VMS和ESD系統(tǒng)在自升式鉆井平臺(tái)上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

張 淼

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

關(guān)鍵字：自升式鉆井平臺(tái)；船舶監(jiān)控系統(tǒng)；應(yīng)急切斷

0 引言

VMS和 ESD系統(tǒng)是在船用機(jī)艙檢測(cè)系統(tǒng)（AMS）基礎(chǔ)上的升級(jí)[1-2]，具有更強(qiáng)大的功能處理器和邏輯運(yùn)算能力，為海洋鉆井平臺(tái)上的復(fù)雜工況保駕護(hù)航，同時(shí)也能保證海上操作人員的生命安全。

1 VMS和ESD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1.1 VMS介紹

傳統(tǒng)船舶上使用的AMS系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足海上作業(yè)鉆井平臺(tái)的要求了，將工業(yè)上使用的可編程邏輯控制器（PLC，Power Logic Controller）和分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）成功應(yīng)用到海上平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控各種生產(chǎn)過程中所有對(duì)象的狀況，在控制屏界面上顯示重要參數(shù)，并可以在界面上直接修改參數(shù)達(dá)到控制的目的，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)可以發(fā)出報(bào)警到廣播系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全船廣播。它的主要工作內(nèi)容是：

1）基本上每個(gè)生產(chǎn)子系統(tǒng)都有自己的動(dòng)態(tài)顯示可視化編譯器（MINIC）流程圖，可以顯示主要設(shè)備的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)；

2）通過監(jiān)控界面調(diào)整主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和啟停設(shè)備；

3）生產(chǎn)狀態(tài)異常時(shí)，通過內(nèi)通系統(tǒng)的廣播通用報(bào)警系統(tǒng)（PAGA，Public Alarm & General Alarm）向全船發(fā)出聲光報(bào)警；

4）MINIC流程圖界面可以根據(jù)船東喜好進(jìn)行調(diào)整修改。

1.2 ESD介紹

由于海上鉆井平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)處于易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境中，同時(shí)操作人員以及運(yùn)行的設(shè)備高度集中，因此對(duì)人員和設(shè)備的安全性能要求很高，需要在發(fā)生報(bào)警時(shí)系統(tǒng)通過事先預(yù)定好的邏輯運(yùn)算切斷相應(yīng)的設(shè)備，而傳統(tǒng)的電源開關(guān)脫扣的方式已經(jīng)不能滿足要求，這也是海上平臺(tái)使用ESD與傳統(tǒng)船用AMS系統(tǒng)的重要區(qū)別。主要保障海上作業(yè)的順利進(jìn)行，保護(hù)平臺(tái)上船員的安全，避免事故擴(kuò)大化，將危害降到最低。

下面以經(jīng)成功交付的ZP10-1585 300FT“振海一”號(hào)自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹實(shí)船項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)過程。

ZP10-1585“振海一”號(hào)項(xiàng)目的 VMS和 ESD系統(tǒng)是由EMERSON船用過程控制系統(tǒng)廠商提供。圖1是VMS和ESD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，從圖1中可以看出，所有設(shè)備都是雙冗余的互為備用，這樣保證在日常使用時(shí)的安全可靠性。該系統(tǒng)是靠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架起來的，這樣確保系統(tǒng)的高效性能[3]。

圖1 VMS和ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1.3 VMS系統(tǒng)

VMS根據(jù)設(shè)計(jì)要求[4-5]，將全船報(bào)警點(diǎn)集中在VMS控制柜中，報(bào)警主要包括：

1）通風(fēng)故障報(bào)警。

2）發(fā)電機(jī)報(bào)警箱，所有的主柴油發(fā)電機(jī)均應(yīng)安裝包括下述報(bào)警信息在內(nèi)的報(bào)警箱。比如：主柴油機(jī)過熱、超速、油位過低、油壓高、曲軸箱壓力高、油溫過高、油溫過低、配有數(shù)字或者模擬顯示的發(fā)電機(jī)軸承溫度。

3）其他報(bào)警系統(tǒng)。

本船還將安裝船級(jí)社和管理當(dāng)局要求的其他報(bào)警系統(tǒng)以及屬于設(shè)備特殊要求的報(bào)警系統(tǒng)。在一直有人值班的控制室內(nèi)安裝各類報(bào)警控制面板，在無線電控制室和鉆臺(tái)面將安裝各類輔助的遠(yuǎn)程報(bào)警面板。

1.4 ESD系統(tǒng)

根據(jù)所檢測(cè)到的情況的嚴(yán)重性有多級(jí)關(guān)斷。以下對(duì)事件和事件響應(yīng)的描述是對(duì)系統(tǒng)功能的指示性描述。關(guān)于每層關(guān)斷的具體信息要在詳細(xì)設(shè)計(jì)中形成。表1為具體關(guān)斷等級(jí)。

表1 具體關(guān)斷等級(jí)

本鉆井平臺(tái)有14個(gè)不同的手動(dòng)應(yīng)急關(guān)斷按鈕站位于以下各處所，見表2，以符合ABS要求。

2 VMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

VMS設(shè)計(jì)方案的具體要求如下：

1）需要在MINIC圖上動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)流程、過程參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)；

2）可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

表2 手動(dòng)應(yīng)急關(guān)斷按鈕站

3）發(fā)生異常工況時(shí)，在MINIC圖上自動(dòng)彈出報(bào)警界面，并輸出報(bào)警信號(hào)至PAGA系統(tǒng)；

4）可以在線在MINIC圖紙上設(shè)置重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和修改參數(shù)；

5）可以在線在MINIC圖紙上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)操作的手動(dòng)切換；

6）需要有實(shí)時(shí)保存功能，包括：設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警關(guān)斷等工況；

7）定期打印生產(chǎn)報(bào)表；

8）系統(tǒng)自診斷功能；

9）與應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)之間進(jìn)行通信；

10）接受火氣報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)，當(dāng)有火氣報(bào)警信號(hào)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)報(bào)警。

2.2 硬件配置

在抬升控制室和鉆井隊(duì)長(zhǎng)辦公室各放置1臺(tái)工作站，一方面可以從使用功能區(qū)分2臺(tái)工作站的作用，另一方面又可以互為備用。為了提高系統(tǒng)安全可靠性，VMS的CPU模塊、電源模塊、通信模塊都為冗余配置，當(dāng)主部件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用部分，不影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

VMS通過自帶的UPS供電，可以提供0.5 h獨(dú)立供電，電源波動(dòng)保持在正常值的±5%范圍內(nèi)。I/O輸入輸出模塊、接線卡件、電源等都配置相應(yīng)的余量。I/O模塊配置帶指示燈的熔斷器。I/O輸入輸出模塊包括如下幾種數(shù)據(jù)類型：

1）開關(guān)量信號(hào)。壓力開關(guān)和液位開關(guān)為常閉點(diǎn)；報(bào)警信號(hào)檢測(cè)信號(hào)為開點(diǎn)；ESD和CO2釋放按鈕為常閉觸點(diǎn)；馬達(dá)啟停信號(hào)為干觸點(diǎn)。

2）擬輸入信號(hào)：采用4 mA～20 mA。

3）脈沖信號(hào)等。

2.3 軟件設(shè)計(jì)要求

1）顯示工作流程的MINIC圖中能夠動(dòng)態(tài)顯示、自動(dòng)彈出報(bào)警相關(guān)界面，以及實(shí)時(shí)和歷史運(yùn)行的操作記錄等；

2）處理器使用率要有冗余，不宜超過60%；

3）系統(tǒng)自檢和自診斷故障時(shí)發(fā)出報(bào)警；

4）配置一定容量的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4 與其他系統(tǒng)的接口

VMS預(yù)留了與其他系統(tǒng)通信的輸入輸出接口，規(guī)定了通信協(xié)議等相關(guān)信息。比如，與PAGA系統(tǒng)之間的通信協(xié)議接口定為RS-485接口。

2.5 機(jī)械設(shè)備控制接口

通過硬線與控制柜連接，需要控制啟動(dòng)器連接。

3 ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ESD的主要功能是在事故或故障狀態(tài)下（包括設(shè)備故障或者系統(tǒng)本身發(fā)生故障時(shí)），通過預(yù)先設(shè)置好的邏輯運(yùn)算，有序地切斷正在運(yùn)行的設(shè)備，從而避免災(zāi)難的發(fā)生，即避免生產(chǎn)設(shè)備和人員受到傷害以及對(duì)環(huán)境造成不良影響等。ESD本身設(shè)計(jì)必須遵循故障安全（fail to safe）的原則，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件的可靠性要求也很高。

根據(jù)全船的工況確定關(guān)斷級(jí)別數(shù)量，確定每一級(jí)別關(guān)斷對(duì)應(yīng)的需要關(guān)斷的設(shè)備，繪制出圖2全船火氣系統(tǒng)因果圖。

圖2 全船火氣系統(tǒng)因果圖

關(guān)停信號(hào)通過電氣開關(guān)輸入到ESD系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)到關(guān)停信號(hào)后，所有去現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的關(guān)停信號(hào)則輸出到現(xiàn)場(chǎng)的本地控制儀表中，控制該設(shè)備回路；去到電氣設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、泵）的關(guān)停信號(hào)則通過干接點(diǎn)輸出到配電柜（MCC），或作為啟動(dòng)許可直接控制該設(shè)備控制回路。

為保證ESD穩(wěn)定可靠運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮ESD本身故障安全，即ESD電源故障時(shí)也能切斷設(shè)備，保證海上作業(yè)的安全。設(shè)計(jì)原則具體如下：

1）檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開關(guān)信號(hào)不穩(wěn)定，ESD緊急切斷；

2）所有設(shè)備的輸入信號(hào)帶電為正常，當(dāng)線路發(fā)生故障或連接有問題時(shí)觸發(fā)相關(guān)報(bào)警和安全保護(hù)動(dòng)作，避免因輸入線路故障而造成隱患；

3）所有輸出信號(hào)均采用常開觸點(diǎn)（帶電正常），當(dāng)輸出線路故障或系統(tǒng)本身發(fā)生故障時(shí)觸發(fā)輸出信號(hào)，立即切斷該輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的設(shè)備；

4）I/O接口故障時(shí)復(fù)位，當(dāng)ESD中央處理器發(fā)生故障時(shí)，清除所有輸出切斷控制設(shè)備；

5）報(bào)警輸入信號(hào)設(shè)定為常開報(bào)警，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或從設(shè)備到ESD的線路發(fā)生故障時(shí)均能彈出報(bào)警界面及時(shí)通知操作人員處理。

目前使用過的ESD系統(tǒng)由EMERSON、霍尼韋爾和羅克韋爾這幾家自動(dòng)化設(shè)備廠家提供，處理器大體分為DCS和PLC兩種不同處理方式，兩者存在性能差異。在選擇設(shè)備廠家時(shí)需要充分了解各個(gè)廠家產(chǎn)品的特點(diǎn)，配置最為理想的系統(tǒng)。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代儀表控制技術(shù)的高速發(fā)展，VMS和ESD系統(tǒng)可靠也會(huì)得到更大提高，避免人工操作造成的失誤，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和可靠性的影響，以及遇到重大事故時(shí)人員逃生的自動(dòng)應(yīng)急操作。VMS和ESD在海上鉆井平臺(tái)上的使用，大大提高了海上作業(yè)的安全性和可靠性，對(duì)保障生命和財(cái)產(chǎn)安全，以及保障海上作業(yè)順利進(jìn)行有著重大意義。

船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南（2017）2018年第一次變更通告

《船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南（2017）》本次變更通告主要是將第3章檢驗(yàn)發(fā)證中關(guān)于SCR系統(tǒng)后處理裝置的檢驗(yàn)要求指向了新通過的“2017年關(guān)于裝有選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)船用柴油機(jī)特殊要求的2008年NOX技術(shù)規(guī)則補(bǔ)充指南”（MEPC.291(71)）。

2017 SCR指南在2011 SCR指南基礎(chǔ)上主要做了如下修訂：

1）證書申請(qǐng)方應(yīng)負(fù)責(zé)“裝有SCR的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”的整個(gè)完整系統(tǒng)，可以是發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠，也可以是SCR系統(tǒng)供應(yīng)商等。

2）進(jìn)一步細(xì)化技術(shù)案卷中應(yīng)包含的SCR系統(tǒng)的信息。

3）裝有SCR發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)母型機(jī)的選擇要求。

4）裝有SCR發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)Scheme A/B的試驗(yàn)程序要求。

5）裝有SCR發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)Scheme B的船上確認(rèn)試驗(yàn)要求。

來源：中國(guó)船級(jí)社