一種液壓插銷升降裝置電控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

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(1.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；2.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452；3.武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430080)

液壓插銷升降控制裝置作為海上可移動平臺的關(guān)鍵設(shè)備，主要實現(xiàn)平臺的升降控制功能。根據(jù)CCS船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》要求“控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)使控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障對控制過程產(chǎn)生的危險性盡可能降到最低的程度，并不會使備用的自動和/或手動控制失效”[1]。在設(shè)計該控制系統(tǒng)時考慮采用西門子S7-400H PLC冗余系統(tǒng)作為液壓升降系統(tǒng)的控制器，通過PROFIBUS總線實現(xiàn)對各固樁室傳感器、執(zhí)行器的數(shù)據(jù)采集和控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)人機交互，對系統(tǒng)運行參數(shù)進行實時監(jiān)控。

1 升降系統(tǒng)工作原理

液壓插銷升降裝置由液壓泵站(HPU)和4個固樁室構(gòu)成。泵站主要包含5套主油泵(4用1備)、4套插銷油泵(2用2備)以及2套控制油泵(1用1備)，為液壓系統(tǒng)提供動力源。

單樁腿固樁室內(nèi)主要包含4套主提升液壓缸、8套插銷液壓缸(上下各4套)及相關(guān)液壓控制閥件及檢測裝置，固樁室布置見圖1。

系統(tǒng)包含上部動環(huán)梁、上下插銷液壓缸、主液壓缸，下插銷液壓缸與液壓缸底部經(jīng)過結(jié)構(gòu)加強連接到平臺船體結(jié)構(gòu)，上環(huán)梁與上部插銷油缸、主液壓缸有桿端相連，實現(xiàn)主液壓油缸的上下動作、插銷油缸的上下和插銷動作對于液壓升降系統(tǒng)而言，整體的動作總共有4種 ，分別是升樁腿、降樁腿、升平臺、降平臺。升樁與降平臺工況類似，降樁與升平臺工況類似。升降作業(yè)時，通過主液壓缸與上下插銷油缸的相互配合完成平臺或樁腿的升降作業(yè)。例如，當(dāng)升平臺操作時，在主液壓缸收縮至短行程、上下插銷插入的狀態(tài)下，通過拔上銷→升動環(huán)梁(伸主液壓缸)→插上銷→拔下銷→降動環(huán)梁(縮主液壓缸)→插下銷的動作來完成1個節(jié)距的動作。

而降平臺時，在主液壓缸收縮至短行程、上下插銷插入的狀態(tài)下，通過拔下銷→升動環(huán)梁(伸主液壓缸)→插下銷→拔上銷→降動環(huán)梁(縮主液壓缸)→插上銷的動作完成1個節(jié)距的動作。

在平臺升降控制中，通過分布式I/O模塊ET200M采集4條液壓樁腿的位移傳感器數(shù)據(jù)并傳輸給S7-400H PLC處理，一旦位移量到達設(shè)定的動作值時，PLC向各樁執(zhí)行電磁閥發(fā)出指令，對應(yīng)的插銷油缸或者主液壓油缸動作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到位移量或者平臺傾斜角度超出范圍后，將發(fā)出指令關(guān)閉相應(yīng)的電磁閥，使液壓升降系統(tǒng)停止工作，并利用聲光報警告訴集控臺及樁邊控制臺操作人員。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制過程

升降裝置的每個工況都涉及到液壓電磁閥、比例閥的控制。通過控制插銷電磁閥來實現(xiàn)上下插銷的插拔動作，而通過給定比例閥的電壓正負及大小值，來控制主液壓油缸的換向動作和流量，進而實現(xiàn)動環(huán)梁的升降和速度控制。而通過對液壓插銷油缸的位置檢測，判斷油缸的插入和拔出狀態(tài)，通過讀取主液壓油缸的位移量，實現(xiàn)對液壓油缸位移的判斷。在獲取插銷油缸的插入拔出狀態(tài)以及主油缸的位移量后，根據(jù)4種工況設(shè)計不同的順序控制程序，從而實現(xiàn)液壓升降系統(tǒng)動作控制。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

選用S7-400H PLC作為主控制器，該控制器支持硬件冗余，利用ET200M實現(xiàn)對4個樁室的節(jié)點控制。液壓升降裝置的電氣控制系統(tǒng)見圖2。該系統(tǒng)主要包括1套PLC主控制器(帶冗余功能)，4套ET200M節(jié)點(帶冗余)，5套HMI人機界面，以及外圍電氣輸入輸出模塊。其中4套ET200M節(jié)點分別位于4個樁腿，用于收集各樁腿液壓油缸的狀態(tài)參數(shù)。ET200M具有多通道、模塊化的特點，適用于多點數(shù)、高性能的應(yīng)用場合[2]。

在硬件選型方面，單樁選擇32通道的DI模塊(SM321)用于檢測各樁腿的插銷狀態(tài)(包含上、下銷共16個接近開關(guān)檢測點，8個液壓油缸的上下限位報警點等)，32通道DO模塊(SM322)用于輸出控制指令到各繼電器和電磁閥、指示燈，完成電氣執(zhí)行器件控制和指示。1個AI(SM331)模塊用于讀取比例閥的開度數(shù)據(jù)、4～20 mA的壓力傳感器數(shù)據(jù)，1個AO(SM332)模塊用于向比例閥輸出控制信號(這里為-10～+10 VDC之間)，2個POS-INPUT模塊(SM338)用于讀取4組SSI接口的位移數(shù)據(jù)。

液壓升降裝置的電控系統(tǒng)硬件組態(tài)見圖3。

選用S7-400H PLC為硬冗余[3]，與S7-300的軟冗余相比，這里硬件冗余無需軟件編程，只需要連接好硬件，就能實現(xiàn)主CPU硬件出現(xiàn)故障時能立即切換到冗余CPU繼續(xù)工作的功能，完成液壓升降裝置動作，因此完全滿足CCS船級社對于可移動式平臺關(guān)鍵設(shè)備控制系統(tǒng)安全性要求。

2.3 軟件設(shè)計

如上所述，液壓升降裝置的控制過程一般分為4個工況，即升平臺、降平臺、升樁腿、降樁腿，每個工況包括6步(插拔上下銷，伸縮主油缸)。

將每個動作程序設(shè)計為獨立的FB塊，分別為FB1～FB6，程序運行時，通過判斷輸入不同的操作指令實現(xiàn)不同的工況動作控制。

輸入不同的控制指令，PLC程序根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)連選擇不同的動作指令，調(diào)用不同的FB塊，最終實現(xiàn)液壓升降系統(tǒng)控制。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信

通信主要包括2部分，PLC與ET200M節(jié)點間的通信以及HMI與PLC之間的數(shù)據(jù)通信。其中PLC與ET200M節(jié)點之間的通信采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，通信協(xié)議按照IEC61158接口標(biāo)準(zhǔn)，進而實現(xiàn)集中處理、分散控制功能[4]。而數(shù)據(jù)顯示則通過增加交換機，使液壓升降裝置的各類狀態(tài)參數(shù)通過工業(yè)以太網(wǎng)實時分享給各HMI觸摸屏，與以往使用MPI接口的HMI觸摸屏相比，使用工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸更加迅速。

PORIFBUS-DP協(xié)議基于ISO/OSI參考模型，其中第1層和第2層的線路與傳輸協(xié)議符合美國標(biāo)準(zhǔn)EIA RS485[8]標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)IEC870-5-1[3]。PORIFBUS-DP使用了第1層、第2層和用戶接口，第3層到第7層未使用。這種精簡結(jié)構(gòu)可以保證數(shù)據(jù)高速傳輸，通過直接數(shù)據(jù)鏈路層映像程序可以對第2層進行訪問，完全可以取代4～20 mA的模擬信號傳輸，尤其適合PLC與分布式I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

對于DP通信而言，采用單主站(主動節(jié)點)形式，該主站一直握有令牌，主從站通信通過主從規(guī)程進行，該規(guī)程允許主站尋址那些分配給他的從屬設(shè)備，即被動節(jié)點。主站可以向從站傳遞信息或者從從站獲取信息。DP主站通過輪詢的方式連續(xù)尋址所有DP從站。無論用戶數(shù)據(jù)內(nèi)容是什么，DP主站與從站間均可以連續(xù)的交換數(shù)據(jù)，DP主站發(fā)出請求幀，DP從站響應(yīng)并返回響應(yīng)幀，形成一個通信循環(huán)，最終達到數(shù)據(jù)通信的目的。

2.5 人機界面HMI

人機界面主要用于顯示各樁腿主液壓缸的位移量、油缸壓力、插銷油缸的插銷狀態(tài)、液壓泵站(HPU)的各泵組工作狀態(tài)、加載閥開啟狀態(tài)、液壓油箱的溫度、液位等信息，以及液壓控制系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定，并提供相應(yīng)的故障報警等信息。

人機界面通過TIA博途軟件內(nèi)置WINCC編寫，通過變量管理器鏈接STEP7中定義的各類變量參數(shù)，將PLC中的系統(tǒng)參數(shù)實時的顯示在觸摸屏HMI界面上，該過程是通過集成在TIA界面軟件WINCC內(nèi)的通信驅(qū)動程序完成的。

HMI界面不僅能實時顯示液壓升降裝置的各類運行參數(shù)，可以通過界面設(shè)置液壓升降系統(tǒng)的液壓缸位移、節(jié)距數(shù)、報警閾值等，通過在組態(tài)軟件里對各類參數(shù)值進行報警設(shè)置，也可實現(xiàn)HMI系統(tǒng)報警記錄功能。

3 應(yīng)用情況

海洋石油161平臺原升降裝置控制系統(tǒng)采用S7-400H搭配4套S7-300PLC的硬件組態(tài)方式，由于主站與從站之間通信故障，導(dǎo)致升降系統(tǒng)操作以樁邊手動操作為主，平臺升降樁邊操作過程繁瑣，人員工作勞動強度大，操作時間長，存在安全隱患[4]。2017年6月，該平臺5年特檢期間現(xiàn)場實施了上述電氣控制方案，完成了對平臺液壓升降系統(tǒng)的電氣改造工程。現(xiàn)場調(diào)試驗證表明，液壓升降裝置控制系統(tǒng)通信狀態(tài)良好，實現(xiàn)了集中控制、自動控制和手動控制多種方式，操作性能得到改善，實用性和安全冗余性能符合CCS要求。原來升降操作需要10人完成(4樁室共8人，1人總指揮，1人泵站操作)，改造后操作僅需要6人(4樁室共4人，1人總指揮，1人泵站操作)即可完成；原來降1個節(jié)距需要15 min，現(xiàn)在調(diào)試期間僅需要10 min，極大了節(jié)省了人工，提高了操船效率，從根本上優(yōu)化了海洋石油161平臺液壓升降裝置控制系統(tǒng)。