基于JU2000E型自升式鉆井平臺中央控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

伍雄莊，黃金華

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

海工產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，其平臺管理監(jiān)測系統(tǒng)作為平臺監(jiān)測控制系統(tǒng)，伴隨著技術(shù)的進(jìn)步和要求的提高，從使用繼電器形式系統(tǒng)逐步發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，進(jìn)而發(fā)展到目前最新的中央控制系統(tǒng)（central control system，CCS）。中央控制系統(tǒng)一般包括平臺管理監(jiān)測系統(tǒng)（vessel management system，VMS）、安全控制系統(tǒng)（safety control system，SCS）以及一些特殊的附加系統(tǒng)，例如抬升控制系統(tǒng)等。

鉆井平臺中央控制系統(tǒng)（簡稱中控系統(tǒng)）的設(shè)計任務(wù)，是根據(jù)平臺用途、業(yè)主和系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)范要求等，設(shè)計出安全可靠、功能達(dá)標(biāo)、操作簡便、維修方便的鉆井平臺控制系統(tǒng)。本文以“振海三”號JU2000E型自升式鉆井平臺項目中控系統(tǒng)為藍(lán)本，對該系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用進(jìn)行分析研究和總結(jié)。

1 系統(tǒng)的組成

“振海三”號JU2000E自升式鉆井平臺的中央控制系統(tǒng)為一套模塊化的分布式集成控制系統(tǒng)，主要由2個分系統(tǒng)組成，1個是平臺管理監(jiān)測系統(tǒng)，包括電力管理系統(tǒng)、抬升控制系統(tǒng)、閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)等；1個是安全控制系統(tǒng)，包括火災(zāi)探測報警系統(tǒng)、氣體探測報警系統(tǒng)、防火風(fēng)閘控制系統(tǒng)和應(yīng)急切斷系統(tǒng)。它是平臺的大腦系統(tǒng)，用于對平臺各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)視，并依據(jù)實(shí)時需要去實(shí)施必要的控制，是平臺可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證。中控系統(tǒng)主要與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)相連，在保證通訊速度的同時，還能通過冗余網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這樣的設(shè)計更有利于系統(tǒng)的擴(kuò)容與維護(hù)，加快了系統(tǒng)的速率和響應(yīng)時間，更加符合項目的要求。如圖1所示。

圖1 中控系統(tǒng)的組成

2 系統(tǒng)的電源設(shè)計

該系統(tǒng)采用了雙電源供電的電源匯接箱形式，一路電源來自主配電板（MSB），一路電源來自不間斷電源板（UPS），且UPS電源可支撐系統(tǒng)工作30 min。同時，為了提高安全性、可靠性，各子系統(tǒng)控制柜也采用主/備2路電源輸入；另有1組電池安裝在火災(zāi)探測系統(tǒng)控制柜內(nèi)，確保即使在2路電源失電的情況下，該火災(zāi)探測系統(tǒng)仍可在報警狀態(tài)下工作30 min，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，如圖2所示。

圖2 電源的設(shè)計方案

圖3 控制柜內(nèi)電源設(shè)計

在每個子系統(tǒng)控制柜內(nèi)使用2組開關(guān)電源，將電源匯接箱送來的220 V電源轉(zhuǎn)化為24 V的直流電源。在供電回路的進(jìn)出線端都設(shè)置微型斷路器，對供電回路可能發(fā)生的短路、過載情況進(jìn)行保護(hù)。回路中的電源都是一用一備的冗余設(shè)計，倘若發(fā)生單模塊故障，則另一個設(shè)備仍能保證系統(tǒng)的正常工作。如圖3所示。

3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

“振海三”號JU2000E自升式鉆井平臺的中央控制系統(tǒng)規(guī)模大，集合了應(yīng)急切斷系統(tǒng)、火災(zāi)探測報警系統(tǒng)、氣體探測報警系統(tǒng)、防火風(fēng)閘控制系統(tǒng)和平臺管理監(jiān)測系統(tǒng)。相比一些傳統(tǒng)的海工項目，其報警控制點(diǎn)數(shù)量及復(fù)雜程度都大大提高了。傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)DCS雖可滿足要求，但其相應(yīng)速度較慢且難以滿足安全生產(chǎn)的要求，由此，“振海三”號采用了現(xiàn)場總線控制的方式，通過雙回路及光纖傳輸模式來保證中控系統(tǒng)的運(yùn)行和冗余。

由于鉆井平臺在人員、空間和環(huán)境方面的要求較高，須具有較高的信息化和自動化水平，同時需兼顧生產(chǎn)的安全性和可靠性。因此，中控系統(tǒng)就是為了滿足鉆井平臺信息化、自動化和安全的需求而設(shè)計的。中控系統(tǒng)是基于先進(jìn)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的自動化系統(tǒng)，是各種生產(chǎn)設(shè)備和其他公共設(shè)備的監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)中心和安全中心。中控系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)的集成控制

該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，系統(tǒng)由中央邏輯解算處理模塊、電源模塊、I/O信號采集模塊、儀表信號采集模塊、I/O處理模塊、儀表處理模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)器/處理模塊和安全邏輯分析模塊組成。如圖5所示。

圖4 中控系統(tǒng)機(jī)構(gòu)拓布圖

圖5 中控系統(tǒng)模塊化布置示意

中控系統(tǒng)的邏輯解算器和電源部分安裝于控制柜內(nèi)，現(xiàn)場傳感器、按鈕和最終元件的信號通過I/O信號線與柜內(nèi)的I/O模塊連接。邏輯解算器通過以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行交換、處理數(shù)據(jù)，而操作工作站分布于平臺上各個重要控制室內(nèi)，以完成人機(jī)操作功能。整個系統(tǒng)是一種應(yīng)用于關(guān)鍵控制及安全領(lǐng)域、減少或避免的事故發(fā)生，給平臺設(shè)備、環(huán)境和人員造成危害的可編程的集成系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)的可靠性要求

對于傳統(tǒng)的鉆井平臺而言，平臺管理監(jiān)測系統(tǒng)主要針對其簡單的系統(tǒng)進(jìn)行故障報警，其可靠性要求不高。隨著鉆井平臺技術(shù)和作業(yè)工況的發(fā)展，其不僅僅是一個帶有人機(jī)界面的集中報警系統(tǒng)，還同時包括了安全系統(tǒng)及特殊工況的控制系統(tǒng)等，它的正常工作與否對鉆井平臺而言是至關(guān)重要的。因此，雖然從規(guī)范的層面還未對系統(tǒng)的可靠性提出強(qiáng)制要求，但設(shè)計必須滿足SIL2甚至SIL3的系統(tǒng)安全要求，以提高其安全可靠性[5]。

中控系統(tǒng)采用了以網(wǎng)絡(luò)為中心的分布式系統(tǒng)，該系統(tǒng)為分散控制、集中管理的分層分布式結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和運(yùn)行及安全監(jiān)測等[6]。

6 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)分析

中控系統(tǒng)采用了ROCKWELL的最新雙層通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)通信I/O模塊之間使用具有PROFIsafe功能的PROFINET總線，控制通信和標(biāo)準(zhǔn)通信在同一根電纜上共存。其特點(diǎn)如下。

1）EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)通信

EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)通過在標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議上分層使用通用工業(yè)協(xié)議（CIP），提供了一整套控制、配置和數(shù)據(jù)收集的服務(wù)，比如TCP/IP（傳輸/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），這種廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)組合提供了信息數(shù)據(jù)交換和控制應(yīng)用程序所需的功能。EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)使用商用的以太網(wǎng)組件和物理介質(zhì)，為鉆井平臺項目提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的工廠解決方案。如圖6所示。

圖6 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)通信分布示意

2）Contol Net網(wǎng)絡(luò)通信

Control Net網(wǎng)絡(luò)是一個實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)，提供對時間要求嚴(yán)格的I/O、聯(lián)鎖數(shù)據(jù)和消息傳遞數(shù)據(jù)的高速傳輸。這包括在一個物理媒體鏈接上上傳/下載程序和配置數(shù)據(jù)。Control Net網(wǎng)絡(luò)高效的數(shù)據(jù)傳輸能力顯著地提高了任何系統(tǒng)或應(yīng)用程序中的I/O性能和對等通信。

控制網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)是高度確定和可重復(fù)的，當(dāng)設(shè)備連接或從網(wǎng)絡(luò)斷開時，將不受影響，從而保證了可靠、同步和協(xié)調(diào)的實(shí)時性能。如圖7所示。

控制網(wǎng)的功能通常如下。

（1）遠(yuǎn)程I/O(RIO)網(wǎng)絡(luò)的替代/替換。Control Net網(wǎng)絡(luò)能夠熟練地處理大量的I/O點(diǎn)。

（2）多分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的主干。

（3）對等聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)。

圖7 Contol Net網(wǎng)絡(luò)通信分布示意

7 結(jié)論

中控系統(tǒng)集成和融合了所有數(shù)據(jù)通信、信號采集和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器等環(huán)節(jié)，具有較高的性價比和安全性。主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）降低了學(xué)習(xí)掌握的難度，減少了人員培訓(xùn)的成本，提高了工作效率；

2）優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，在提高系統(tǒng)的可靠性同時也增加了性價比；

3）高可靠性的網(wǎng)絡(luò)通信，可最大程度地保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性；

3）優(yōu)化人機(jī)操作界面（HMI）的設(shè)計，簡單易懂、易操作。

本文對中控系統(tǒng)的優(yōu)化建議：

1）設(shè)計安全回路時，需要綜合考慮傳感器、元件和邏輯解算器的選型，并且要對設(shè)計方案的安全、完整性進(jìn)行驗(yàn)算。

2）為了保證程序的安全完整性，CPU可以同時執(zhí)行安全任務(wù)和非安全任務(wù)，因此必須區(qū)分安全程序與數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)程序與數(shù)據(jù)。CPU可以自動對相關(guān)安全程序和數(shù)據(jù)的運(yùn)行進(jìn)行校驗(yàn)，確保安全程序的正常運(yùn)行。