基于變頻驅(qū)動的自升式鉆井平臺升降控制系統(tǒng)

袁飛暉，張紀昱

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

電氣與自動化

基于變頻驅(qū)動的自升式鉆井平臺升降控制系統(tǒng)

袁飛暉，張紀昱

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

為進一步提高自升式鉆井平臺升降的安全性，基于JU2000E型自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)的基本設(shè)計，提出結(jié)合故障安全型控制回路及冗余通信網(wǎng)絡(luò)的綜合保護措施設(shè)計方案。該保護方案在理論與實踐層面適用于當前常規(guī)的變頻驅(qū)動升降控制系統(tǒng)。故障失效模式與影響分析及升降試驗的實施相互驗證了綜合保護措施在不同工況下的有效性和可靠性。

升降控制系統(tǒng)；安全；冗余；保護

0 引 言

升降控制系統(tǒng)作為自升式鉆井平臺的關(guān)鍵系統(tǒng)，其整體性能的優(yōu)劣決定了平臺的安全性和使用性，并直接關(guān)系到項目的建造、調(diào)試及交付使用。為進一步提高自升式鉆井平臺升降的安全性，依托上海外高橋造船有限公司在建的JU2000E型自升式鉆井平臺工程項目，基于基本設(shè)計方案開展變頻驅(qū)動升降控制系統(tǒng)設(shè)計研究。JU2000E型自升式鉆井平臺為三角形船體，有3個三角形桁架樁腿，各個樁腿由其下端的樁靴支撐；配置有齒輪齒條升降機構(gòu)，采用液壓鎖緊裝置進行船體固定。

這里以基本設(shè)計的齒輪齒條升降機構(gòu)設(shè)計方案為基礎(chǔ)介紹升降控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及操作功能要求，結(jié)合變頻驅(qū)動的技術(shù)特點提出安全回路、雙網(wǎng)絡(luò)冗余的設(shè)計方法，歸納總結(jié)出升降控制系統(tǒng)的綜合保護原則，以有效提高控制系統(tǒng)的設(shè)計冗余度及平臺升降操作的安全性為目標，為系統(tǒng)的設(shè)計和選型提供參考。

1 升降控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

升降系統(tǒng)除了包含結(jié)構(gòu)升降單元安裝架、樁腿及樁靴之外，還具有升降單元（包括減速齒輪箱）、交流驅(qū)動柜（包括電機控制中心和人機交互界面等組件）及控制系統(tǒng)（主要包括升降系統(tǒng)中央控制臺、變頻驅(qū)動柜、扭矩分配控制柜及相位偏差檢測站）等機電設(shè)備。

1.1 升降中央控制臺

整個平臺升降裝置的操作主要在升降控制臺上進行，在升降控制臺上通過發(fā)出升降指令實施平臺的升降操作?？刂婆_上安裝有物理水平儀和電子水平儀（見圖1），用以保障平臺在安全傾斜范圍之內(nèi)。此外，控制臺上還安裝有3組顯示屏，顯示各個升降齒輪承受的動態(tài)負荷，弦管、樁腿的總動態(tài)負荷，升降電機的工作電流、功率及樁腿高度等，其中電子水平儀可在顯示屏上模擬顯示平臺的水平狀態(tài)。

1.2 交流傳動系統(tǒng)

1.2.1 交流傳動系統(tǒng)

1) 升降裝置變頻驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)由VFD驅(qū)動器及控制器協(xié)調(diào)電機控制中心控制各升降單元，正常情況下通過升降控制室內(nèi)的升降中央控制臺來操作；對于單樁腿操作模式，可對樁腿實行部分功能的就地操作。每個樁腿都配備一套獨立的變頻驅(qū)動柜，以實現(xiàn)單個樁腿的獨立操作控制（見圖2）。

2) 扭矩再分配控制及模式選擇控制柜。扭矩再分配控制用于手動模式下任意選擇樁腿的18個電機中的一個，通過變頻器來調(diào)整該升降單元的輸出力矩。由于采用的是單電機單驅(qū)動器模式，因此可使轉(zhuǎn)矩控制精度大大提高，可覆蓋30%～93%的轉(zhuǎn)矩輸出范圍，并可按百分比模式選擇輸出轉(zhuǎn)矩。

3) 負載轉(zhuǎn)移控制系統(tǒng)。負載轉(zhuǎn)移控制站用于將平臺負重轉(zhuǎn)移至鎖緊裝置時的負荷轉(zhuǎn)移，或在需要將負荷逆向轉(zhuǎn)移至升降單元時的剎車釋放操作控制。上述模式的操作只能就地執(zhí)行，且升降系統(tǒng)的控制位必須轉(zhuǎn)移至就地的某個控制站，同時操作狀態(tài)可在中央控制臺的監(jiān)視屏上實時顯示出來。

1.2.2 升降驅(qū)動柜變壓器

對于上述升降裝置變頻驅(qū)動裝置，每個樁腿都配備一臺容量為 1250kVA的變壓器。區(qū)別于常見的雙變壓器組成虛擬24脈供電方案，該方案采用4組副邊繞組集成式變壓器，每組副邊對應(yīng)下游的一臺整流器。這樣配置是為了盡可能地降低變頻器對平臺電網(wǎng)的諧波注入，即使是單個樁腿操作也不會產(chǎn)生低次諧波電流，從而將總正弦波形畸變率控制在船級社規(guī)范要求的范圍（總電壓正弦波畸變率＜8%；單次正弦波畸變率＜5%）內(nèi)。

1.2.3 電機控制中心（MCC）

電機控制中心是變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最后輸出環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場總線與變頻驅(qū)動器及主控制器連接。其主要功能包括：升降單元電機驅(qū)動輸出執(zhí)行、電機空間加熱，升降單元剎車器輸出執(zhí)行、剎車空間加熱、升降電機超速監(jiān)測、電機負荷監(jiān)測、安全回路監(jiān)測等。

1.2.4 升降單元及電機

升降電機作為整個電氣傳動鏈的功率輸出端，是完成電能向機械能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；贘U2000E型自升式鉆井平臺的基本設(shè)計，整個平臺共配置54套升降單元及電機，平均分布在3個樁腿上，即每個三角形桁架樁腿上有18套。針對升降系統(tǒng)多點同步傳動的控制要求，結(jié)合固樁架結(jié)構(gòu)設(shè)計，對升降單元（電機）必須采取沿升降單元安裝架冠狀面的非對稱布置，且選用轉(zhuǎn)差較大的電機。該項目中選用的升降電機的主要性能參數(shù)見表1。

表1 升降電機主要性能參數(shù)

1.3 相位偏差就地控制站及編碼器

相位偏差控制站通過監(jiān)測平臺樁腿的各弦管高度求取相位差，即樁腿弦管相對于平臺主體高度位置的位移累積差值。齒條相位差就地控制臺共有 3處，分布于前樁腿、左樁腿和右樁腿，并配置相互獨立的位置高度編碼器。每條樁腿的基礎(chǔ)上面都有一個高度檢測齒片與樁腿齒條咬合，同軸連接一個轉(zhuǎn)動小齒片，當大齒片帶動小齒片轉(zhuǎn)動時會給高度檢測裝置反饋信號，用以計算、顯示每條樁腿的弦梁升降高度，以便于操作者進行監(jiān)控和操作（見圖1）。

2 控制系統(tǒng)的架構(gòu)

升降控制采用PLC集控、分布式執(zhí)行和反饋的結(jié)構(gòu)，并與低壓交流傳動部分相交互。在升降中央控制室實現(xiàn)整個平臺3個樁腿的提升和下放。就地控制只限于負荷轉(zhuǎn)移及相位偏差調(diào)整，該控制功能需在負荷轉(zhuǎn)換就地控制站與相位偏差就地控制站之間切換。

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

升降控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（PLC）控制部分、變頻驅(qū)動器（VFD）控制部分和人機交互界面（HMI）控制部分等3部分構(gòu)成（見圖3）。

2.2 子模塊功能描述

2.2.1 PLC軟件邏輯

PLC部分主要由 S7-400H 中央處理器及ET 200M遠程輸入、輸出模塊構(gòu)成。狀態(tài)監(jiān)控模塊用于接收輸入、反饋信號至處理器，以采取合適的控制措施（如剎車釋放、接觸器及斷路器狀態(tài)）。位置高度模塊用于實時監(jiān)測各樁腿的高度。信號參考模塊用于通信、發(fā)生變頻器轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩環(huán)的給定。操作控制模塊用于操作者對控制系統(tǒng)的設(shè)置進行修改與輸入。安全保護模塊用于根據(jù)預(yù)設(shè)因果邏輯采取保護動作。

2.2.2 變頻驅(qū)動器通信與控制

變頻驅(qū)動器采用常見的通用型變頻器（交—直—交型），整個機組包括整流、逆變及能量回饋制動單元，前端采用不可控器件進行整流，經(jīng)移相變壓器供電并聯(lián)整流，通過直流母排向后端逆變單元饋電；而逆變回路多采用全控型器件構(gòu)成主回路。該類型變頻驅(qū)動器具有較寬的調(diào)頻范圍、較高的整體換能效率及較低的諧波畸變率。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要監(jiān)測逆變模塊的電壓、電流、頻率及輸入端口和輸出端口信號的狀態(tài)。通信模塊主要處理PLC與VFD間的雙向通信。參數(shù)模塊使軟件能對輸入設(shè)定進行存儲和讀取。保護模塊實現(xiàn)VFD對自身及電機的各種物理保護。

2.2.3 人機交互界面

人機交互界面由2套工控計算機及3套觸摸屏構(gòu)成。監(jiān)測模塊主要負責處理所有的故障報警點、升降電機的運行電流和電壓及各終端設(shè)備的通信。參數(shù)設(shè)置模塊給升降操作人員提供一定范圍內(nèi)可設(shè)置的參數(shù)調(diào)整界面，如電子水平儀、樁腿高度、相位偏差的故障及報警。歷史記錄模塊用于實時記錄升降操作過程中的各主要參數(shù)，并能提供回放功能。

3 升降控制安保系統(tǒng)的架構(gòu)

由于升降系統(tǒng)直接影響到平臺的整體姿態(tài)控制，因此其可靠性尤為重要?；诖壣鐚收鲜Ｊ脚c影響分析（FMEA）的要求[1]，目前的F&G VFD750系統(tǒng)在基本設(shè)計的基礎(chǔ)上升級了控制網(wǎng)絡(luò)和處理器，能對程序控制進行備份，提供應(yīng)急情況下的繼續(xù)操作；同時，在經(jīng)歷先前事故之后升級了安?？刂苹芈?，提供弦梁超速檢測及應(yīng)急停止措施，進一步提高了整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.1 升降控制系統(tǒng)失效模式與影響分析

由于升降系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備多、安裝布置跨區(qū)域，平臺的工況環(huán)境復雜，因此采用綜合設(shè)計和操作的故障失效模式與影響分析來評估系統(tǒng)[2]。采用該分析方式的目的在于評估、正視故障失效發(fā)生的可能性及其帶來的后果對升降控制系統(tǒng)的影響，通過采取必要的措施降低、排除潛在的故障，從而使評估結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)。

分別識別出單一設(shè)備、操作環(huán)節(jié)發(fā)生的故障及故障的嚴重性，并對嚴重程度、發(fā)生頻率和檢測等級加以分級。需要注意的是，對于前一個故障造成的后果，若其能導致其他新的故障，則這樣的后果必須考慮到故障模式分析中[3]。

在監(jiān)測方式上：系統(tǒng)參量的物理量通常采用自動化檢測，比如升降電機的實際工作電流采用電流變換器進行采樣；弦管相對高度采用絕對式編碼器測量；而控制系統(tǒng)的機械設(shè)備、邏輯控制器的運行狀況等則通過報警系統(tǒng)的聲光提示結(jié)合人工巡視獲得。

3.1.1 故障失效模式分析

根據(jù)操作模式和功能設(shè)備對升降控制系統(tǒng)進行劃分，對于每種故障失效模式，應(yīng)盡可能地列舉出其主要失效原因（見表2），從而構(gòu)成故障失效模式識別矩陣表。因此，故障影響分析過程的最終結(jié)果是將故障風險分析從定性轉(zhuǎn)化為定量，通過嚴重程度、發(fā)生頻率和檢測等級3者的評級與劃分，得出該操作模式、功能設(shè)備的風險系數(shù)（RPN）。一般該矩陣表也是后續(xù)故障影響分析、補償措施分析的基礎(chǔ)。

表2 升降控制系統(tǒng)失效模式與影響分析

續(xù)表2 升降控制系統(tǒng)失效模式與影響分析

3.1.2 故障影響分析與補償措施

由表2可知，各類故障可大致分為設(shè)備控制器和傳感器元器件本身的故障及外圍線路和操作流程導致的故障2類。

1) 對于第1類故障，必須采取對應(yīng)的補償措施來降低風險系數(shù)，通常通過增加通信設(shè)備的冗余、增加故障越控的選擇開關(guān)等硬件冗余來補償，以降低故障發(fā)生頻次；

2) 對于第2類故障，諸如不當操作導致的故障，除了輔助加強升降操作手冊的描述及培訓之外，最主要的是通過軟件流程干預(yù)來規(guī)避可能的不當操作。

在確立并實施以上所有補償措施之后，應(yīng)對故障失效的嚴重程度、發(fā)生頻率及檢測等級進行修訂，再次重新考證，以完善、排除潛在的失效模式。若被分析項的最大風險系數(shù)落在故障嚴重程度的高危險等級區(qū)間內(nèi)，則需重復進行該過程，改進系統(tǒng)保護措施，直至該項風險系數(shù)落在中、低可接受區(qū)間內(nèi)，得到既滿足規(guī)范和規(guī)格書要求，又滿足故障失效模式與影響分析的風險系數(shù)。

3.2 控制系統(tǒng)綜合保護措施設(shè)計與分析

綜合保護的根本目的在于從多個角度采取措施，降低升降控制系統(tǒng)在操作過程中可能面臨的潛在故障源和危險源。根據(jù)系統(tǒng)在國內(nèi)外多個項目中的實際應(yīng)用經(jīng)驗反饋，結(jié)合上述故障的影響與分析，參考IEC 61508[4]和IEC 61511-3[5]對安全完整性等級的要求，在升降控制系統(tǒng)設(shè)計初期就將其預(yù)規(guī)劃為故障安全型。安全保護系統(tǒng)與驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)是各自獨立運行的，當系統(tǒng)的軟件和硬件發(fā)生故障時，在硬件最小容錯設(shè)備（電子、電氣、可編程電子器件）的基礎(chǔ)上，預(yù)設(shè)的控制流程會將升降控制系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入預(yù)定安全狀態(tài)：保持平臺當前的位置，降速停車或應(yīng)急停止?？刂葡到y(tǒng)綜合保護措施主要體現(xiàn)在硬件線路配置、安全保護邏輯和通信網(wǎng)絡(luò)冗余等3個方面，以保障與平臺相關(guān)的生命財產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益，防止造成海洋環(huán)境污染。

3.2.1 控制電源配置與線路設(shè)計

1) 應(yīng)急控制回路設(shè)計：為獲得可靠動作的應(yīng)急控制回路，升降控制系統(tǒng)的主電源回路與升降中央控制臺、各樁腿升降裝置變頻驅(qū)動裝置（變頻器柜）、升降就地控制站及相位偏差就地控制站的應(yīng)急停止功能一一實現(xiàn)硬線聯(lián)鎖；換言之，任何一個樁腿的任何一處應(yīng)急停止能使整個應(yīng)急控制回路動作。

2) 控制電源冗余設(shè)計：根據(jù)樁腿升降單元傳動區(qū)域劃分電源供給，升降中央控制臺及通信控制模塊由平臺生活區(qū)域220VAC電力二次系統(tǒng)控制類電源供電，各樁腿所屬變頻驅(qū)動裝置、電機控制中心及其對應(yīng)的各個就地控制站則由平臺機艙區(qū)域二次系統(tǒng)控制類電源獨立供電。特別是在中央控制臺上加裝了在線式不間斷電源（UPS），確保檢控、操作界面及通信單元的連續(xù)性供電。

3.2.2 安全保護回路邏輯設(shè)置

當遇到緊急情況需要停止升降作業(yè)時，安全控制從控制邏輯上分別采用降速停止及應(yīng)急停止的原則，且只有當故障報警點及相關(guān)報警從系統(tǒng)中復位之后升降系統(tǒng)才能重啟，以此確保系統(tǒng)的每次升降均滿足所有安全控制邏輯的要求。

對于不同級別的應(yīng)急停止，所采取的控制邏輯也是不同的，這是基于升降裝置當前的狀態(tài)直接影響到平臺的姿態(tài)及安全設(shè)計的。對于中央控制臺的應(yīng)急停止命令，其屬于最高級別，整個升降系統(tǒng)會被應(yīng)急切斷，包括所有的升降電機控制中心；但對于來自于樁腿電機驅(qū)動中心的應(yīng)急停止命令，只使對應(yīng)的樁腿升降電機控制中心的安全控制回路切斷，而不會使整個平臺升降系統(tǒng)被切斷。這樣的設(shè)計能綜合應(yīng)急響應(yīng)的動作，避免事故擴大及對系統(tǒng)造成沖擊。

安全控制回路同樣設(shè)置了嚴格的邏輯判斷條件（見圖4），一旦任何一處的應(yīng)急停止條件觸發(fā)，都將直接使控制電源回路繼電器動作，從而在硬件層面實現(xiàn)閉鎖，繼而在PLC程序上作為對樁腿電機控制中心（單個）的電氣執(zhí)行器件的控制輸入條件，實現(xiàn)對該樁腿所有電機電源、剎車器電源及變頻器進線電源的電氣閉鎖[6]。這些控制條件至少包括各主要操作站：中央控制臺應(yīng)急停止、各樁腿電機驅(qū)動中心應(yīng)急停止及各樁腿相位偏差就地控制站應(yīng)急停止。

3.2.3 控制系統(tǒng)冗余通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

升降系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用冗余環(huán)網(wǎng)的方案（見圖5），因此1個環(huán)網(wǎng)只對應(yīng)有1個主站，而整個控制系統(tǒng)有2個主站，分別位于中央控制臺及左部樁腿電機控制中心，兩者互為冗余，當其中一臺主控制器出現(xiàn)故障時能實現(xiàn)切換和接管。

控制網(wǎng)絡(luò)采用 PROFIBUSDP協(xié)議，能適應(yīng)平臺控制室和現(xiàn)場設(shè)備層的數(shù)據(jù)通信與控制并配合光纖通信，能滿足海工平臺作業(yè)的復雜、惡劣工況。傳輸介質(zhì)可采用金屬雙絞線或光纖，對于這些JU2000E項目，樁腿現(xiàn)場至控制器I/O單元采用62.5/125的多模光纖連接，而控制柜內(nèi)部則采用標準的PROFIBUS-DP線連接。

值得注意的是，該項目使用冗余備份的ET200M遠程I/O站來實現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的采集及執(zhí)行，從而使數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集的實效性和可靠性得到保障。該單元是一種被動設(shè)備，不享有總線訪問權(quán)，只能對接收到的消息進行確認，或在主站請求時進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

通過PROFIBUS協(xié)議連接起升降系統(tǒng)中央控制臺、各樁腿電機控制中心、變頻驅(qū)動器及相位偏差就地控制站等主要控制設(shè)備，以實現(xiàn)所謂的現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。為獲得高等級的可靠性，采用冗余網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，因此當通信電纜破損時仍能保證通信正常。相位偏差就地控制站同樣采用現(xiàn)場總線技術(shù)，使用PROFIBUS電纜連接樁腿上所有的弦梁編碼器，用數(shù)字通信的方式取代編碼器的脈沖信號。

4 結(jié) 語

通過對多個 JU2000E型自升式鉆井平臺項目的升降控制系統(tǒng)進行故障失效模式與影響分析及升降試驗，驗證了綜合安全保護系統(tǒng)在各工況、各意外情況下對自升式平臺姿態(tài)控制的可靠性。綜合安保分析為升降控制系統(tǒng)的改進和優(yōu)化提供了借鑒與啟示，為平臺業(yè)主、平臺設(shè)計單位及船廠對不同方案、不同性能進行選擇和比較提供了依據(jù)，對建造成本控制及平臺綜合性能實現(xiàn)都具有一定的現(xiàn)實意義。

[1] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling unit 2014： 6-1-9/7 Failure Modes and Effects Analysis [S]. 2014.

[2] BSS. Jacking System FMEA Report [R]. GustoMSC, 2013： 3-4

[3] EPE. E-Stop circuit design - FMECA Report [R]. CAMERON, 2015： 6-11

[4] IEC. Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems： IEC 61508[S]. 2010.

[5] IEC. Guidance for the determination of the required safety integrity levels： IEC 61511-3[S] . 2003.

[6] 袁飛暉，王克虎，張紀昱，等. 用于鉆井平臺升降機構(gòu)的安全保護控制系統(tǒng)：2014101913248[P]. 2014-10-19.

Study on the Jacking Control System for Jack-Up Drilling Platform Based on Variable Frequency Drive

YUAN Fei-hui，ZHANG Ji-yu
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

This study proposes a design principle of comprehensive protection measures which combines the failure security control circuit and the redundancy communication network for the jacking control system of JU2000E jack-up drilling platform in order to improve the safety of jacking operation of the jack-up drilling platforms. The principle is suitable for the conventional variable frequency driven jacking control system both theoretically and practically. The failure mode influence analysis and the jacking experiments verify mutually the effectiveness and the reliability of the comprehensive protection measures under different conditions.

jacking control system; safety; redundancy; protection

TP273；TE951

A

2095-4069 (2017) 01-0031-08

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.006

2016-07-20

袁飛暉，男，高級工程師，工程碩士，1978年生。2011年畢業(yè)于華中科技大學工業(yè)工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶及海洋工程電氣自動化設(shè)計與技術(shù)管理工作。