海洋石油161平臺升降系統電控部分優化改造

高連燁

（中海油能源發展采油服務公司天津作業公司 天津 300452）

海洋石油161平臺升降系統電控部分優化改造

高連燁

（中海油能源發展采油服務公司天津作業公司 天津 300452）

針對海洋石油161平臺液壓插銷升降系統改造前存在的問題，介紹了電控系統改造方案，系統硬件配置、網絡結構、監控畫面。

海洋石油161平臺；液壓插銷升降系統；PLC控制系統

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展股份有限公司采油服務分公司，該平臺自投產以來，創造了可觀的經濟效益。但由于諸多原因，升降系統集中控制臺無法使用，升降作業時只能樁邊操作，無可視化的平臺傾角檢測，升降作業效率低，人員勞動強度大，且存在一定操作安全隱患?，F借“海洋石油161”特檢塢修之際，對升降系統做了優化改造。[1-3]

1 電控系統改造方案

海洋石油161平臺升降動力由液壓系統提供。液壓系統由插銷控制回路、提升油缸的換向和速度控制回路等基本液壓回路構成。電控系統將系統的控制信號（操作手柄、按鈕、接近開關、溫度傳感器、壓力傳感器等）通過輸入接口輸入，經過內部的控制程序處理后，使執行機構（主油缸、插銷油缸）按照預定的邏輯順序實現動作，實現整個液壓插銷系統的控制，如圖1所示為升降系統改造后電氣控制流程。

圖1 升降系統改造后控制流程

此次升降系統改造電控部分為徹底解決操作繁瑣，實現升降系統自動和半自動操作，對集中控制臺和樁邊控制柜做了整體替換，其余動力部分（電機起動器）利用原升降系統。電控系統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 升降電控系統改造部分

2 電控系統硬件配置

液壓插銷升降電控系統主要由PLC模塊和觸摸屏等構成，其硬件配置如下表2所示。

表2 電氣控制系統硬件配置

按集中管理，分布式控制原則設計。整個系統采用網絡通信實現信息的傳輸和交互，系統框架由管理層、控制層和現場數據層構成。

管理層主要在集中控制臺完成，各個插銷狀態、油缸壓力等信號數據通過PROFIBUS總線或者電纜傳輸到集控臺監控系統，操作人員又通過集控臺的操作手柄、監控界面等又將控制命令給PLC系統，完成提升油缸和插銷油缸的動作，總覽整個系統的運行情況。

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的提升油缸、插銷油缸、泵站電機進行控制、監測，采集信息，控制設備運行。

現場數據層指通過各種傳感器將設備運行的狀態數據由物理量轉化成數字信號，傳輸給PLC控制系統，實現對現場各種信號的遠程監控、判斷、存儲。

3 電控系統網絡拓撲結構

電控系統的網絡結構如圖2所示。集中控制臺配置一套西門子S7-400H冗余PLC。各樁邊控制柜內配置一套ET200M分布式IO，各樁腿的控制信號和狀態信號的輸入輸出由分布式IO實現。集中控制臺與樁邊控制柜的PLC通過Profibus總線進行通信和數據交換。集中控制臺內的冗余PLC系統使得其中1個CPU或者ET200M出現故障后，控制系統依然能夠正常使用。原先觸摸屏數據傳輸采用profibus總線形式，這種方式傳輸數據最高224字節且傳輸速度慢，優化網絡結構采用以太網傳輸，避免觸摸屏畫面卡頓。

圖2 電氣控制系統網絡拓撲結構

集中控制臺的控制系統配置一套西門子S7-400H冗余PLC。S7-400H采用“熱備用”模式的主動冗余原理，在發生故障時，可實現無擾動地自動切換。根據CCS《海上移動平臺入級規范》關于控制系統的一般要求“控制系統的設計應使控制系統中出現的故障對控制過程產生的危險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]升降系統電控系統選用具有容錯功能的400H的PLC，樁邊控制柜還有一套應急的操作，這樣極大提高了系統的可靠性，保證了控制系統只出現一處故障的情況下，升降控制系統仍然能夠使用。

各樁腿控制單元內配置一套ET200M分布式IO，各樁腿的控制信號和狀態信號由分布式IO實現。集中控制臺與樁腿控制單元的PLC通過Profibus總線進行通信和數據交換。冗余PLC系統使得CPU或者ET200M出現故障后，控制系統依然能夠正常使用。此外，集中控制臺內設置了交換機，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連接PLC以進行數據交換實現數據的輸入輸出。

4 人機界面的優化

人機界面是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，是操作員和過程機器設備之間的接口。人機界面(HMI)主要承擔以下任務：(1)過程可視化；(2)操作員對過程的控制；(3)顯示報警；(4)過程值和報警記錄；(5)報警和運行參數的標定設置。[5]操作員在平臺升降的操作過程中，要時時了解當前提升油缸的位移、插銷的狀態、平臺傾斜角度、油缸和系統壓力等信息，以便對系統操作和緊急報警做出正確的判斷和處理。

整個升降系統在集中控制臺布置了兩塊觸摸屏，在每個樁邊控制柜各布置了一個觸摸屏，方便集控臺和樁邊的操作員都對系統運行參數時時監控。每個HMI由多個畫面組成，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、自動控制時的升降節距設定；同時還有4條樁腿各自的位移、總共升降的節距數、提升油缸瞬時位移、提升油缸有桿腔與無桿腔壓力、上下插銷插拔狀態等；液壓站各電機的運行狀態和報警信息。

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，以及工況、控制模式、控制位置、樁腿位移、當前節距、自動剩余節距，同時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，主要顯示各電機運行狀態、電機電流、加載閥得失電狀態、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 結論

本次升降系統改造徹底解決了以前無法實現集中控制和不能實現自動升降的問題，優化電氣控制系統。通過對該升降系統的改造，達到以下目的：

（1）實現了平臺升降系統的集中控制功能，能在集中控制臺對單樁或多樁同時進行升降操作，實現各樁腿按設定節距數自動升降；

（2）通過改造簡化升降系統的操作，優化樁腿控制單元的設計，使樁腿控制單元操作更加人性化，優化樁腿控制單元上觸摸屏的人機交互界面設計，便于操作人員在機旁進行樁腿升降控制操作。

[1]穆勝軍.海洋石油161平臺液壓升降系統改進設計[J].船海工程,2015(4):127-129.

[2]雷曉程.西門子S7-400H冗余系統在12000m石油鉆機上的應用[J].自動化工程,2009(3):51-53.

[3]劉愛俠.插銷式液壓升降系統在采油平臺的成功應用[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范（2012）[M].北京：人民交通出版社,2012.

[5]車暢.插銷爬桿型風電安裝船升降裝置液壓與控制系統設計[D].武漢：武漢理工大學,2012.

高連燁（1983-），男，學士學位，工程師，研究方向：海上石油平臺設備管理，電氣工程項目及其它。