自升式鉆井平臺中央空調控制系統改造

葉 斌

(中海油能源發展股份有限公司，北京 100027)

1 中央空調是自升式平臺重要的設備子系統

海洋石油鉆井平臺是海洋石油勘探開發的主要設備載體，其中自升式平臺應用最為廣泛[1]。2019年開始，隨著“七年行動計劃”的深入推動，為了滿足海上油田優快鉆完井的作業需求，對自升式鉆井平臺的設備性能提出了更高要求。中央空調作為自升式平臺重要的設備子系統，主要為平臺工作人員提供良好的生活和工作環境，也為各種設備的正常運轉提供了有力保障[2]。

2 平臺中央空調系統簡介及現狀

2.1 中央空調系統簡介

渤海某自升式平臺始建與1979年，經過多次維修改造后，目前主要在渤海油田從事生活及工程支持作業服務。該平臺共有7臺中央空調機組，分別位于A、B生活區內以及輔機艙內(C區空調位置)。空調機組各自獨立分散工作，分別采用繼電器控制系統。各艙室空調機組的參數信息統計如表1所示。

表1 平臺空調機組概況

2.2 中央空調系統主要問題

目前該中央空調控制系統無法對空調機組的運行參數進行實時監測，不能及時發現設備異常，中央空調機組的整體運行效率低，從而影響平臺的服務質量。同時，在對各個生活區的空調機組調節溫度時，機電人員需要依次到各個空調機組進行本地設置，人員工作強度大、效率低。為了實現平臺管理的降本增效，降低人員的巡檢強度，提升設備的自動化管理水平，需要對現中央空調的控制系統進行數字化升級改造。

3 改造方案

3.1 方案設想

總體方案是利用PLC技術或者工控機技術、嵌入式技術等，將7臺中央空調的溫度信號和設置功能集中引入到機工值班室或者三師辦公室。通過技術分析，歸納總結出以下三種方案。

方案一：基于無線技術的無線模塊+嵌入式工控機的遠程監控裝置。

采用無線模塊進行空調溫度的監控，同時利用嵌入式工控機與無線模塊進行通訊，完成空調機組的遠程監控。

方案二：基于以太網總線技術+嵌入式工控機的遠程監控裝置。

采用以太網總線溫控模塊來控制中央空調機組運行，通過嵌入式工控機與以太網模塊之間通訊，實現空調機組的遠程監控。

方案三：基于低成本串行總線通訊技術+PLC控制器的遠程監控裝置。

采用帶RS485通訊接口的溫控模塊實現空調機組的現場控制，然后通過PLC控制器與溫控模塊之間通訊，實現數據的遠程傳輸。

3.2 方案確定

針對上述三種方案，分別從技術原理(通訊技術和處理器技術)、系統性能、成本控制、方案可行性等方面綜合考慮對比，最終方案確定為方案三，即基于串行總線通訊技術+PLC控制器的遠程監控裝置。

3.3 方案細化

要實現空調機組遠程集中監控，需要把握空調機組的控制切入點，規劃該系統設計的主要技術構架，并按照功能設計，依次分解各技術細節。主要包括以下內容：

1)系統設計的突破點選擇

目前7臺中央空調均是通過溫度開關完成系統控制的，可通過優化控制開關完成系統的集中控制設計。

2)現場總線技術的應用

大多數中央空調監控系統通信模塊使用Modbus通訊協議，其中RS232總線通訊距離短，一般不超過 12 m，而RS485總線接口傳輸距離長，適合平臺分布式設備數據采集使用[3]，而且RS485的Modbus總線技術作為第一代總線技術，應用廣泛，技術成熟，成本低廉，適合平臺改造應用。

3)集中控制系統接口設計

PLC是目前中央空調中的自動化控制核心技術,可以對中央空調的開關、順序控制等方面進行有效的調節和應用, 且有PID調節功能[4]，而且對基于RS485的技術應用非常成熟，因此在系統設計中采用1200系列PLC控制器。

4)系統功能擴展接口設計

根據集中監控系統設計，考慮以RS232、RS485、以太網等接口作為系統擴展接口，完成系統擴展接口設計。

通過技術成熟度、系統穩定性、成本控制等方面綜合考慮，決定選用如下的方案：①基于RS485總線技術；②利用1200系列PLC控制器；③PLC控制器通過以太網與國產HMI通訊。系統方案細化如圖1所示。

圖1 系統方案細化圖

4 改造方案實施及效果評估

4.1 方案實施過程

1)確定系統控制接口優化節點。通過對A、B、C區空調控制原理圖研究分析，中央空調檢測新風、回風與送風的溫度和濕度,主要由回風溫度近似反映被調對象的平均狀況，所以確定空調系統的主要控制參數為空調回風溫度[5]。平臺空調機組制冷控制系統中，主要依靠溫度控制器來控制供液電磁閥的開關動作，而供液電磁閥開關又控制著壓縮機進出口壓力大小，壓縮機的自動啟停又與低壓、高壓控制器相關，因此最終影響空調動作的主要參數還是溫度控制器。所以，本次選擇帶有通訊功能的溫度控制器。

2)控制接口器件選擇替換。目前空調機組采用的溫控器不帶通訊接口，通過對比分析，選擇RS485 Modbus接口的溫度控制器。因為本次改造計劃采用西門子S7-1200系列PLC開發設計上位控制器，可以通過擴展CB1241 RS485信號板或者CM1241 RS485信號模塊來實現485接口[6]，性價比較高。替換元器明細如表2所示。

表2 替換元器件統計表

3)集中監測設計系統方案原理。該空調集中監測系統主要包括西門子S7-1200 1214C系列的PLC，CM1241 RS485模塊以及CM1241 RS232接口模塊，外圍模塊包括MCGS昆侖通泰顯示HMI設備，以及PLC元器件的工作電源。

PLC 1214C通過RS485擴展模塊，與生活區各個空調的溫控器通過Modbus-RTU協議通訊獲得各個溫控器的相關溫度信息。RS485通訊線路與各溫控器之間采用手拉手的方式進行通訊，為了做好系統隔離，采用了RS485中繼器對系統做隔離設計。

PLC將獲得的各區空調溫度參數存儲在內部DB塊內，并通過以太網接口與MCGS昆侖通泰HMI通訊，完成相關數據的處理和顯示功能。通過HMI界面，用戶可以對空調溫度設定參數遠程設置。此外，通過RS232接口可以將PLC存儲在DB塊內的數據發送給上位機，從而通過上位機分發到本地局域網內或者陸地系統，實現局域網內數據分享和陸地遠程訪問。

4)繪制原理圖。系統控制原理，如圖2所示。

圖2 系統控制原理圖

5)硬件系統搭建，編寫測試程序。按照上述線路原理圖搭建硬件系統，箱體內部硬件依次是電源開關、24V開關電源、CM1241 RS232通訊模塊、CM1241 RS485通訊模塊，CPU 1214C PLC。

利用TIA編程軟件編寫空調監控系統軟件系統，程序主要采用PLC 1200系列提供的Modbus-RTU指令，通過輪詢的方式依次與生活區各空調機組溫控器進行通訊設置。

6)各區空調線路鋪設。

7)空調溫控器的更換及配置。

8)系統整體調試。整體調試過程主要包括在C區辦公室內安裝空調集中監測控制箱，然后依次連接測試各區溫控器是否可以正常與PLC通訊。

4.2 改造效果評估

完成了C區、A區空調的通訊線路連接和溫控器參數設定等工作以后，HMI顯示屏可以正常讀取上述區域的空調溫度數值，實時通訊效果良好，并能順利完成遠程設置，充分驗證了低成本Modbus總線技術在老舊平臺可以成功應用。該系統投入使用后，機工每日巡檢只需檢查監控裝置數據，即可瀏覽全部空調機組溫度參數，有效降低人員巡檢操作次數。通過本次技術改造，提高了平臺的自動化管理水平，大幅降低了設備故障率，可實現年均降本增效14萬元。

5 結語

1)通過廣泛使用電氣控制技術，結合老齡平臺設備特性，驗證了Modbus總線技術在平臺分布式設備之間構建通訊網絡的可行性，有效提升了平臺的自動化、數字化技術水平。

2)通過本次技術改造，實現了中央空調機組低成本的遠程監控功能，為其他老齡化自升式平臺、海洋工程船舶的電氣設備優化改造提供了借鑒意義。

3)通過實踐發現，平臺空調機組運行參數監測功能可以進一步擴展，主要表現在空調機組運行狀態、壓縮機高低壓力、冷卻海水壓力等數值的獲取和傳輸，可以通過利用PLC控制器、AI模擬量模塊以及CM1241 485通訊模塊組成新的控制系統，最終實現空調機組運行參數的全面監測。