海洋石油161平台升降系统电控部分优化改造

高连烨

（中海油能源发展采油服务公司天津作业公司 天津 300452）

海洋石油161平台升降系统电控部分优化改造

高连烨

（中海油能源发展采油服务公司天津作业公司 天津 300452）

针对海洋石油161平台液压插销升降系统改造前存在的问题，介绍了电控系统改造方案，系统硬件配置、网络结构、监控画面。

海洋石油161平台；液压插销升降系统；PLC控制系统

引言

“海洋石油161”平台于2008年开始建造，2009年交付给中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，该平台自投产以来，创造了可观的经济效益。但由于诸多原因，升降系统集中控制台无法使用，升降作业时只能桩边操作，无可视化的平台倾角检测，升降作业效率低，人员劳动强度大，且存在一定操作安全隐患。现借“海洋石油161”特检坞修之际，对升降系统做了优化改造。[1-3]

1 电控系统改造方案

海洋石油161平台升降动力由液压系统提供。液压系统由插销控制回路、提升油缸的换向和速度控制回路等基本液压回路构成。电控系统将系统的控制信号（操作手柄、按钮、接近开关、温度传感器、压力传感器等）通过输入接口输入，经过内部的控制程序处理后，使执行机构（主油缸、插销油缸）按照预定的逻辑顺序实现动作，实现整个液压插销系统的控制，如图1所示为升降系统改造后电气控制流程。

图1 升降系统改造后控制流程

此次升降系统改造电控部分为彻底解决操作繁琐，实现升降系统自动和半自动操作，对集中控制台和桩边控制柜做了整体替换，其余动力部分（电机起动器）利用原升降系统。电控系统改造主要由集中控制台、桩边控制柜和倾斜水平仪组成，见下表1所示。

表1 升降电控系统改造部分

2 电控系统硬件配置

液压插销升降电控系统主要由PLC模块和触摸屏等构成，其硬件配置如下表2所示。

表2 电气控制系统硬件配置

按集中管理，分布式控制原则设计。整个系统采用网络通信实现信息的传输和交互，系统框架由管理层、控制层和现场数据层构成。

管理层主要在集中控制台完成，各个插销状态、油缸压力等信号数据通过PROFIBUS总线或者电缆传输到集控台监控系统，操作人员又通过集控台的操作手柄、监控界面等又将控制命令给PLC系统，完成提升油缸和插销油缸的动作，总览整个系统的运行情况。

控制层用可编程控制器作为底层控制中心分别对升降系统的提升油缸、插销油缸、泵站电机进行控制、监测，采集信息，控制设备运行。

现场数据层指通过各种传感器将设备运行的状态数据由物理量转化成数字信号，传输给PLC控制系统，实现对现场各种信号的远程监控、判断、存储。

3 电控系统网络拓扑结构

电控系统的网络结构如图2所示。集中控制台配置一套西门子S7-400H冗余PLC。各桩边控制柜内配置一套ET200M分布式IO，各桩腿的控制信号和状态信号的输入输出由分布式IO实现。集中控制台与桩边控制柜的PLC通过Profibus总线进行通信和数据交换。集中控制台内的冗余PLC系统使得其中1个CPU或者ET200M出现故障后，控制系统依然能够正常使用。原先触摸屏数据传输采用profibus总线形式，这种方式传输数据最高224字节且传输速度慢，优化网络结构采用以太网传输，避免触摸屏画面卡顿。

图2 电气控制系统网络拓扑结构

集中控制台的控制系统配置一套西门子S7-400H冗余PLC。S7-400H采用“热备用”模式的主动冗余原理，在发生故障时，可实现无扰动地自动切换。根据CCS《海上移动平台入级规范》关于控制系统的一般要求“控制系统的设计应使控制系统中出现的故障对控制过程产生的危险性尽可能降到最低的程度，并不会使备用的自动和/或手动控制失效。”[4]升降系统电控系统选用具有容错功能的400H的PLC，桩边控制柜还有一套应急的操作，这样极大提高了系统的可靠性，保证了控制系统只出现一处故障的情况下，升降控制系统仍然能够使用。

各桩腿控制单元内配置一套ET200M分布式IO，各桩腿的控制信号和状态信号由分布式IO实现。集中控制台与桩腿控制单元的PLC通过Profibus总线进行通信和数据交换。冗余PLC系统使得CPU或者ET200M出现故障后，控制系统依然能够正常使用。此外，集中控制台内设置了交换机，集中控制台和各桩腿控制单元的触摸屏以及电子水平仪触摸屏均通过交换机连接PLC以进行数据交换实现数据的输入输出。

4 人机界面的优化

人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，是操作员和过程机器设备之间的接口。人机界面(HMI)主要承担以下任务：(1)过程可视化；(2)操作员对过程的控制；(3)显示报警；(4)过程值和报警记录；(5)报警和运行参数的标定设置。[5]操作员在平台升降的操作过程中，要时时了解当前提升油缸的位移、插销的状态、平台倾斜角度、油缸和系统压力等信息，以便对系统操作和紧急报警做出正确的判断和处理。

整个升降系统在集中控制台布置了两块触摸屏，在每个桩边控制柜各布置了一个触摸屏，方便集控台和桩边的操作员都对系统运行参数时时监控。每个HMI由多个画面组成，主要包括主界面、桩腿画面、液压泵站。

主界面显示的信息如下图3所示。包括选择的工况、控制位置、平台倾斜角度、自动控制时的升降节距设定；同时还有4条桩腿各自的位移、总共升降的节距数、提升油缸瞬时位移、提升油缸有杆腔与无杆腔压力、上下插销插拔状态等；液压站各电机的运行状态和报警信息。

图3 触摸屏主界面

桩腿界面如图4所示，可以显示桩腿的各提升油缸位移及有杆腔无杆腔压力、上下插销的状态，以及工况、控制模式、控制位置、桩腿位移、当前节距、自动剩余节距，同时保留了插销原检测信息。

图4 1#桩腿界面

液压泵站显示如图5所示，主要显示各电机运行状态、电机电流、加载阀得失电状态、主泵出口压力、滤器堵塞情况、各桩比例阀开口反馈、各桩流量大小等信息。

图5 液压泵站画面

5 结论

本次升降系统改造彻底解决了以前无法实现集中控制和不能实现自动升降的问题，优化电气控制系统。通过对该升降系统的改造，达到以下目的：

（1）实现了平台升降系统的集中控制功能，能在集中控制台对单桩或多桩同时进行升降操作，实现各桩腿按设定节距数自动升降；

（2）通过改造简化升降系统的操作，优化桩腿控制单元的设计，使桩腿控制单元操作更加人性化，优化桩腿控制单元上触摸屏的人机交互界面设计，便于操作人员在机旁进行桩腿升降控制操作。

[1]穆胜军.海洋石油161平台液压升降系统改进设计[J].船海工程,2015(4):127-129.

[2]雷晓程.西门子S7-400H冗余系统在12000m石油钻机上的应用[J].自动化工程,2009(3):51-53.

[3]刘爱侠.插销式液压升降系统在采油平台的成功应用[J].液压与气动,2012(1):75-78.

[4]中国船级社.海上移动平台入级规范（2012）[M].北京：人民交通出版社,2012.

[5]车畅.插销爬杆型风电安装船升降装置液压与控制系统设计[D].武汉：武汉理工大学,2012.

高连烨（1983-），男，学士学位，工程师，研究方向：海上石油平台设备管理，电气工程项目及其它。