沉船抽油監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

張偉，劉晶晶

（煙臺(tái)打撈局技術(shù)中心，山東 煙臺(tái) 264012）

海上溢油是最主要的海洋污染之一[1]。當(dāng)沉船事故出現(xiàn)，及時(shí)地進(jìn)行抽油作業(yè)，是一種減輕次生污染的有效措施[2]。對(duì)于水下抽油智能化監(jiān)控，在2002 年10 月沉沒(méi)在西班牙西北海域的“威望號(hào)”油輪，貨油回收過(guò)程就已經(jīng)采用[3]，我國(guó)尚未在該領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)研究。本課題設(shè)計(jì)水下抽油作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，將多種傳感器信息進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)集成顯示，實(shí)現(xiàn)水下抽油作業(yè)數(shù)值化、信息化、智能化三者結(jié)合[4]，為水下抽油作業(yè)提供數(shù)據(jù)參考。

1 沉船水下抽油監(jiān)控系統(tǒng)方案

結(jié)合常規(guī)的水下綜合抽油系統(tǒng)，包含水下開(kāi)孔機(jī)、水下抽油泵及水下加熱器等設(shè)備，在抽油系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備及油艙中安裝系列傳感器，通過(guò)PLC 控制器，將設(shè)備的參數(shù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳遞至顯示終端，在終端集中顯示各個(gè)設(shè)備的作業(yè)信息，控制各設(shè)備的運(yùn)行，提高作業(yè)效率，保障作業(yè)效率。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

2 抽油系統(tǒng)構(gòu)成

在渤海無(wú)論是冬季寒冷環(huán)境下還是夏季水深超70m環(huán)境下，水溫均在10℃以下[5]，需要對(duì)重油進(jìn)行水下加熱軟化后才能進(jìn)行回收。因此，重油回收作業(yè)工藝中所涉及的作業(yè)常規(guī)設(shè)備有開(kāi)孔機(jī)，熱水機(jī)和抽油泵。

其中，開(kāi)孔機(jī)作用是開(kāi)抽油孔及加熱孔，開(kāi)孔過(guò)程主要關(guān)注開(kāi)孔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及進(jìn)給情況，本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)給傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器，用以監(jiān)控開(kāi)孔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及進(jìn)給情況，保證開(kāi)孔機(jī)正常運(yùn)行。

圖2 開(kāi)孔機(jī)絲狀鐵屑

重油抽油泵多為螺桿泵，此系列泵幾乎無(wú)吸程，對(duì)于粘度較大的重油或者未經(jīng)加熱的低溫重油，有較強(qiáng)泵送能力，但是受重油粘度影響，輸油管受到較大壓力，輸送距離越大、重油粘度越高、油溫越低，輸油管受到壓力越大。為此在抽油泵上增加粘度傳感器，以監(jiān)控重油粘度。同時(shí)在輸油管路上增加流量計(jì)，用來(lái)監(jiān)測(cè)輸油量。

圖3 抽油泵增加粘度傳感器

熱水機(jī)本身帶溫度表和壓力表，但是在水下加熱時(shí)，受加水深及水溫影響，加熱管終端溫度和壓力需要計(jì)算及轉(zhuǎn)換。為能簡(jiǎn)化及準(zhǔn)確知曉加熱管終端相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)在加熱管終端附近加設(shè)溫度傳感器及壓力計(jì)，可以準(zhǔn)確掌握進(jìn)艙熱水溫度及壓力，以及時(shí)調(diào)整熱水機(jī)，達(dá)到最高加熱效率。本系統(tǒng)熱水機(jī)為自行設(shè)計(jì)的電磁加熱熱水機(jī)。

圖4 電磁加熱熱水機(jī)樣機(jī)

在燃油艙出油口位置，加裝油水比例傳感器及溫度傳感器，用以判斷水下抽油過(guò)程中，抽出的油的比例，配合流量計(jì)可計(jì)算出純油的含量，以判斷抽油量及所需剩余作業(yè)時(shí)間，配合調(diào)整加熱及抽油效率，以提高抽油作業(yè)的整體效率。

對(duì)上述功能要求及傳感器設(shè)計(jì)位置匯總，系統(tǒng)構(gòu)成可以如下圖表述。

圖5 系統(tǒng)綜合構(gòu)成

3 系統(tǒng)集成

3.1 顯示終端

水下抽油監(jiān)測(cè)過(guò)程所用的壓力、溫度、流量、粘度等傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采用 PLC 進(jìn)行采集。利用 PLC 串口通信功能，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸端口、通訊協(xié)議、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)位等來(lái)獲取數(shù)據(jù)。使用PLC 編程程序?qū)ζ渌杉盘?hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)在顯示終端顯示出來(lái)。采用觸控終端，可對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行停/啟控制。

監(jiān)控方式分本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。本地監(jiān)控模式有兩種，第一種PLC 連接觸摸屏進(jìn)行參數(shù)的監(jiān)控。如圖6 所示。第二種，通過(guò)軟件連接PLC 進(jìn)行參數(shù)的監(jiān)控如圖7 所示。

圖6 PLC 及觸控終端

圖7 參數(shù)顯示

根據(jù)參數(shù)監(jiān)控要求，顯示/控制界面設(shè)置四屏，分別是“參數(shù)設(shè)置”界面、“參數(shù)表一”界面、“參數(shù)表二”界面、“手動(dòng)工作”界面。其中“參數(shù)設(shè)置”界面是時(shí)間設(shè)置，主要是開(kāi)孔、抽油、加熱時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制；“手動(dòng)工作”界面是啟動(dòng)控制界面，通過(guò)觸屏按鈕進(jìn)行熱水機(jī)、開(kāi)孔機(jī)、抽油泵、伴熱器、熱水泵的啟動(dòng)及停止控制；“參數(shù)表一”界面及“參數(shù)表二”界面顯示各傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。四個(gè)界面通過(guò)觸屏按鈕進(jìn)行切換。

遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器，手機(jī)登錄192.168.1.1網(wǎng)址可以登錄PLC 的WEB 客戶(hù)端，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如下圖所示。

圖8 手機(jī)監(jiān)控端

3.2 傳感器

沉船抽油監(jiān)控系統(tǒng)涉及多個(gè)傳感器，如前文所述，主要應(yīng)用在開(kāi)孔機(jī)、熱水機(jī)、抽油泵和油艙位置，傳感器統(tǒng)計(jì)如下：

表1 傳感器統(tǒng)計(jì)

圖9 傳感器

4 試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行整體組裝進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容為設(shè)備的整體運(yùn)轉(zhuǎn)、傳感器信號(hào)采集、顯示終端。根據(jù)前文所述進(jìn)行傳感器及系統(tǒng)集成，測(cè)試分整體性能測(cè)試和傳感器單獨(dú)信號(hào)測(cè)試。傳感器測(cè)試主要是進(jìn)行信號(hào)傳輸及顯示終端響應(yīng)測(cè)試。整體性能測(cè)試包含終端觸屏控制設(shè)備運(yùn)行測(cè)試，設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)控制測(cè)試，系統(tǒng)整體運(yùn)行及終端顯示驗(yàn)證。系統(tǒng)測(cè)試分開(kāi)孔機(jī)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試開(kāi)孔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及進(jìn)給；電磁加熱熱水機(jī)測(cè)試，測(cè)試熱水機(jī)溫度及熱水泵壓力；抽油測(cè)試，測(cè)試油水比例、流量等參數(shù)，結(jié)合實(shí)際油水配比及試驗(yàn)油艙容量進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果，各傳感器運(yùn)行正常，所設(shè)置的傳感器均在顯示終端有數(shù)據(jù)給出，結(jié)果符合要求。

圖10 試驗(yàn)系統(tǒng)

5 結(jié)論

沉船抽油監(jiān)控系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行抽油系統(tǒng)的監(jiān)控及操作控制。相關(guān)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行傳輸，人機(jī)交互監(jiān)測(cè)界面簡(jiǎn)單明了，工程技術(shù)人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)可根據(jù)界面顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行抽油情況判斷提高作業(yè)效率。從試驗(yàn)結(jié)果看出，該系統(tǒng)滿(mǎn)足水下抽油監(jiān)控要求，若有沉船抽油作業(yè)可在實(shí)戰(zhàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)實(shí)戰(zhàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化及升級(jí)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)使之能夠更好地服務(wù)于救撈。