VMS和ESD系統在自升式鉆井平臺上的設計和應用

張 淼

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

關鍵字：自升式鉆井平臺；船舶監控系統；應急切斷

0 引言

VMS和 ESD系統是在船用機艙檢測系統（AMS）基礎上的升級[1-2]，具有更強大的功能處理器和邏輯運算能力，為海洋鉆井平臺上的復雜工況保駕護航，同時也能保證海上操作人員的生命安全。

1 VMS和ESD系統的設計原則

1.1 VMS介紹

傳統船舶上使用的AMS系統已經不能滿足海上作業鉆井平臺的要求了，將工業上使用的可編程邏輯控制器（PLC，Power Logic Controller）和分布式控制系統（DCS，Distributed Control System）成功應用到海上平臺監控系統中，主要負責監控各種生產過程中所有對象的狀況，在控制屏界面上顯示重要參數，并可以在界面上直接修改參數達到控制的目的，當發生故障時可以發出報警到廣播系統中實現全船廣播。它的主要工作內容是：

1）基本上每個生產子系統都有自己的動態顯示可視化編譯器（MINIC）流程圖，可以顯示主要設備的參數及運行狀態；

2）通過監控界面調整主要設備的運行參數和啟停設備；

3）生產狀態異常時，通過內通系統的廣播通用報警系統（PAGA，Public Alarm & General Alarm）向全船發出聲光報警；

4）MINIC流程圖界面可以根據船東喜好進行調整修改。

1.2 ESD介紹

由于海上鉆井平臺在海上作業時處于易燃易爆的危險環境中，同時操作人員以及運行的設備高度集中，因此對人員和設備的安全性能要求很高，需要在發生報警時系統通過事先預定好的邏輯運算切斷相應的設備，而傳統的電源開關脫扣的方式已經不能滿足要求，這也是海上平臺使用ESD與傳統船用AMS系統的重要區別。主要保障海上作業的順利進行，保護平臺上船員的安全，避免事故擴大化，將危害降到最低。

下面以經成功交付的ZP10-1585 300FT“振海一”號自升式鉆井平臺項目為例，詳細介紹實船項目中的設計過程。

ZP10-1585“振海一”號項目的 VMS和 ESD系統是由EMERSON船用過程控制系統廠商提供。圖1是VMS和ESD系統的結構拓撲圖，從圖1中可以看出，所有設備都是雙冗余的互為備用，這樣保證在日常使用時的安全可靠性。該系統是靠網絡構架起來的，這樣確保系統的高效性能[3]。

圖1 VMS和ESD系統結構拓撲圖

1.3 VMS系統

VMS根據設計要求[4-5]，將全船報警點集中在VMS控制柜中，報警主要包括：

1）通風故障報警。

2）發電機報警箱，所有的主柴油發電機均應安裝包括下述報警信息在內的報警箱。比如：主柴油機過熱、超速、油位過低、油壓高、曲軸箱壓力高、油溫過高、油溫過低、配有數字或者模擬顯示的發電機軸承溫度。

3）其他報警系統。

本船還將安裝船級社和管理當局要求的其他報警系統以及屬于設備特殊要求的報警系統。在一直有人值班的控制室內安裝各類報警控制面板，在無線電控制室和鉆臺面將安裝各類輔助的遠程報警面板。

1.4 ESD系統

根據所檢測到的情況的嚴重性有多級關斷。以下對事件和事件響應的描述是對系統功能的指示性描述。關于每層關斷的具體信息要在詳細設計中形成。表1為具體關斷等級。

表1 具體關斷等級

本鉆井平臺有14個不同的手動應急關斷按鈕站位于以下各處所，見表2，以符合ABS要求。

2 VMS系統設計

2.1 設計方案

VMS設計方案的具體要求如下：

1）需要在MINIC圖上動態顯示生產流程、過程參數及設備狀態；

2）可以對生產過程進行實時監控；

表2 手動應急關斷按鈕站

3）發生異常工況時，在MINIC圖上自動彈出報警界面，并輸出報警信號至PAGA系統；

4）可以在線在MINIC圖紙上設置重要設備運行狀態和修改參數；

5）可以在線在MINIC圖紙上實現手動/自動操作的手動切換；

6）需要有實時保存功能，包括：設備參數、運行狀態和報警關斷等工況；

7）定期打印生產報表；

8）系統自診斷功能；

9）與應急關斷系統之間進行通信；

10）接受火氣報警系統信號，當有火氣報警信號時進行動態報警。

2.2 硬件配置

在抬升控制室和鉆井隊長辦公室各放置1臺工作站，一方面可以從使用功能區分2臺工作站的作用，另一方面又可以互為備用。為了提高系統安全可靠性，VMS的CPU模塊、電源模塊、通信模塊都為冗余配置，當主部件出現故障時，系統自動切換到備用部分，不影響整個系統的穩定運行。

VMS通過自帶的UPS供電，可以提供0.5 h獨立供電，電源波動保持在正常值的±5%范圍內。I/O輸入輸出模塊、接線卡件、電源等都配置相應的余量。I/O模塊配置帶指示燈的熔斷器。I/O輸入輸出模塊包括如下幾種數據類型：

1）開關量信號。壓力開關和液位開關為常閉點；報警信號檢測信號為開點；ESD和CO2釋放按鈕為常閉觸點；馬達啟停信號為干觸點。

2）擬輸入信號：采用4 mA～20 mA。

3）脈沖信號等。

2.3 軟件設計要求

1）顯示工作流程的MINIC圖中能夠動態顯示、自動彈出報警相關界面，以及實時和歷史運行的操作記錄等；

2）處理器使用率要有冗余，不宜超過60%；

3）系統自檢和自診斷故障時發出報警；

4）配置一定容量的存儲器，用于存儲數據。

2.4 與其他系統的接口

VMS預留了與其他系統通信的輸入輸出接口，規定了通信協議等相關信息。比如，與PAGA系統之間的通信協議接口定為RS-485接口。

2.5 機械設備控制接口

通過硬線與控制柜連接，需要控制啟動器連接。

3 ESD系統設計

ESD的主要功能是在事故或故障狀態下（包括設備故障或者系統本身發生故障時），通過預先設置好的邏輯運算，有序地切斷正在運行的設備，從而避免災難的發生，即避免生產設備和人員受到傷害以及對環境造成不良影響等。ESD本身設計必須遵循故障安全（fail to safe）的原則，對整個系統的硬件和軟件的可靠性要求也很高。

根據全船的工況確定關斷級別數量，確定每一級別關斷對應的需要關斷的設備，繪制出圖2全船火氣系統因果圖。

圖2 全船火氣系統因果圖

關停信號通過電氣開關輸入到ESD系統，系統檢測到關停信號后，所有去現場設備的關停信號則輸出到現場的本地控制儀表中，控制該設備回路；去到電氣設備（如風機、泵）的關停信號則通過干接點輸出到配電柜（MCC），或作為啟動許可直接控制該設備控制回路。

為保證ESD穩定可靠運行，整個系統設計時應充分考慮ESD本身故障安全，即ESD電源故障時也能切斷設備，保證海上作業的安全。設計原則具體如下：

1）檢測到現場設備開關信號不穩定，ESD緊急切斷；

2）所有設備的輸入信號帶電為正常，當線路發生故障或連接有問題時觸發相關報警和安全保護動作，避免因輸入線路故障而造成隱患；

3）所有輸出信號均采用常開觸點（帶電正常），當輸出線路故障或系統本身發生故障時觸發輸出信號，立即切斷該輸出點所對應的設備；

4）I/O接口故障時復位，當ESD中央處理器發生故障時，清除所有輸出切斷控制設備；

5）報警輸入信號設定為常開報警，當設備發生故障或從設備到ESD的線路發生故障時均能彈出報警界面及時通知操作人員處理。

目前使用過的ESD系統由EMERSON、霍尼韋爾和羅克韋爾這幾家自動化設備廠家提供，處理器大體分為DCS和PLC兩種不同處理方式，兩者存在性能差異。在選擇設備廠家時需要充分了解各個廠家產品的特點，配置最為理想的系統。

4 結論

隨著現代儀表控制技術的高速發展，VMS和ESD系統可靠也會得到更大提高，避免人工操作造成的失誤，降低人工勞動強度和可靠性的影響，以及遇到重大事故時人員逃生的自動應急操作。VMS和ESD在海上鉆井平臺上的使用，大大提高了海上作業的安全性和可靠性，對保障生命和財產安全，以及保障海上作業順利進行有著重大意義。

船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南（2017）2018年第一次變更通告

《船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南（2017）》本次變更通告主要是將第3章檢驗發證中關于SCR系統后處理裝置的檢驗要求指向了新通過的“2017年關于裝有選擇性催化還原（SCR）系統船用柴油機特殊要求的2008年NOX技術規則補充指南”（MEPC.291(71)）。

2017 SCR指南在2011 SCR指南基礎上主要做了如下修訂：

1）證書申請方應負責“裝有SCR的發動機系統”的整個完整系統，可以是發動機制造廠，也可以是SCR系統供應商等。

2）進一步細化技術案卷中應包含的SCR系統的信息。

3）裝有SCR發動機系統母型機的選擇要求。

4）裝有SCR發動機系統Scheme A/B的試驗程序要求。

5）裝有SCR發動機系統Scheme B的船上確認試驗要求。

來源：中國船級社