基于PLC的采油平臺吊機集中電控系統(tǒng)設計及應用

段平安 張海榮 沈月文

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司

2新疆油田公司勘探開發(fā)研究院

海洋采油平臺95%以上的人員和物料的轉運需通過吊機來實現(xiàn)。海上吊機的設計壽命較長（25年左右），在役期間維修非常不便；另外，吊機使用的環(huán)境非常惡劣，吊裝系統(tǒng)的安全可靠性比陸地吊車的要求更高，因此在設計和建造時，需進行深入分析研究，力爭打造出一款可靠性高、整體功能完善、控制操作方便且精密的高端海洋石油裝備[1]，滿足系列化、自動化及信息化的要求[2]。在吊機的設計與制造過程中，在選材、元器件選用、系統(tǒng)功能、性能要求等方面須嚴格遵守API-2C《海洋平臺吊機規(guī)范》和船級社的相關規(guī)范要求，尤其是電氣設備的選擇，要適合海洋采油平臺的鹽霧、防爆環(huán)境[3]。

1 吊機核心控制系統(tǒng)設計

海洋采油平臺吊機是平臺與外界物資交換的橋梁[4]，其每天都要頻繁地起吊設備[5]，除需要承擔修井設備在其甲板就位、協(xié)助修井作業(yè)、協(xié)助平臺大型設備維修作業(yè)外，還擔負著船上供應物品吊運，如海洋平臺用材料、食品、燃料油、淡水加注等貨物吊運，以及人員撤離平臺等工作[6]。

1.1 吊機系統(tǒng)組成

柴油機驅動的采油平臺吊機的功能是在絞車的牽引下實現(xiàn)主、副鉤的升降運動，吊臂在一定角度范圍內可變幅運動，吊機的回轉結構能360°無障礙地實現(xiàn)旋轉運動，從而確保在吊裝半徑的立體空間內人、物的平穩(wěn)轉運。

吊機主要由塔座、回轉臺、扒桿、鋼絲繩、駕駛室、吊臂、三角架、回轉平臺等組成[7]（圖1）。塔座（基座）安裝時需焊接到主甲板上的預留底座上，回轉平臺通過回轉支撐與機座相連接，吊機原動柴油機、電氣控制箱、起升絞車、回轉絞車、駕駛室等都安裝在回轉平臺上。

圖1 吊機機械結構Fig.1 Mechanical structure of crane

除機械構件外，吊機的控制系統(tǒng)分為5大部分，包括動力系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、回轉系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)為控制中樞，負責協(xié)調和指揮其他4大系統(tǒng)的運行。

動力系統(tǒng)由柴油機提供動力，其包括柴油機、柴油箱、液壓油箱、液壓泵及彈性聯(lián)軸器等設備。柴油機的控制自成體系，使用原動機廠家提供的就地盤和遠控盤來實現(xiàn)控制功能，而狀態(tài)信號可通過RS485接入電控單元PLC控制系統(tǒng)，參與到整個系統(tǒng)的控制。

起升系統(tǒng)由起升絞車、行星減速齒輪箱、制動器和液壓馬達組成；回轉系統(tǒng)由回轉機構和回轉支撐組成，回轉機構減速器通過小齒輪與回轉支撐的嚙合傳動實現(xiàn)吊機的360°旋轉；變幅系統(tǒng)由變幅絞車、支架、行星減速齒輪箱、制動器、液壓馬達組成。這三大系統(tǒng)的驅動都應用電液控制方法，通過電氣控制系統(tǒng)的PLC輸出電氣信號到電控液壓閥，驅動絞車等運動部件動作。

電氣控制系統(tǒng)設置安全保護裝置：主絞車設置上、下限位，副絞車設置上、下限位，變幅角度設置最大、最小限位。吊車在接近或達到相應的保護位置或保護值時，電控系統(tǒng)能立即發(fā)出指令切斷動力源，同時發(fā)出聲光報警。

負載力矩儀進行持續(xù)監(jiān)測和報警保護，持續(xù)監(jiān)測主鉤、副鉤和角度傳感器傳回來的信號，在負載達到90%進行預報警，到達110%時直接發(fā)出停機信號到電控系統(tǒng)，并發(fā)出聲光報警。

1.2 電氣控制系統(tǒng)功能分析

電氣控制系統(tǒng)的功能可分為核心控制功能和輔助控制功能兩部分（圖2）。核心控制功能又可分為液壓系統(tǒng)控制、柴油機系統(tǒng)控制、安全保護三部分功能；而輔助控制功能包括輔助駕駛功能、照明及警示功能、通風功能、輔助加熱功能等。

液壓系統(tǒng)控制及監(jiān)測需要通過電氣系統(tǒng)控制液壓回路上的電磁閥實現(xiàn)主鉤、副鉤、變副的升降、回轉運動和碟剎的驅動，以及配置液位、壓力、溫度開關實時監(jiān)測液壓油油位、溫度、液壓油管路的過濾器濾差，提供報警和關斷保護。

圖2 電氣控制系統(tǒng)功能Fig.2 Function of electrical control system

柴油機控制系統(tǒng)的設計重點在于柴油機外圍電路的設計和與柴油機的接口界面設計，完善蓄電池啟動系統(tǒng)，將柴油機各項保護停機警示傳輸?shù)絇LC，最終顯示在駕駛室的報警面板上給駕駛員以提示，另外還需給柴油機提供柴油液位的監(jiān)測和輔助加熱等功能。

安全保護系統(tǒng)設計主要針對主鉤、副鉤、變幅限位裝置，在限位開關動作或超載后，前端保護就發(fā)生作用，停止吊機的繼續(xù)動作，從而將吊機的動作范圍控制在安全合理的范圍內。要在一次保護的基礎上設計出后備保護，以便在一次保護失效的情況下有效地進行二次保護，同時為防止極端和意外情況出現(xiàn)，還需設計緊急停車按鈕。

輔助控制功能主要用于改善使用者的環(huán)境，向其提供清潔視野、風速提示、良好照明、空調及通風，以及航空警示等。

1.3 電氣控制設備布置思路

遵從分布式控制系統(tǒng)的原則，將檢測元器件、執(zhí)行元器件在現(xiàn)場分散布置，控制系統(tǒng)集中設置，控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)宜集中設置在駕駛室內[8]。若全部功能通過普通繼電器電路實現(xiàn)，元件較多，線路很復雜，電氣控制箱將很大，受限于海上平臺較小的操作空間，駕駛室不可能很大，因此可選擇使用可編程邏輯器進行集中控制。將所有的操作開關、狀態(tài)指示集中布置于駕駛室的前部操作手柄旁，其與飛機的操作盤面類似。為提高可靠性，所有的電驅液控閥也布置在駕駛室。

選擇PLC進行集中控制，具有以下特點：①編程比較簡單，使用方便；②控制靈活，程序修改方便，具有很好的柔性；③邏輯都是通過程序自動實現(xiàn)，控制系統(tǒng)設計及施工的工作量少，維修方便，PLC的可靠性也比繼電器電路高，抗干擾能力強；④響應速度快，應用廣泛[9]。在整個控制系統(tǒng)需要更多的監(jiān)控點和報警點時，功能擴展非常方便，性價比高，因此選擇通過PLC進行所有信號的集中控制。選用與PLC配套的液晶屏，通過組態(tài)將狀態(tài)信號、報警信息顯示在面板上，并實現(xiàn)故障記錄存儲和查詢。駕駛室內的電氣設備布置見圖3。

圖3 駕駛室電氣設備布置Fig.3 Electrical equipment layout of cabin

2 PLC控制系統(tǒng)核心設計

2.1 I/O統(tǒng)計及選件

首先根據(jù)功能需求和設計思路，列出I/O點清單，圖4、圖5為部分輸入、輸出點的列表清單，可根據(jù)功能的調整進行相應的增減。

圖4 數(shù)字量輸入點Fig.4 Input points of digital quantity

參考廠家的選型手冊，根據(jù)數(shù)字量、模擬量I/O點數(shù)、速度要求、存儲容量選擇合適的PLC品牌。根據(jù)輸入、輸出點的數(shù)量，選擇CPU的型號和數(shù)字模擬量等其他擴展模塊，進行連接組裝（圖6），具體選擇的模塊型號、數(shù)量和注意事項參考產(chǎn)品選型手冊，不再敷述。

2.2 核心邏輯設計及編程

控制邏輯是PLC控制系統(tǒng)的基礎和精髓，根據(jù)吊機功能分析和核心控制系統(tǒng)設計，整理出內在的邏輯并編程，其中核心控制功能的邏輯有3個。

吊臂變幅邏輯：

（1）當變幅處在極限上限位、超載或者液壓油過低油位三種情況之一時禁止回轉運動。

（2）在液壓油過低液位情況下變幅禁止運動。

（3）當變幅處在極限上限位、變幅上限位和力矩儀檢測的變幅上限位時變幅禁止上升。

（4）當變幅處在下限位、力矩儀變幅在下限位、主鉤的重錘上限位觸發(fā)、超載信號發(fā)生時變幅禁止下降。

（5）當變幅到達一定的角度后，變幅的提升速度需要降低，以防止過快造成事故。

圖5 數(shù)字量輸出點Fig.5 Output points of digital quantity

圖6 可編程控制器CPU及擴展單元示意圖Fig.6 Schematic diagram of programmable controller CPU and extension unit

副鉤邏輯：

（1）當液壓油液位低、或者回轉鎖定、或者吊鉤選擇主鉤時副鉤禁止動作。

（2）當超載以后、副絞車開閘指示開關無反饋、副鉤重錘位于上限位時副鉤禁止上升。

（3）當超載以后、副絞車剎車開閘指示開關無反饋、副鉤位于下限位時副鉤禁止下降。

主鉤邏輯：

（1）當液壓油液位低或者吊鉤選擇副鉤時主鉤禁止動作。

（2）當主鉤重錘上限位觸發(fā)、或者超載時主鉤禁止上升。

（3）當主鉤位于下限位時主鉤禁止下降。

典型程序：

選用經(jīng)驗設計法，根據(jù)以上的核心邏輯分析，編制核心控制回路圖，并將其轉換為PLC程序，典型的程序見圖7。

圖7 變幅邏輯編程Fig.Amplitude logic programming

2.3 電路設計

通過計算，控制回路、空調、加熱器、照明等全部負荷約15 kW。電力由平臺給出，通過電纜接到帶碳刷的電滑環(huán)（又稱中心集電器）上，電滑環(huán)內外接觸頭隨吊機回轉運動而做相對運動，運動時接觸良好，保證吊機做回轉運動時電力的傳輸不中斷，電力從滑環(huán)引出后，通過配電箱分配到各控制回路和小負荷。主回路有照明回路、加熱伴熱回路、24 V控制電源回路、蓄電池充電回路、空調抽風機回路、插座回路等，PLC、力矩儀、PLC輸入電源、顯示屏電源都由24 V控制回路電源提供，且冗余布置兩組，一備一用。三角架和吊臂障礙燈的電源亦通過電滑環(huán)進行傳輸，由平臺導航系統(tǒng)提供，以摩爾斯代碼“U”及循環(huán)周期為15 s的方式對過往飛機發(fā)出航空警示信息。

開關量信號直接接入各數(shù)字量輸入模塊，PLC數(shù)字量輸出通過中間繼電器再去控制現(xiàn)場的設備，典型PLC接線示意圖見圖8。

2.4 電氣設備選擇

圖8 典型PLC接線圖Fig.8 Typical PLC wiring diagram

本系統(tǒng)PLC選用的類型包括歐姆龍、三菱、西門子、AB等品牌，應充分考慮平臺其他設備控制系統(tǒng)所采用的PLC類型，盡量保持統(tǒng)一。除了PLC本身外，還需要選擇大量的旋鈕、限位開關、電驅液控閥等，考慮到海洋環(huán)境（如濕度、鹽霧等）對防爆電氣設備的影響[10]，防護等級要求非常高，室內最少IP44，室外需要IP56以上，參照平臺的防爆區(qū)域劃分圖[11]，吊臂一般處于頂甲板一級二類危險區(qū)，因此布置的電氣設備要求防爆等級至少達到ExdllBT4。所有連接電纜選型均為HOFR型，要求阻燃、低煙、無鹵無毒。所有電氣設備按照規(guī)范要求可靠接地。

3 結束語

集中電控系統(tǒng)設計較好地滿足了吊機控制系統(tǒng)模塊化、自動化、信息化和易拓展的海洋石油裝備發(fā)展要求，非常合適在狹小的海洋平臺上使用。

該設計還預留有接口，可將所有的狀態(tài)信號傳輸給采油平臺中央控制系統(tǒng)，從而對吊機操作實時監(jiān)控，提高了油氣田智能化裝備管理水平。

該設計極大地提高了吊機使用的安全性和可靠性，確保了海洋關鍵設備的使用安全和人身安全。

該設計采用通用的PLC模塊，不僅可以和平臺上諸如中央空調的控制系統(tǒng)共享備件，而且能節(jié)省有限的備件存儲空間。