海上LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蒙學(xué)昊，邵彥山，周 毅，夏華波，吳 昊

(1. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300457；2. 連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司 江蘇連云港 222000)

海上LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置用于實(shí)現(xiàn)船與船之間LNG 貨物的輸送與轉(zhuǎn)駁，隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化與改革深化，海上LNG 產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷發(fā)展壯大，LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置已不可避免地成為影響海上LNG 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展壯大的重要一環(huán)[1-3]。

針對我國南海惡劣的海況條件，常規(guī)海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置已無法滿足裝卸作業(yè)條件的技術(shù)要求和不同船舶、不同海況下的作業(yè)條件，根據(jù)海上LNG 輸送與轉(zhuǎn)駁安全的需求，構(gòu)建基于冗余控制器、冗余網(wǎng)絡(luò)、冗余IO、冗余傳感器四重冗余的控制系統(tǒng)，保證了海上LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置在緊急時(shí)刻拉斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，并提高了加注安全性。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

LNG 輸送與轉(zhuǎn)駁裝置主要由船船快速連接/分離裝置(QC/DC)、主動(dòng)緊急脫離裝置(ERS)、軟管鞍座及防墜落系統(tǒng)、液壓動(dòng)力單元(HPU)、LNG 復(fù)合軟管、Y 形三通接頭、船船位置檢測裝置(VSD)與系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)等組成[4]，如圖1 所示。

圖1 LNG輸送與轉(zhuǎn)駁裝置組成Fig.1 Composition of LNG transportation and transfer device

1.2 系統(tǒng)要求

對海上LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)有如下要求：①船船位置檢測，實(shí)時(shí)檢測加注船與受注船的距離，具備安全工作區(qū)、一級(jí)報(bào)警區(qū)(ESD1)和緊急脫離區(qū)(ESD2)三級(jí)位置實(shí)時(shí)精確檢測能力(表1)；②緊急脫切斷與脫離，保證在緊急時(shí)刻實(shí)現(xiàn)LNG 軟管的緊急切斷、緊急脫離，提高加注安全性；③IAS通信，與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信。

表1 ESD動(dòng)作表Tab.1 ESD action table

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LNG 軟管輸送裝置控制系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表、PLC控制柜、操作面板、報(bào)警面板等部分構(gòu)成。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到ESD 信號(hào)或操作人員按下緊急按鈕時(shí)，控制液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軟管的緊急切斷與緊急脫離，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，LNG 控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 LNG控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.2 Overall design of LNG control system

2.1 船船位置檢測

船船位置檢測采用硬線連接與激光雷達(dá)兩種方式精確獲得船船距離信息，并在船頭、船尾冗余配置，實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境下識(shí)別超出包絡(luò)線范圍和啟動(dòng)預(yù)報(bào)警、ESD1、ESD2 的功能。包絡(luò)線信號(hào)邏輯表如表2 所示。

表2 包絡(luò)線信號(hào)邏輯表Tab.2 Envelope signal logic table

2.2 PLC控制柜

PLC 控制柜安裝在機(jī)房中，位于安全區(qū)域，用于實(shí)現(xiàn)ESD1 控制、ESD2 控制、人機(jī)界面、船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS 通信、液壓單元的控制；操作面板安裝在操作間，位于安全區(qū)域，具有ESD1、ESD2 操作與指示功能；報(bào)警面板安裝在作業(yè)現(xiàn)場，位于危險(xiǎn)區(qū)域，具有防爆控制箱、防爆報(bào)警笛、防爆預(yù)報(bào)警報(bào)警燈、防爆ESD1 報(bào)警燈、防爆ESD2 報(bào)警燈、防爆ESD 按鈕，用于預(yù)報(bào)警，ESD1、ESD2 的報(bào)警顯示及操作。

2.2.1 控制器方案

控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測、分散控制”的思想，為確保LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置的數(shù)據(jù)安全傳輸、高運(yùn)行可靠性及不停機(jī)維護(hù)，采用西門子400 冗余PLC，具有控制器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、IO 冗余三重冗余保護(hù)[5]，具體配置如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件配置Fig.3 Hardware configuration of control system

通過冗余組件實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的系統(tǒng)可靠性。每個(gè)冗余節(jié)點(diǎn)可視為獨(dú)立的部分，當(dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的某個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)并不會(huì)導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)或整個(gè)系統(tǒng)的可靠性受到限制?？墒褂脡K圖簡單地說明整個(gè)系統(tǒng)的可用性。對于2 選1 系統(tǒng)，冗余節(jié)點(diǎn)的一個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)不會(huì)削弱整個(gè)系統(tǒng)的可操作性，冗余節(jié)點(diǎn)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)決定了整個(gè)系統(tǒng)的可用性。

2.2.2 操作臺(tái)面板設(shè)計(jì)

操作面板安裝在操作間，位于安全區(qū)域，包含PLC 控制系統(tǒng)的所有功能命令。由不銹鋼單開門防護(hù)柜、防爆接線箱、防爆顯示屏、聲光報(bào)警器、主令電器、指示燈等器件構(gòu)成。操作面板如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件配置Fig.4 Hardware configuration of control system

安裝于操作面板的報(bào)警器能夠發(fā)出不同間歇頻率的蜂鳴聲音。出現(xiàn)預(yù)報(bào)警、緊急切斷、緊急脫離等警報(bào)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出不同頻率的急促鳴響。操作盤上的指示燈包括狀態(tài)指示燈、緊急切斷/緊急脫離指示燈、維護(hù)狀態(tài)指示燈、電氣/液壓故障指示燈、泵1/2運(yùn)行指示燈、報(bào)警指示燈、設(shè)備選定指示燈、緊急脫離接頭閥門開/關(guān)指示燈等。

主令電器包括：緊急切斷急停按鈕、緊急脫離急停按鈕、急停復(fù)位鑰匙旋鈕、報(bào)警確認(rèn)按鈕、警笛消音按鈕、泵啟/停按鈕、泵機(jī)選擇旋鈕、控制電源開關(guān)、就地盤/遙控器旋鈕、設(shè)備選擇旋鈕、緊急脫離接頭球閥開/關(guān)按鈕等。

2.2.3 人機(jī)界面

采用西門子WINCC 組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控加注過程、船船位置、液壓單元、緊急脫離等單元狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警提示、歷史查詢等功能。

2.2.4 通信方案

PLC 與人機(jī)界面采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS 采用MODBUS RTU 和硬線2 種形式實(shí)現(xiàn)通信，通過MODBUS RTU 總線和硬線開關(guān)量2 種信號(hào)形式進(jìn)行通信。采用MODBUS RTU總線時(shí)，船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS 為主站，LNG 軟管輸送控制系統(tǒng)為從站，實(shí)現(xiàn)了船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS 對LNG軟管輸送控制系統(tǒng)的監(jiān)控與集成。輸送控制系統(tǒng)與IAS 系統(tǒng)通信信號(hào)如表3 所示。

表3 IAS通信列表Tab.3 IAS communication list

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)作業(yè)需求和系統(tǒng)要求，軟件的主要流程如圖5 所示。主要由通用動(dòng)作、液壓單元控制、ESD 控制、系統(tǒng)故障診斷、液壓單元控制、MODBUS RTU 等部分組成。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

液壓動(dòng)力單元(HPU)用作LNG 輸送與轉(zhuǎn)駁裝置動(dòng)力供給，它通過外部的管路系統(tǒng)與數(shù)個(gè)液壓油缸相連以控制多組閥門動(dòng)作，采用雙泵并聯(lián)設(shè)計(jì)、蓄能器冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)檢測到有液壓動(dòng)作或蓄能器壓力低于設(shè)定下限時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)液壓電機(jī)為系統(tǒng)提供動(dòng)力；當(dāng)無任何動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)停止液壓電機(jī)，節(jié)省能源。液壓單元控制流程如圖6 所示。

圖6 液壓單元控制流程Fig.6 Control flow of hydraulic unit

ESD1、ESD2 的控制流程如圖7 所示，PLC 根據(jù)表2 包絡(luò)線信號(hào)邏輯表中的邏輯進(jìn)行ESD 信號(hào)檢測，當(dāng)檢測到相應(yīng)的ESD 信號(hào)時(shí)，按照表1 所示ESD 動(dòng)作表進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖7 ESD控制流程Fig.7 ESD control flow

4 功能試驗(yàn)

①PLC 冗余控制器切換過程試驗(yàn)：人為設(shè)置主控制器故障，控制系統(tǒng)切換過程無錯(cuò)亂、監(jiān)控信號(hào)自動(dòng)保持切換時(shí)實(shí)際狀態(tài)，切換后系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)無丟失。

②報(bào)警區(qū)域試驗(yàn)：在維護(hù)超馳狀態(tài)下，模擬船船距離分別依次越過預(yù)報(bào)警、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警包絡(luò)線，檢驗(yàn)維護(hù)超馳狀態(tài)下船船允許運(yùn)動(dòng)區(qū)域和區(qū)域報(bào)警的觸發(fā)功能，并利用PLC 監(jiān)控軟件記錄各個(gè)包絡(luò)范圍的值。

③液壓系統(tǒng)功能試驗(yàn)測試：分別設(shè)置泵1 故障、泵2 故障，液壓系統(tǒng)正常切換冗余泵或蓄能器，保證系統(tǒng)動(dòng)力供給，切換過程油缸動(dòng)作無明顯卡頓。

④整機(jī)ERS 低溫緊急脫離試驗(yàn)(人工觸發(fā))：人工觸發(fā)緊急脫離程序，連續(xù)聲光報(bào)警啟動(dòng)，緊急脫離油缸驅(qū)動(dòng)下球閥在5 s 內(nèi)關(guān)閉，抱箍在下球閥關(guān)閉后2 s 激活，抱箍激活后，液壓回撤功能啟動(dòng)；各性能指標(biāo)與動(dòng)作功能符合要求。

⑤整機(jī)ERS 低溫緊急脫離試驗(yàn)(模擬自動(dòng))：模擬船船距離分別依次越過預(yù)報(bào)警、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警包絡(luò)線，觸發(fā)緊急脫離程序，連續(xù)聲光報(bào)警啟動(dòng)，緊急脫離油缸驅(qū)動(dòng)下球閥在5 s 內(nèi)關(guān)閉，抱箍在下球閥關(guān)閉后2 s 激活，抱箍激活后，液壓回撤功能啟動(dòng)；各性能指標(biāo)與動(dòng)作功能符合要求。

通過一系列單機(jī)試驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了海上LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)各性能指標(biāo)與動(dòng)作功能，試驗(yàn)過程和結(jié)果符合試驗(yàn)大綱和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6986.1—2014 的要求[6]，各項(xiàng)性能指標(biāo)與動(dòng)作功能均符合要求。

5 結(jié) 語

試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明采用基于冗余PLC 控制的海上LNG 軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)滿足海上LNG 軟管輸送裝置全程安全輸送需求，能夠保證緊急拉斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，并能夠提高加注安全性。但針對不同目標(biāo)船型和作業(yè)海況，在各種不同的船船漂離速度、晃動(dòng)、高差工況下如何確定最優(yōu)的安全工作區(qū)、一級(jí)報(bào)警區(qū)和緊急脫離區(qū)范圍，仍有待進(jìn)行更深入的研究?！?/p>