深水半潛式生產儲油平臺系泊錨機電控系統設計及應用

段平安，劉孔忠，吳堯增，李清明

(中海石油(中國)有限公司 海南分公司，海南 海口 570000)

國內現存的系泊系統大多在500 m水深以內使用，采用鋼纜、鋼鏈及其組合進行懸鏈線式系泊。“深海一號”是世界上首個柱穩式深水半潛式生產儲油平臺，排水量達11萬t，世界第三，設計使用16條系泊纜將其固定在1 500 m水深的陵水氣田所在海域，“深海一號”系泊系統示意圖見圖1。

圖1 “深海一號”系泊系統示意圖

“深海一號”所在海域水深可達1 542 m，可變載荷要求大，因此系泊纜選用了“錨鏈—聚酯纜—錨鏈”的形式，系泊纜中間環節為聚酯纜。系泊的負載大，空間要求占地小，因此錨機選用重型鏈式舉升錨機，這是國內首次應用該種類型錨機實現深水張緊式永久系泊系統，完全無經驗可循。

為了保證深水半潛式生產儲油平臺在惡劣海況下的精確定位以及為安全生產提供保障，系泊系統的重要性顯得尤為突出[1]。該永久系泊系統的設計壽命為30年，在役期間，控制系統要求可靠性高、運行平穩、自動化程度高，因此在設計和建造時，需進行深入分析研究[2]，詳細地分析功能需求，選擇先進的技術，打造一款高端的深水石油開采裝備。

1 “深海一號”平臺系泊系統介紹

“深海一號”平臺系泊系統主要由錨機、系泊纜和錨3部分組成[3]，系泊纜組成示意圖如圖2所示，包含1根錨樁和1根系泊纜，系泊纜由平臺鏈、安裝鏈、上聚酯纜、下聚酯纜、底鏈等組成，平臺鏈、安裝鏈、底鏈等錨鏈為R4S級，直徑157 mm，聚酯纜直徑274 mm，系泊纜最大可承受2.2×104kN的張力。多余的平臺鏈存放在立柱內部的錨鏈艙里面。每個系泊纜配置上完全一致，因為海底地質條件的不一樣，錨樁入泥的深度上稍有區別，因此系泊纜長度上稍有差別。

圖2 系泊纜組成示意圖

將16臺重型鏈式舉升錨機布置在4個角落的立柱頂部，每個角落布置4臺，每臺錨機都可通過收放操作來調節平臺鏈長度，從而將平臺調整到限定的位置范圍內，同時系泊纜的張力亦在限定的范圍內。

16臺重型鏈式舉升錨機操作控制比一般的定位錨機復雜，其檢測點和控制參量多[4]，為實現這16臺重型鏈式舉升錨機的可靠運行，并對整個系泊系統進行持續不斷的監測及分析，需設計出一套智能化的電氣控制系統(以下簡稱電控系統)。整個系泊系統設計、制造、測試、安裝需滿足API RP 2SK 《Recommended Practice for Design and Analysis of Station-keeping Systems for Floating Structures》規范，并能滿足船級社的取證要求。

2 電控系統功能分析

重型鏈式舉升錨機是一種直線往復牽引和張緊錨鏈的裝置，通常由一個或多個液壓缸驅動，錨鏈輪與鏈環相嚙合，液壓缸頂升起少量幾個鏈環，隨后棘爪嚙合頂住鏈環，液壓缸收回，并重復這一過程。重型鏈式舉升錨機功能強大，但它的收放速度很慢，只推薦用于不需要頻繁收放系泊纜的場合，例如永久系泊系統。每套重型鏈式舉升錨機系統由座底式鏈式舉升錨機、壓力動力站、液壓油冷卻器、就地控制盤、移動操作手柄等部件組成。重型鏈式舉升錨機組成示意圖如圖3所示，由它來執行系泊纜的回收和下放工作。每臺重型鏈式舉升錨機設置止鏈器，其集成在該錨機內。

壓力動力站用來給液壓缸提供動力，每個液壓站配備2臺主泵，高速操作時2臺泵同時運行，當一臺有問題時，單臺泵可以維持該錨機的低速操作。做功后的高溫液壓油通過油/空氣冷卻器來進行冷卻。就地控制盤負責提供人機交互(HMI)，能給現場操作者提供壓力動力站負載,壓力、錨鏈、止鏈器狀態和一些設置。可移動的操作手柄，接入就地控制盤，方便操作者在操作該錨機時可以移動位置，能在觀察到錨鏈輪、止鏈器、棘爪的位置進行控制[5]，確保安全。

圖3 重型鏈式舉升錨機組成示意圖

電控系統的功能分為2個部分：核心控制功能和狀態監測功能。

1)核心控制功能。該系泊系統最基本的功能是通過就地控制盤或者移動式操作手柄操作，實現收放鏈，調整系泊纜的張力和長度。電控系統負責整個液壓站的正常運行，啟停2臺電動液壓泵，為液壓控制系統提供最高壓力高達32 MPa的驅動液壓油。液壓油壓力建立后，根據自動/手動的指令，按照邏輯順序開關主頂升電磁閥、棘爪電磁閥、止鏈器電磁閥、主回收電磁閥，液壓油去驅動相對應的4個液壓缸，實現該錨機的各種動作功能。電控系統實時對各錨機運行參數進行采集和顯示[6]，收集、檢測液壓油油壓、油位、油溫、濾器的差壓、止鏈器的位置、棘爪位置、鏈環計數等信息，提供安全保護功能，保證整個錨機操作過程是安全的，不會造成設備損壞，且如果發生設備故障，不會導致滑鏈。

2)狀態監測功能。電控系統實時監測系泊纜靜態張力和動態張力、已放出的系泊纜的長度并提供報警功能，系統將錨機狀態信息、張力信息、系泊系統狀態信息傳遞給集中式海洋監測系統，集中式海洋監測系統負責數據的記錄存檔，在集中式海洋監測系統的上位機界面上進行監測顯示、并對數據進行追溯和趨勢顯示。

3 電控系統核心設計

3.1 電控系統方案設計

將錨機和冷卻器布置在4個立柱頂部，而將液壓站設備布置到每個立柱中部位置的公用設備間，由于立柱之間物理位置相隔甚遠，現場大量的采樣設備、執行設備位置分散，因此設計上考慮遠程設置輸入/輸出(I/O)柜，采用現場分布式系統來進行控制。這樣能增強錨機電控系統管理的安全性、系統性和靈活性，控制方案選擇可編程邏輯控制器(PLC) 和分布式I/O站作為主要控制器件，操作現場選擇使用觸摸屏作為HMI接口進行各錨機和液壓站狀態顯示，結合上位機遠程監測控制方式。深水半潛式生產儲油平臺每個立柱上設計1臺遠程I/O柜，對設備運行狀態進行收集和控制，在船體控制房集中設置1臺中央控制柜，這5臺控制柜組成一個環網，對平臺上的16臺錨機和配套設備進行控制，電控系統方案示意圖見圖4。由于5臺控制柜之間距離超過100 m，設計時選擇使用光纖進行通訊傳輸。

圖4 電控系統方案示意圖

電控系統控制部分設計由上位機、互為熱備用的PLC控制器、多個遠程I/O節點等組成。整個PLC系統采用模塊化設計，用戶可非常方便地對其進行設計、組態、編程和修改。

WAGO-I/O-SYSTEM 750系列是模塊化的現場總線I/O系統，具有信號采集、信號診斷、數據處理等功能[7]，使用籠式彈簧壓接技術，故障少、維護工作量少、系統性能高。它由一個現場總線適配器/控制器、用于連接各種類型信號的現場總線模塊以及終端模塊一起共同構成一個完整的現場總線節點。因此硬件設計上，根據所需內存、端口、是否支持冗余等特性出發，根據產品選型指南，選擇控制器類型為ControlLogix5572，搭配能組建環形網絡的以太網模塊1756-EN2TR，遠程I/O節點，選擇最新的第四代產品WAGO 750-363以太網總線適配器模塊，適配器總線下掛WAGO數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出等I/O模塊。

設計通過EtherNet/IP工業以太網協議來實現主站與遠程I/O站的通訊[8]。網絡拓撲規劃如下：整個網絡設置6臺1783-ETAP分接式交換機和2個以太網模塊1756-EN2TR組成主環網，這6臺1783-ETAP作為接入節點將主環網向外擴展網絡支路，每個立柱的遠程I/O站和觸摸屏HMI通過2個Stratix 2000工業非管理型交換機由此接入環網，PLC與集中式海洋環境監測系統上位機的通訊通過通訊模塊MVI56E-MCM來實現，使用MODBUS 485協議進行傳輸[9]。

3.2 冗余功能的實現

1)供電冗余。電源設計完全冗余，硬件及回路設計選擇使用先進的SIMENS SITOP電源技術，使用雙回路供電，一路取自平臺的正常電源，一路取自平臺的不間斷電源， 2組SITOP PSE200U電源選擇模塊的支路分別供電到2塊AB直流電源模塊AB1750-PB75R，最終輸入到電源冗余模塊1756-PSCA2，實現對PLC的不間斷供電。

2)電控系統冗余。電控系統設計成硬件冗余配置，選擇配置ContolLogix冗余系統，其由互為冗余的CPU機架、遠程I/O 機架及網絡附件等組成，冗余模塊通過光纖1756-RMC1(LC接頭，單模)連接。

3)網絡冗余。設計使用羅克韋爾的設備級環網(Device Level Ring)技術，將PLC中央控制柜和4個遠程I/O柜之間使用光纖組建環網，設置環網監視器實時監視驗證環網的完整性。

3.3 遠程I/O從站的設計

根據系泊系統的功能需求和設計思路，列出所有現場設備的I/O清單。根據信號類型、信號數量、安裝區域、工況等條件，參照WAGO的產品清冊，為每個遠程I/O從站配置合適的WAGO I/O模塊，表1為WAGO I/O卡件配置表。隨后利用WAGO SMART DESIGNER軟件在線設計配置現場總線節點，設計完成后，對配置進行合理性檢查，實現精確配置。

表1 WAGO I/O卡件配置表

3.4 軟件組態及編程

使用RSLOGIX DESIGNER 程序進行軟件設計，建立工程項目，進行軟件組態，在I/O配置下的“背板配置”中新建網絡模塊，依次在編程軟件中在線組態遠程I/O站所有模塊，所有遠程I/O站上的模塊便可以在電控系統中應用，組態完成后，就可以進行編程。

3.5 人機界面的設計

系泊系統的HMI操作面板布置在立柱頂部，面板設計應適用于惡劣的環境，其工作溫度高達+50 ℃，布置區域有可能存在可燃氣體，并要求HMI操作面板可以在高振動場合下正常工作。

利用HMI組態軟件，對系統設置、系統總覽、液壓動力站控制、錨機狀態、錨機操作、報警等6個功能進行組態畫面，HMI功能列表如表2所示，并實現HMI操作面板與主程序進行互聯。

4 結束語

本設計使用了冗余設計，滿足了深水半潛式生產儲油平臺系泊電控系統可靠性高的要求。該設計已在世界第一座半潛式深水生產儲油平臺上進行了實踐，具有良好的推廣意義和借鑒價值，為整套裝置的國產化打下堅實的基礎。