“渤海自立號(hào)”液壓升降裝置電控系統(tǒng)優(yōu)化

周 炳，司江舸，張 興，李劍石

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

“渤海自立號(hào)”平臺(tái)建造于1979年，作為一艘生活支持平臺(tái)，主要由下沉墊、4條圓筒形樁腿和上船體構(gòu)成。其中，下沉墊與樁腿以焊接方式連接，上船體與樁腿通過插銷和楔塊連接。上船體通過液壓升降系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升降功能。

1 升降裝置原有電控系統(tǒng)

該平臺(tái)升降系統(tǒng)電控裝置由1套中控操作臺(tái)、4套樁邊控制柜和啟動(dòng)柜構(gòu)成，采用繼電器控制，中控操作臺(tái)與各樁控制單元間采用多根電纜連接。控制系統(tǒng)部分元件見圖1。

圖1 液壓升降系統(tǒng)內(nèi)部照片

各樁室有4個(gè)主舉升液壓缸，但僅1個(gè)液壓缸采用自整角機(jī)與鏈條連接，測(cè)量油缸行程并反饋給中控操作臺(tái)。升降操控人員觀察行程標(biāo)記，判斷液壓缸行程，進(jìn)行插拔銷和液壓缸伸縮操作。

由于僅采集1個(gè)液壓缸的行程作為控制參數(shù)，往往存在誤差，容易導(dǎo)致插拔銷失敗，故障率多。目前系統(tǒng)存在不足包括4點(diǎn)：

1）控制系統(tǒng)整體部件均為20世紀(jì)70年代進(jìn)口，使用大量繼電器和開關(guān)觸點(diǎn)，目前元器件老化，且大部分元件已停產(chǎn)。

2）液壓缸行程采用鏈條式自整角機(jī)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)陳舊，中控操作臺(tái)上的液壓缸行程不能數(shù)字化顯示，可視化差。

3）整體缺乏先進(jìn)的傳感器技術(shù)，系統(tǒng)監(jiān)控手段不足。

4）系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及一鍵式操作。

2 液壓升降裝置電控系統(tǒng)優(yōu)化

這里提出利用先進(jìn)的可編程邏輯控制技術(shù)（Programmable Logic Controller，PLC）、分布式IO控制技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)（Human Machine Interface，HMI）以及傳感器技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)改造升級(jí)。優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下4點(diǎn)：

1）利用PLC替代繼電器控制。采用軟件編程方式，降低線路鋪設(shè)工作量。與繼電器相比，PLC控制器的工作穩(wěn)定性更高，同時(shí)軟硬件擴(kuò)展性能強(qiáng)。

2）利用分布式IO模塊完成集中控制功能。分布式 IO模塊常用于控制系統(tǒng)與控制對(duì)象距離遠(yuǎn)、電纜不便鋪設(shè)等場(chǎng)合。

3）利用傳感器技術(shù)，提升液壓升降系統(tǒng)數(shù)字化水平。

4）利用HMI顯示技術(shù)，增加系統(tǒng)可視化。

優(yōu)化后液壓升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 優(yōu)化后液壓升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

該控制系統(tǒng)采用西門子 PLC 1215C，通過ET200S模塊分別串聯(lián)到各個(gè)樁邊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中控制功能。系統(tǒng)主要部件包括：

1）集中控制單元（1套），主要包括1套PLC控制系統(tǒng)、2套HMI顯示器和1個(gè)交換機(jī)。

2）樁邊控制單元（4套），主要包括1#～4#樁分布式IO控制系統(tǒng)和各樁室HMI顯示器。

針對(duì)樁邊控制單元，主要控制內(nèi)容包括：

1）液壓站電機(jī)的啟停控制。

2）液壓站安全保護(hù)設(shè)計(jì)，包括電機(jī)的過載保護(hù)、液壓油泵輸出壓力保護(hù)以及液壓油箱超溫保護(hù)等。

3）插銷液壓系統(tǒng)控制，包括插銷液壓缸的控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4）舉升液壓系統(tǒng)控制，采用位移傳感器測(cè)量舉升液壓缸伸縮距離，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

5）四樁集中控制和遠(yuǎn)程控制，以及樁邊單獨(dú)控制。

具體的單樁設(shè)計(jì)方案如下：

1）電機(jī)控制采用軟啟動(dòng)，通過Modbus協(xié)議與PLC之間通訊，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)液壓泵電機(jī)啟停控制。控制線路中僅需通過Modbus通訊模塊即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停及保護(hù)。

2）儀表監(jiān)測(cè)，包括壓力、溫度、插銷液壓缸的插拔狀態(tài)、以及主舉升液壓缸的伸縮位移。其中，溫度和壓力監(jiān)測(cè)采用4 mA～20 mA的兩線制變送器實(shí)現(xiàn)。插銷插拔狀態(tài)采用接近開關(guān)代替行程開關(guān)，非接觸式監(jiān)測(cè)，安全可靠，器件壽命更長久。主舉升液壓缸系統(tǒng)的伸縮位移監(jiān)測(cè)采用拉線式傳感器實(shí)現(xiàn)，通過絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)位移參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取，可采用4 mA～20 mA傳感器或者SSI接口的數(shù)字量傳感器，ET200S分布式IO模塊中具有SSI接口模塊，適用于本設(shè)計(jì)。

最終，樁邊控制單元設(shè)計(jì)見圖 3。中控系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)集中控制功能，布置在4#樁上部中控房內(nèi)，具體設(shè)計(jì)框圖見圖4。

圖3 單樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖4 中控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

液壓升降裝置的控制過程涉及升平臺(tái)、降平臺(tái)、升樁腿和降樁腿4個(gè)工況，每個(gè)工況包括上、下銷插拔和主油缸伸縮等步驟。PLC軟件程序?qū)Σ煌牟僮髦噶钸M(jìn)行判斷，最終實(shí)現(xiàn)不同的工況動(dòng)作控制。

中控的電子傾斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的傾斜數(shù)據(jù)，并通過RS232串行接口與PLC通訊。一旦升降作業(yè)中各樁腿升降不同步，導(dǎo)致平臺(tái)傾斜角度過大，升降傾斜儀會(huì)立即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并禁止危險(xiǎn)操作，以確保平臺(tái)作業(yè)處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文提出的方案通過使用西門子 1200系列PLC控制器、分布式IO模塊、傳感器（壓力、行程、溫度）、HMI設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)“渤海自立號(hào)”平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。徹底替代目前繼電器控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提升了數(shù)字化水平，有效解決了系統(tǒng)內(nèi)部器件老舊、使用風(fēng)險(xiǎn)高等問題。