統(tǒng)［7］。

3.1KEPserVerEX與PLC的連接

深水鉆井平臺采用S7_300PLC作為現場控制器，組態(tài)CP343_1通信模塊通過RJ45插入工業(yè)以太網。KEPServerEX服務器安裝SiemensTCP/IPEthernet驅動程序，通過查找網絡中PLC的IP地址與之進行通信。Siemens TCP/IP Ethernet驅動程序是Kepware公司專門為西門子S7系列開發(fā)的驅動程序，以插件式結構集成在服務器中供安裝和使用［7］。

CP343_1通信模塊是西門子S7系列的全雙工以太網通信處理器，可獨自處理數據通信，傳輸速率為10 Mbit/s或100 Mbit/s，擁有RJ45接口可建立快速的工業(yè)以太網鏈接。在使用HWConfig硬件組態(tài)過程中，要為CP343_1通信模塊分配IP地址，如192.168.2.16，該地址就是PLC在工業(yè)以太網中的通訊地址。而KEPServerEX服務器通過設置與PLC的IP地址相同實現與PLC的相連。

使用KEPServerEx創(chuàng)建OPC服務器步驟如下：1）打開KEPServerEx軟件，點擊“新建”創(chuàng)建一個工程；2）點擊“New channe1”，選擇驅動程序Siemens TCP/IP Ethernet類型，及設置對應的網絡接口等，建立一個通道；3）點擊“C1ick to add a device”，設置設備名稱，類型及設備ID等參數；4）設置項對象即具體參數的名稱，地址及數據類型等參數。以上4個步驟就完成了服務器對象，組對象，項對象的建立，再添加項對象的時候要將其地址與數據在PLC中的地址對應起來，方便OPC與PLC相連，讀取PLC設備中的現場數據，如圖3，4為KEPServerEx創(chuàng)建的OPC服務器以及相對應PLC中的數據地址。

圖3　KEPServerEx創(chuàng)建的OPC服務器

圖4　PLC中數據的地址

3.2KEPserVerEX與上位機的通信

文中的數據通信采用Kepware技術的數據訪問方案：西門子S7_300PLC從現場層采集實時生產數據；KEPServerEX冗余服務器組因為裝有Siemens TCP/IP Ethernet驅動程序插件，所以可以讀取S7_300PLC存儲區(qū)中的數據。上層LabVIEW作為上位機客戶端通過標準OPC接口驅動對KEPServerEX服務器進行訪問。在OPC服務器中添加完參數項對象（Tab）以后，將其與監(jiān)控面板上的相應的元素進行數據綁定，這樣從現場層到PLC中然后再上傳到OPC服務器中的數據變化就可以實時的在監(jiān)控面板上顯示。

所有工作站和遠程監(jiān)控計算機均安裝LabVIEW軟件設計的監(jiān)控軟件作為應用客戶端程序，通過OPC接口驅動程序同網絡中的KEPServerEX服務器建立通訊，讀取的數據經過加工和處理供LabVIEW的其他功能使用，如報警模塊、人機界面、歷史數據打印等。

4　壓載系統(tǒng)的監(jiān)控實現

在壓載子系統(tǒng)中設計了橫搖角、縱傾角、各個壓載艙壓載水情況、壓載泵的控制、各艙閥的開關以及大小控制等；在完成靜態(tài)界面功能模塊設計后，根據上述進行通訊設置，使得LabVIEW和OPC服務器相連，完成其對應數據的綁定工作，再利用OPC與下位機PLC相連，實現壓載子系統(tǒng)參數的實時動態(tài)監(jiān)控。

圖5為壓載系統(tǒng)監(jiān)控畫面，畫面中包含了鉆井平臺的縱傾角，橫搖角，各個參數的數據以及各個壓載艙中壓載水的實時動態(tài)；壓載泵，閥門等的自動與手動的控制操作；另外在監(jiān)控界面的底部設計了曲線，報警記錄等的查詢按鈕，能夠實現界面跳轉的功能。

5　結論

鉆井平臺遠離陸地進行鉆井采油采氣作業(yè)，整個平臺具有系統(tǒng)復雜、工作環(huán)境惡劣等特點，而人員生命安全和生產作業(yè)安全是生產過程中最為重要的環(huán)節(jié)，本文針對鉆井平臺上重要的壓載子系統(tǒng)進行研究，利用LabVIEW與KEPserverOPC服務器，設計并實現對壓載系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

［1］苗華明，王殿龍，張軍，等.半潛式鉆井平臺壓載實時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究［C］//全國先進制造技術高層論壇暨制造業(yè)自動化、信息化技術研討會，2005.

［2］肖民，喬紅宇，姚壽廣.船舶壓載水系統(tǒng)的有限元仿真與監(jiān)控界面設計［J］.哈爾濱工程大學學報，2008（8）：862_866.

［3］冷阿偉.半潛式鉆井平臺新型壓載系統(tǒng)［C］//中國造船工程學會近海工程學術委員會.2009年度海洋工程學術會議論文集（上冊）.

［4］喬紅宇，楊澤宇.船舶壓載水監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.中國航海，2010（2）：23_26，30.

［5］何奇文.OPC技術在LabVIEW8.0 DSC模塊中的運用［J］.計算機工程與設計，2006（22）：4389_4391.

［6］Yao Yachuan，Yao Yi，Song Hong.The remote monitoring system based on the OPC techno1ogy［C］//2009.Internation Workshop on Inte11igent Systems and App1ications，ISA 2009.

［7］崔曉明.應用Kepware實現監(jiān)控系統(tǒng)的數據訪問［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.

The deslgn of ballast monltorlng system based on LabVIEW

WEN Na，YANG Yi-fei
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Dri11ing p1atform works in deepwater away from 1and，the environment is harsh，and be effected by the wind，wave，f1ow，wi11 engender cross ro11，pitch，yaw，surge and other mu1ti degree of freedom of motion，so it is necessary to grasp whether the ba11ast subsystem works norma11y or not，which requires rea1-time acquisition and transmission the parameter of each 1iquid 1eve1 measurement sensors，draft conditions，horizonta1 and vertica1 ang1e，ba11ast water weight，state of ba11ast system piping，and carries on 1ogica1 judgment and contro1.

ba11ast subsystem；monitoring；OPC；LabVIEW