半潛式平臺壓載控制系統(tǒng)設(shè)計

劉承志 徐亞玲 石麗杰 周迎春 薛吉宏

摘要：壓載控制系統(tǒng)是半潛式平臺的一個重要組成部分，通過控制和監(jiān)測半潛式平臺在裝載和卸載過程中壓載水量的變化，進而保證半潛式平臺的穩(wěn)性，對于保障平臺的安全性和提高調(diào)載工作效率方面具有重要的作用。介紹了一種以WinCC 組態(tài)軟件和PLC 為核心控制器的壓載控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備操作和上位機界面監(jiān)測于一體，通過上位機與下位機的信號傳輸，實現(xiàn)閥門的自動控制。相比于傳統(tǒng)的人工操作閥門的方法，壓載控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以大節(jié)省人力以及時間成本，提高壓載效率。通過相關(guān)調(diào)載試驗表明，下位機程序運行穩(wěn)定，上位機呈現(xiàn)的畫面直觀明了，具有良好的人機交互性。

關(guān)鍵詞：半潛式平臺;壓載控制系統(tǒng);WinCC 組態(tài)軟件;PLC;人機交互

中圖分類號：TP273文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0231-04

Research on Ballast Control System of Semi-submersible Platform

Liu Chengzhi，Xu Yaling，Shi Lijie，Zhou Yingchun，Xue Jihong

（ Offshore Oil Engineering Co. ，Ltd. ，Tianjin 300461，China ）

Abstract：The ballast control system is an important part of the semi-submersible platform. By controlling and monitoring the change of the ballast water volume of the semi-submersible platform during the loading and unloading process，the stability of the semi-submersible platform can be ensured，which is important for ensuring the safety of the platform. It plays an important role in improving performance and improving theefficiency of load adjustment. A ballast control system with WinCC configuration software and PLC as the core controller was introduced，which integrated dataacquisition，data processing，equipmentoperationandhostcomputerinterfacemonitoring. Throughthesignaltransmissionbetween the host computer and the lower computer，realized the automatic control of the valve. Compared with the traditional method of manuallyoperating the valve，the application of the ballast control system could greatly save manpower and time cost，and improve the ballast efficiency. The related load adjustment test shows that the program of the lower computer runs stably，the picture presented by the upper computer is intuitive and clear，and has good human-computer interaction.

Key words：semi-submersible platform;ballast control system;WinCC configuration software;PLC;human-computer interaction

0 引言

隨著我國海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，深海域的石油開發(fā)已逐步成為我國現(xiàn)階段的重點研究方向，同時半潛式的采油平臺也逐步在各類采油平臺中脫穎而出[1]，半潛式平臺是通過調(diào)節(jié)其壓載艙中壓載水量的變化進而控制整個平臺的上浮與下沉。在早期的壓載工況下，平臺的穩(wěn)定狀態(tài)大都由操作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗獲得。為了完成配載，需控制壓載水艙的壓載量，這個過程不僅需要大量的人力和時間成本，工作效率低，還無法保證裝載或卸載貨物的安全性，并未實現(xiàn)壓排載的自動控制[2]。為解決這些問題，需要設(shè)計一種控制和監(jiān)測系統(tǒng)，降低人工成本，提高壓排載操作效率。

王嘉宇等[3]依據(jù)壓載水調(diào)撥智能控制算法，對特定船型在縱傾和橫傾狀態(tài)下的穩(wěn)性進行了分析，并設(shè)計了壓載水自動控制系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的壓載水控制方式實現(xiàn)了改進。Manzi 等[4]以Pridedo Rio 號石油鉆井平臺為例，在原有壓載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了具有人機交互接口的壓載系統(tǒng)，提高壓載效率。

國內(nèi)外學者針對已有的船舶和海上平臺的壓載系統(tǒng)設(shè)計進行了深入研究，本文研究的半潛式平臺具有壓載艙數(shù)量多，閥門數(shù)量多的特點，同時其還要經(jīng)歷多種復(fù)雜工況，為保證其穩(wěn)性，需要對半潛式平臺進行精準控制和實時監(jiān)控。因此介紹了一種以WinCC 組態(tài)軟件和PLC 為核心控制器的壓載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的檢測對象包括半潛式平臺的壓載艙液位、平臺吃水、壓載泵進出口壓力等，通過使用PLC 控制器控制壓載艙的閥門開閉、排載水泵的啟停等。上位機監(jiān)測界面的開發(fā)由WinCC 組態(tài)軟件完成，主要包括顯示系統(tǒng)的控制界面、生成歷史數(shù)據(jù)報表等。上位機與下位機相結(jié)合，用戶可以實時監(jiān)測調(diào)載過程中半潛式平臺的狀態(tài)以及設(shè)備的運行情況，并根據(jù)不同的狀況做出相應(yīng)的控制。

1 壓載控制系統(tǒng)概述

本文介紹的半潛式生產(chǎn)平臺分為上部模塊和船體兩大部分，壓載控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備主要位于船體，船體共有4個立柱，每個立柱的C 層應(yīng)急控制間均設(shè)置有PLC 控制盤柜，4個立柱之間的控制盤柜通過網(wǎng)線進行通信;壓載控制系統(tǒng)位于船體的操作站共有兩臺，分別設(shè)置于船體的SW 立柱和NE 立柱，每臺操作站均可以控制和監(jiān)測整個船體的壓排載狀態(tài);在上部模塊的中控室也設(shè)有一臺壓載控制系統(tǒng)操作站，通過串口通信，用戶也可以在上部模塊的中控室中進行相應(yīng)的控制和監(jiān)測。壓載控制系統(tǒng)如圖1所示。

2 壓載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2. 1 壓載控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個壓載控制系統(tǒng)應(yīng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠程控制模塊和遠程監(jiān)測模塊等組成。壓載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓載控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊由液位傳感器和壓力傳感器對系統(tǒng)中壓載艙液位、各立柱吃水液位、管路壓力、液壓動力系統(tǒng)溫度等數(shù)據(jù)進行采集;數(shù)據(jù)處理模塊，即PLC，用于對傳感器采集到的信號進行運算處理，根據(jù)不同的輸入數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的信號顯示于上位機中，并對遠程控制模塊，即電液閥門和排載水泵，發(fā)出控制指令，相應(yīng)的電液閥門和排載水泵完成指定的動作;遠程監(jiān)測模塊即WinCC 上位機組態(tài)軟件，對整個壓載控制系統(tǒng)進行遠程動態(tài)監(jiān)控。

2. 2 液位測深系統(tǒng)

整個半潛式平臺的控制系統(tǒng)需實時監(jiān)測各個艙室的液位，如凝析油艙、污油艙、柴油艙、淡水艙、壓載艙等，這些數(shù)據(jù)對于半潛式平臺的穩(wěn)態(tài)控制至關(guān)重要。在整個半潛式平臺的壓載控制系統(tǒng)中，液位測深系統(tǒng)起著監(jiān)測和報警的作用。液位測深系統(tǒng)包括液位傳感器以及監(jiān)測軟件等，位于壓載艙中的液位傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC 控制器進行處理以后，顯示于上位機界面中。當液位傳感器測得的數(shù)據(jù)低于或高于系統(tǒng)原有的設(shè)定值時，報警信號會自動輸出，系統(tǒng)發(fā)出警報及時提醒現(xiàn)場的工作人員處理相應(yīng)情況[5]，保障了半潛式平臺的安全性。半潛式平臺的液位測深系統(tǒng)的監(jiān)測界面如圖3所示。

2. 3 閥門遙控系統(tǒng)

相比于傳統(tǒng)的依靠人力手動控制閥門開閉的方式，閥門遙控系統(tǒng)對于節(jié)約人力成本、提高工作的安全性起著非常重要的作用[6]。在壓載控制系統(tǒng)中，閥門遙控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測半潛式平臺壓排載系統(tǒng)管路上電液閥門的狀態(tài)，接收壓載控制系統(tǒng)的調(diào)載指令，控制電液閥門的開閉以及排載水泵的啟停。本文介紹的半潛式平臺的閥門遙控系統(tǒng)由電液閥門、遙控系統(tǒng)和應(yīng)急閥塊等組成。當需要進行調(diào)載作業(yè)時，首先明確壓載艙的位置和壓載水量，由壓載控制系統(tǒng)的操作臺控制相應(yīng)閥門的開啟和關(guān)閉，同時在操作界面前監(jiān)測各個閥門的狀態(tài)和壓載艙內(nèi)水的實時液位，當調(diào)載作業(yè)完成時，及時關(guān)閉相應(yīng)閥門。半潛式平臺的閥門遙控系統(tǒng)的控制及監(jiān)測界面如圖4所示。該系統(tǒng)有效解決了遠距離操作閥門工作量大或某些場所操作人員不能隨時進入操作閥門的情況。

3 壓載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

半潛式平臺壓載控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為下位機PLC 軟件設(shè)計和上位機WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計。壓載控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。PLC 控制軟件[7]主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、遠程控制等功能，其中數(shù)據(jù)采集主要包括壓載艙液位、各立柱吃水、排載系統(tǒng)管路壓力等參數(shù)，數(shù)據(jù)處理主要包括信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等，遠程控制主要包括電液閥門的開閉、排載水泵的啟停等。上位機WinCC 組態(tài)軟件[8]的主要功能是實現(xiàn)壓載艙液位、各立柱吃水、排載水泵狀態(tài)、閥門開關(guān)狀態(tài)以及系統(tǒng)管路壓力和溫度等參數(shù)在上位機界面中實時顯示，針對系統(tǒng)中的故障及時發(fā)出警報，并生成報表進行記錄。

3. 1PLC 軟件設(shè)計

壓載控制系統(tǒng)的PLC 軟件設(shè)計采用STEP7軟件[9]編寫系統(tǒng)功能塊圖表示控制邏輯，采用多線程的方法來進行模塊化編程，即由主程序調(diào)用多個子程序同時實現(xiàn)閥門的開閉、排載水泵的啟停，并在監(jiān)測的同時進行信號處理。PLC 軟件設(shè)計流程如圖6所示。

進入到程序以后，首先完成系統(tǒng)初始化操作，對整個系統(tǒng)的初始值和參數(shù)進行相應(yīng)的設(shè)置，然后對整個壓載控制系統(tǒng)進行檢查[10]，包括硬件和軟件，硬件主要有排載水泵、各傳感器、閥門的狀態(tài)，軟件包括各立柱間 PLC 通信是否正常，上位機界面是否能正確顯示各設(shè)備的狀態(tài)。若系統(tǒng)通信正常，則按流程進行下一步操作，若通信發(fā)生錯誤，則需要立刻中斷程序進行故障檢查。當上位機界面處于正常狀態(tài)時，傳感器開始對各壓載艙液位、各立柱吃水和系統(tǒng)管路壓力和溫度進行實時采集，采集到的信號進入PLC 的相應(yīng)模塊， PLC 調(diào)用相應(yīng)的子程序，實現(xiàn)對排載水泵、電液閥門的遠程控制。同時上位機端對采集到的液位、壓力、溫度以及設(shè)備執(zhí)行情況實時進行顯示。

3. 2 上位機界面設(shè)計

半潛式平臺的系統(tǒng)非常龐大，操作人員無法在現(xiàn)場同時監(jiān)測到多個子系統(tǒng)的狀態(tài)，因此將現(xiàn)場的設(shè)備形象地顯示在中控的監(jiān)測畫面中是非常必要的。上位機界面的設(shè)計主要是便于操作人員在中控室可以實時查看到各個設(shè)備的實時參數(shù)，方便操作人員及時做出判斷是否需要進行調(diào)載作業(yè)，若需進行調(diào)載作業(yè)，則操作人員通過控制上位機發(fā)出指令信息，指令信號傳到下位機PLC 控制器，進而對整個壓排載系統(tǒng)進行圖7上位機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制。上位機軟件系統(tǒng)功能如圖7所示。

WinCC 是一種模塊化的自動化組件，具有很好的開放性和穩(wěn)定性[11]?；赪inCC 組態(tài)軟件設(shè)計的上位機監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能有：全面監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，上位機界面實時監(jiān)測各壓載艙的液位、各立柱吃水液位以及系統(tǒng)管路壓力或溫度等信息，并實時顯示排載水泵和電液閥門的運行狀態(tài);具備良好的人機交互界面，操作人員可以在中控室實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并發(fā)出控制指令進行遠程遙控，控制設(shè)備的運行;數(shù)據(jù)記錄，上位機軟件會將實時的液位、壓力等數(shù)據(jù)進行存儲，便于日后查看。

4 海上工況調(diào)載

該半潛式生產(chǎn)平臺正常工況下的吃水為35～40 m，圖8所示為平臺上裝載計算機在平臺壓載到35 m 時計算得出的數(shù)據(jù)，由圖可以看出，平臺在壓載到35 m的位置時已經(jīng)基本滿艙，所以實際上平臺只要壓載到35 m 左右時即可達到正常海上生產(chǎn)工況。

在進行壓載操作時，進入壓載控制系統(tǒng)的閥門遙控界面，打開相應(yīng)的閥門即可控制海水進入壓載艙。本文中以NW9艙的壓載操作為例進行介紹，如圖9所示。進行NW9壓載艙進水操作時，需依次打開閥門XV-96010、XV-96013、XV-96014、XV-96006、 XV-96012、XV-96015，

在壓載控制系統(tǒng)中找出相應(yīng)的閥門打開即可。點擊相應(yīng)的閥門在界面中會彈出如圖10所示的命令面板，點擊“OPENED”即完成閥門的開操作。需要注意的是，由于壓載艙數(shù)量多，進行壓載操作時，需要對側(cè)反復(fù)壓載，不能單側(cè)壓載，避免造成平臺傾斜嚴重，這就需要操作人員在監(jiān)測界面時刻進行監(jiān)測，直至各立柱吃水一致。

通過海上壓載試驗，可以得出該半潛式平臺的系統(tǒng)穩(wěn)定，能很好地控制泵及閥門地動作，同時上位機監(jiān)測界面清晰，采集到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)在允許誤差的范圍內(nèi)，具有很好的人機交互性。

5 結(jié)束語

本文研究的半潛式平臺的壓載控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各壓載艙的液位、各立柱吃水液位等數(shù)據(jù)的實時采集，采集到的信號傳輸?shù)絇LC 控制器進行處理用以對系統(tǒng)的排載水泵和電液閥門的控制?；赪inCC 組態(tài)軟件設(shè)計的上位機監(jiān)測界面具有良好的人機交互界面，除了能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)外，通過發(fā)送控制指令到PLC 控制進而控制相關(guān)設(shè)備的運行。該壓載控制系統(tǒng)集自動控制與監(jiān)測于一體，具有良好的穩(wěn)定性，大節(jié)約了人力成本，提高了整個平臺的自動化水平。

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第一作者簡介：劉承志（1986-），男，大學本科，工程師，研究領(lǐng)域為電氣儀表自動化。 （編輯：王智圣）