自升式鉆井平臺(tái)中央空調(diào)控制系統(tǒng)改造

葉 斌

(中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京 100027)

1 中央空調(diào)是自升式平臺(tái)重要的設(shè)備子系統(tǒng)

海洋石油鉆井平臺(tái)是海洋石油勘探開發(fā)的主要設(shè)備載體，其中自升式平臺(tái)應(yīng)用最為廣泛[1]。2019年開始，隨著“七年行動(dòng)計(jì)劃”的深入推動(dòng)，為了滿足海上油田優(yōu)快鉆完井的作業(yè)需求，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)備性能提出了更高要求。中央空調(diào)作為自升式平臺(tái)重要的設(shè)備子系統(tǒng)，主要為平臺(tái)工作人員提供良好的生活和工作環(huán)境，也為各種設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力保障[2]。

2 平臺(tái)中央空調(diào)系統(tǒng)簡介及現(xiàn)狀

2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)簡介

渤海某自升式平臺(tái)始建與1979年，經(jīng)過多次維修改造后，目前主要在渤海油田從事生活及工程支持作業(yè)服務(wù)。該平臺(tái)共有7臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組，分別位于A、B生活區(qū)內(nèi)以及輔機(jī)艙內(nèi)(C區(qū)空調(diào)位置)。空調(diào)機(jī)組各自獨(dú)立分散工作，分別采用繼電器控制系統(tǒng)。各艙室空調(diào)機(jī)組的參數(shù)信息統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 平臺(tái)空調(diào)機(jī)組概況

2.2 中央空調(diào)系統(tǒng)主要問題

目前該中央空調(diào)控制系統(tǒng)無法對(duì)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，中央空調(diào)機(jī)組的整體運(yùn)行效率低，從而影響平臺(tái)的服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)，在對(duì)各個(gè)生活區(qū)的空調(diào)機(jī)組調(diào)節(jié)溫度時(shí)，機(jī)電人員需要依次到各個(gè)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行本地設(shè)置，人員工作強(qiáng)度大、效率低。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)管理的降本增效，降低人員的巡檢強(qiáng)度，提升設(shè)備的自動(dòng)化管理水平，需要對(duì)現(xiàn)中央空調(diào)的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)改造。

3 改造方案

3.1 方案設(shè)想

總體方案是利用PLC技術(shù)或者工控機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，將7臺(tái)中央空調(diào)的溫度信號(hào)和設(shè)置功能集中引入到機(jī)工值班室或者三師辦公室。通過技術(shù)分析，歸納總結(jié)出以下三種方案。

方案一：基于無線技術(shù)的無線模塊+嵌入式工控機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。

采用無線模塊進(jìn)行空調(diào)溫度的監(jiān)控，同時(shí)利用嵌入式工控機(jī)與無線模塊進(jìn)行通訊，完成空調(diào)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

方案二：基于以太網(wǎng)總線技術(shù)+嵌入式工控機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。

采用以太網(wǎng)總線溫控模塊來控制中央空調(diào)機(jī)組運(yùn)行，通過嵌入式工控機(jī)與以太網(wǎng)模塊之間通訊，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

方案三：基于低成本串行總線通訊技術(shù)+PLC控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。

采用帶RS485通訊接口的溫控模塊實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組的現(xiàn)場控制，然后通過PLC控制器與溫控模塊之間通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3.2 方案確定

針對(duì)上述三種方案，分別從技術(shù)原理(通訊技術(shù)和處理器技術(shù))、系統(tǒng)性能、成本控制、方案可行性等方面綜合考慮對(duì)比，最終方案確定為方案三，即基于串行總線通訊技術(shù)+PLC控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。

3.3 方案細(xì)化

要實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，需要把握空調(diào)機(jī)組的控制切入點(diǎn)，規(guī)劃該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)構(gòu)架，并按照功能設(shè)計(jì)，依次分解各技術(shù)細(xì)節(jié)。主要包括以下內(nèi)容：

1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的突破點(diǎn)選擇

目前7臺(tái)中央空調(diào)均是通過溫度開關(guān)完成系統(tǒng)控制的，可通過優(yōu)化控制開關(guān)完成系統(tǒng)的集中控制設(shè)計(jì)。

2)現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

大多數(shù)中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊使用Modbus通訊協(xié)議，其中RS232總線通訊距離短，一般不超過 12 m，而RS485總線接口傳輸距離長，適合平臺(tái)分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集使用[3]，而且RS485的Modbus總線技術(shù)作為第一代總線技術(shù)，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，成本低廉，適合平臺(tái)改造應(yīng)用。

3)集中控制系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

PLC是目前中央空調(diào)中的自動(dòng)化控制核心技術(shù),可以對(duì)中央空調(diào)的開關(guān)、順序控制等方面進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)和應(yīng)用, 且有PID調(diào)節(jié)功能[4]，而且對(duì)基于RS485的技術(shù)應(yīng)用非常成熟，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用1200系列PLC控制器。

4)系統(tǒng)功能擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

根據(jù)集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮以RS232、RS485、以太網(wǎng)等接口作為系統(tǒng)擴(kuò)展接口，完成系統(tǒng)擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)。

通過技術(shù)成熟度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、成本控制等方面綜合考慮，決定選用如下的方案：①基于RS485總線技術(shù)；②利用1200系列PLC控制器；③PLC控制器通過以太網(wǎng)與國產(chǎn)HMI通訊。系統(tǒng)方案細(xì)化如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案細(xì)化圖

4 改造方案實(shí)施及效果評(píng)估

4.1 方案實(shí)施過程

1)確定系統(tǒng)控制接口優(yōu)化節(jié)點(diǎn)。通過對(duì)A、B、C區(qū)空調(diào)控制原理圖研究分析，中央空調(diào)檢測新風(fēng)、回風(fēng)與送風(fēng)的溫度和濕度,主要由回風(fēng)溫度近似反映被調(diào)對(duì)象的平均狀況，所以確定空調(diào)系統(tǒng)的主要控制參數(shù)為空調(diào)回風(fēng)溫度[5]。平臺(tái)空調(diào)機(jī)組制冷控制系統(tǒng)中，主要依靠溫度控制器來控制供液電磁閥的開關(guān)動(dòng)作，而供液電磁閥開關(guān)又控制著壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力大小，壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停又與低壓、高壓控制器相關(guān)，因此最終影響空調(diào)動(dòng)作的主要參數(shù)還是溫度控制器。所以，本次選擇帶有通訊功能的溫度控制器。

2)控制接口器件選擇替換。目前空調(diào)機(jī)組采用的溫控器不帶通訊接口，通過對(duì)比分析，選擇RS485 Modbus接口的溫度控制器。因?yàn)楸敬胃脑煊?jì)劃采用西門子S7-1200系列PLC開發(fā)設(shè)計(jì)上位控制器，可以通過擴(kuò)展CB1241 RS485信號(hào)板或者CM1241 RS485信號(hào)模塊來實(shí)現(xiàn)485接口[6]，性價(jià)比較高。替換元器明細(xì)如表2所示。

表2 替換元器件統(tǒng)計(jì)表

3)集中監(jiān)測設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案原理。該空調(diào)集中監(jiān)測系統(tǒng)主要包括西門子S7-1200 1214C系列的PLC，CM1241 RS485模塊以及CM1241 RS232接口模塊，外圍模塊包括MCGS昆侖通泰顯示HMI設(shè)備，以及PLC元器件的工作電源。

PLC 1214C通過RS485擴(kuò)展模塊，與生活區(qū)各個(gè)空調(diào)的溫控器通過Modbus-RTU協(xié)議通訊獲得各個(gè)溫控器的相關(guān)溫度信息。RS485通訊線路與各溫控器之間采用手拉手的方式進(jìn)行通訊，為了做好系統(tǒng)隔離，采用了RS485中繼器對(duì)系統(tǒng)做隔離設(shè)計(jì)。

PLC將獲得的各區(qū)空調(diào)溫度參數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部DB塊內(nèi)，并通過以太網(wǎng)接口與MCGS昆侖通泰HMI通訊，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和顯示功能。通過HMI界面，用戶可以對(duì)空調(diào)溫度設(shè)定參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置。此外，通過RS232接口可以將PLC存儲(chǔ)在DB塊內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，從而通過上位機(jī)分發(fā)到本地局域網(wǎng)內(nèi)或者陸地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)分享和陸地遠(yuǎn)程訪問。

4)繪制原理圖。系統(tǒng)控制原理，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

5)硬件系統(tǒng)搭建，編寫測試程序。按照上述線路原理圖搭建硬件系統(tǒng)，箱體內(nèi)部硬件依次是電源開關(guān)、24V開關(guān)電源、CM1241 RS232通訊模塊、CM1241 RS485通訊模塊，CPU 1214C PLC。

利用TIA編程軟件編寫空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)，程序主要采用PLC 1200系列提供的Modbus-RTU指令，通過輪詢的方式依次與生活區(qū)各空調(diào)機(jī)組溫控器進(jìn)行通訊設(shè)置。

6)各區(qū)空調(diào)線路鋪設(shè)。

7)空調(diào)溫控器的更換及配置。

8)系統(tǒng)整體調(diào)試。整體調(diào)試過程主要包括在C區(qū)辦公室內(nèi)安裝空調(diào)集中監(jiān)測控制箱，然后依次連接測試各區(qū)溫控器是否可以正常與PLC通訊。

4.2 改造效果評(píng)估

完成了C區(qū)、A區(qū)空調(diào)的通訊線路連接和溫控器參數(shù)設(shè)定等工作以后，HMI顯示屏可以正常讀取上述區(qū)域的空調(diào)溫度數(shù)值，實(shí)時(shí)通訊效果良好，并能順利完成遠(yuǎn)程設(shè)置，充分驗(yàn)證了低成本Modbus總線技術(shù)在老舊平臺(tái)可以成功應(yīng)用。該系統(tǒng)投入使用后，機(jī)工每日巡檢只需檢查監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)，即可瀏覽全部空調(diào)機(jī)組溫度參數(shù)，有效降低人員巡檢操作次數(shù)。通過本次技術(shù)改造，提高了平臺(tái)的自動(dòng)化管理水平，大幅降低了設(shè)備故障率，可實(shí)現(xiàn)年均降本增效14萬元。

5 結(jié)語

1)通過廣泛使用電氣控制技術(shù)，結(jié)合老齡平臺(tái)設(shè)備特性，驗(yàn)證了Modbus總線技術(shù)在平臺(tái)分布式設(shè)備之間構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)的可行性，有效提升了平臺(tái)的自動(dòng)化、數(shù)字化技術(shù)水平。

2)通過本次技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)機(jī)組低成本的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，為其他老齡化自升式平臺(tái)、海洋工程船舶的電氣設(shè)備優(yōu)化改造提供了借鑒意義。

3)通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測功能可以進(jìn)一步擴(kuò)展，主要表現(xiàn)在空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、壓縮機(jī)高低壓力、冷卻海水壓力等數(shù)值的獲取和傳輸，可以通過利用PLC控制器、AI模擬量模塊以及CM1241 485通訊模塊組成新的控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的全面監(jiān)測。