海洋平臺作業狀態監測系統應用

姜春起，金玉臣，高連燁，穆勝軍，許海東

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

平臺狀態監測裝置包含現場設備(傳感器及信號采集模塊等)、主數據采集箱、上位機站等3大部分。監測平臺插樁深度數據、平臺水平狀態、平臺站立時氣隙,以及與井口之間距離的變化[1]。在平臺進行拖航、插拔樁、鉆修井,以及采油等重大作業時，給作業人員提供重要的參考依據，保障平臺的安全。將現場設備(傳感器及信號采集模塊等)采集數據信號傳輸至主數據采集箱進行處理，再由中控計算機以人機界面的形式呈現，從而實現對平臺狀態參數的監測[2]。平臺狀態監測裝置系統見圖1。

圖1 平臺狀態監測裝置系統示意圖

1 系統組成

1.1 主數據采集箱

主數據采集箱材質為厚2 mm冷軋鋼板，外形尺寸為高×寬×深=650×550×220 mm,防護等級IP44，盤內安裝S7-1200 PLC組件，采集處理現場設備輸出信號如下。

4個樁腿的升降高度信號；

平臺四角吃水信號；

海水測深信號；

氣隙傳感器輸出信號；

雙傾角傳感器輸出信號；

組合測距儀測距信號；

內置以太網交換機中繼轉發網絡視頻信號；

提供220 V工作電源至組合測距儀現場接線箱。

1.2 從數據采集器

從數據采集器1#用于采集樁腿升降信號，主要包含4塊脈沖信號分配模塊，該模塊將原系統升降信號一分為二，輸入輸出通道互相隔離，分別供原升降控制系統及平臺狀態監測裝置進行采集處理。脈沖信號分配模塊分別安裝在4個樁腿的控制柜內，其主要參數見表1。

表1 從數據采集器1#參數表

從數據采集器2#用于采集平臺四角吃水信號，平臺原有吃水傳感器接入從數據采集器2#，其輸出信號接入原液位遙測系統，并通過Modbus-RTU協議與狀態監測裝置進行數據交換，接線簡圖見圖2。

圖2 從數據采集器2#接線簡圖

從數據采集器2#采集儀表主要參數如下。

供電電壓：24 V DC；

功耗：≤4 W；

輸入/輸出通道：4路/4路；

輸入/輸出信號：4～20 mA/4～20 mA；

輸出允許負載：≤400 Ω；

測量精度：0.2%FS；

通訊方式：Modbus-RTU；

安裝方式：面板嵌入式。

1.3 海水測深儀

系統配置2臺DS2008型海水測深儀，用于測量平臺所在位置的海水深度，該型測深儀通過換能器發射并接收反射超聲波，根據聲波在海水中的傳播速度以及往返時間，計算出海底或水中目標距離換能器表面的距離，以圖像和文字形式進行顯示[3]。

測深儀包含測深主機及測深換能器，2臺測深主機放置于中控室內，2個測深換能器分別安裝于左、右舷舷邊支架上,見圖3。

圖3 測深儀

1.4 氣隙傳感器

氣隙傳感器用于測量平臺作業時的氣隙值，該傳感器通過天線系統發射極短的微波脈沖到被測介質上，被介質表面反射并被天線系統重新接收，根據傳播速度及運行時間計算傳感器與被測介質的距離。氣隙傳感器安裝于飛機平臺下部工作平臺，安裝位置距船體底部為16.4 m，見圖4,氣隙值h2=H(測量值)-h1(安裝高度)。

表2 從數據采集器2#參數表

圖4 氣隙傳感器

1.5 組合測距儀

組合測距儀兼具激光測距、萬向云臺及視頻實時監控功能，主要用于測量平臺與目標設施的相對距離，同時輔以視頻實時監控目標設施狀態[4]。

系統配置兩臺組合測距儀，分別在左舷、船艉及右舷側分別設置3個安裝底座，根據不同靠泊方向，可以選擇兩臺測距儀的最佳安裝位置。組合測距儀接線采用快速航空插頭連接，便于拆裝移位。

組合測距儀采用隔爆型防爆型式，適用于部分安裝位置所處的II類防爆區域，相關參數見表3。

表3 組合測距儀相關參數

1.6 雙傾角傳感器

雙傾角傳感器用于測量平臺在X軸和Y軸方向上的傾斜角度，傳感器配置1臺可進行水平調整底座，安裝于主數據采集箱內，如圖5所示。

圖5 雙傾角傳感器安裝示意

1.7 上位機工作站

上位機工作站位于平臺中控室，主要包含主控計算機、測深儀主機及通訊接線箱。主控計算機內置平臺狀態監測裝置系統人機界面，用于顯示平臺狀態參數及進行系統運行參數設置，測深儀主機用于進行測深參數調節，獲得最佳海水深度數據；通訊接線箱內置通訊模塊，完成下位控制PLC與上位機人機界面、測深儀主機等的數據交換[5]。

2 硬件安裝

2.1 上位機安裝

1)安裝控制主機，控制主機包含主機箱和1臺24″顯示器，主機置放于中控臺內，顯示器擺放于中控臺上。

2)安裝通訊接線盒，置于中控臺內靠近主機位置。

3)安裝布置兩臺測深儀主機，靠近升降操作臺位置。

2.2 在平臺變壓器間安裝主數據采集箱

1)在變壓器間地板開孔并焊接安裝MCT框架；開孔尺寸為L×W=210 mm×140mm，開孔位置在主數據采集箱底座正中的地板。

2)在地板焊接安裝主數據采集箱底座，對焊接和開孔部位打磨刷漆。

3)安裝固定主數據采集箱；采集箱及底座的總體尺寸為H×W×D=1 250 mm×550 mm×220 mm。

4)系統電纜穿MCT及電纜戈蘭進入主數據采集箱并接線。

5)如下圖平臺變壓器間安裝位置及主數據采集箱及底座。

2.3 平臺下方工作走道位置安裝氣隙傳感器

1)確定安裝位置，焊接氣隙傳感器安裝支架，焊接部位打磨刷漆，見圖6。

圖6 氣隙傳感器及船艏安裝位置

2)安裝氣隙傳感器，敷設電纜并接線。

2.4 安裝2臺組合激光測距儀

1)確定安裝位置，分別左舷舷邊立柱、右舷燃料橇底座和船艉主甲板計量罐側壁各焊接一個組合測距儀安裝支架；焊接完畢，動焊部位打磨刷漆。

2)在上述3個安裝位置各安裝1個接線箱。

3)分別鋪設控制及信號電纜至3處安裝支架處。

4)安裝兩臺組合激光測距儀。

5)見圖7，左舷、右舷及船艉處安裝位置及組合測距儀。

圖7 左舷右舷及船艉安裝位置

2.5 分別在左右舷側甲板安裝兩臺測深聲納

1)分別在兩舷邊確定安裝位置，沿側甲板搭建腳手架,安裝位置(見圖8)，距船艉約35 m處，2道橡膠護舷之間：

圖8 測深聲納安裝位置

2)利用腳手架拆卸護舷緊固螺絲，數量4個，護舷緊固結構及布置見圖9。

圖9 護舷緊固結構

3)利用平臺吊車將支架吊至安裝位置并就位，利用護舷螺絲緊固，支架分為上下2段，2段均就位后穿接螺栓并緊固，連接螺栓的數量及規格為8×M8,換能器支架及安裝示意于圖10、11。

圖10 聲吶換能器安裝支架

圖11 換能器支架安裝示意

3 人機界面

3.1 主界面

通過主界面可以對平臺狀態參數進行實時監測，系統主界面見圖12。

圖12 平臺狀態監測裝置主界面

在該界面可以直觀的了解到樁腿升降參數、海水深度、平臺氣隙值、傾斜角度值、實時監控視頻等重要內容，便于及時發現安全隱患，保證平臺安全。[6]

3.2 參數設置

通過參數設置界面可以對傳感器進行標定及系統計算基本數據進行設置，界面見圖13。

圖13 平臺狀態監測裝置參數設置界面

在參數設置界面，可以對樁腿位置、四角吃水、報警值等數據進行設定。

3.3 趨勢曲線

趨勢曲線界面顯示數據的實時變化，可以根據日期、時間等調用歷史趨勢曲線，趨勢數據包含艉部激光測距數據、右舷機關測距數據及左舷激光測距數據[7]，見圖14。

圖14 參數變化趨勢

3.4 故障和報警的歷史記錄

系統可以保存報警記錄，所有在運行過程中產生故障或報警均可以回溯查看。

4 系統維護及保養

系統的維護主要取決于現場工況的惡劣程度、系統的運行狀態等因素。操作人員需要在使用的過程中不斷的熟悉和了解設備的實際狀況，并對系統進行更有效的維護和保養。

系統滿足長期持續運行和最小維護量的使用需求，但為了實現系統功能最大程度的可靠性，使用人員應該堅持進行周期性維護保養工作。

5 結論

在人工計算測量樁靴入泥深度，平臺站立時氣隙高度及井口平臺與海洋石油平臺距離測量的基礎上，通過增加狀態監測裝置，能夠連續自動測量多項參數，并實現在上位機實時顯示，預警等功能，幫助操作人員了解現場情況。

在大部分海況下，都能測出平臺狀態，操樁人員可參考裝置的數值對平臺進行操作。但是平臺站立后，無法測量海水深度，僅能通過潮汐表，補償海水深度值，對整體測量會造成誤差。