基于AB-1756的FPSO軟鋼臂系泊潤(rùn)滑控制系統(tǒng)升級(jí)改造

汪開(kāi)拓，張蒙，王棟，姚飛，岳帥志

（中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300000）

隨著海洋石油事業(yè)的蓬勃發(fā)展[1]，原油產(chǎn)量逐年遞增,保證原油生產(chǎn)處理流程的穩(wěn)定是保證油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的關(guān)鍵所在[2]。軟鋼臂系泊系統(tǒng)是整個(gè)油田原油處理流程的起點(diǎn)。它將RUP（Riser Utility Plateform，立管公用平臺(tái)）匯集而來(lái)的原油輸送到FPSO 的流程處理單元進(jìn)行處理，同時(shí)將FPSO 處理的生產(chǎn)水輸送到RUP 加壓，進(jìn)而分配給注水井進(jìn)行返注。

1 軟鋼臂系泊潤(rùn)滑控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 FPSO 簡(jiǎn)介

FPSO 全稱(chēng)為Floating Production Storage and Offloading System，即為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油輪[3]，負(fù)責(zé)對(duì)由軟鋼臂系泊系統(tǒng)匯集而來(lái)的各個(gè)井口平臺(tái)的原油進(jìn)行基本處理和儲(chǔ)存，并外輸。

1.2 軟鋼臂系泊系統(tǒng)簡(jiǎn)介

軟鋼臂系泊系統(tǒng)（Soft Yoke Mooring System），簡(jiǎn)稱(chēng)“單點(diǎn)”。安裝在FPSO 的前部，它能使FPSO做360°旋轉(zhuǎn)，它的主要作用是將FPSO 定位于預(yù)定海域，同時(shí)，使FPSO 具有風(fēng)向標(biāo)的效應(yīng)，在各種風(fēng)浪作用下FPSO 總趨向受力為最小的方向，從而保證FPSO 在海上能長(zhǎng)期連續(xù)工作。

軟鋼臂系泊系統(tǒng)由系泊塔（Mooring Tower）、鐘擺（Pendulums）以及剛臂（Yokes）三部分組成（圖1）。系泊塔由旋轉(zhuǎn)部分和固定部分組成，起著輸送井流物、化學(xué)藥劑、電力、通信等功能。鐘擺主要是連接系泊塔和剛臂。剛臂位于船體之上，是船體和系泊塔的連接處和受力端。

圖1 系泊系統(tǒng)回轉(zhuǎn)層結(jié)構(gòu)Fig.1 Slewing Layer Structure of Mooring Systems

1.3 軟鋼臂系泊潤(rùn)滑控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

潤(rùn)滑系統(tǒng)可以定時(shí)定量地對(duì)單點(diǎn)需要潤(rùn)滑的部位進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。主要由控制系統(tǒng)、氣動(dòng)泵、安全閥、換向閥、分配閥及主管線(xiàn)末端的壓力開(kāi)關(guān)等組成。

潤(rùn)滑系統(tǒng)分為兩組，一組為主軸承[4]和回轉(zhuǎn)層（Swivel Stacks）提供潤(rùn)滑，另一組為鐘擺的萬(wàn)向節(jié)和剛臂徑向、軸向軸承組提供潤(rùn)滑。軸承內(nèi)多余的潤(rùn)滑脂通過(guò)排放口泄放掉，以及帶走軸承內(nèi)的磨屑。

2 現(xiàn)存問(wèn)題分析

2.1 現(xiàn)存問(wèn)題

軟鋼臂系泊潤(rùn)滑自動(dòng)化控制系統(tǒng)基于美國(guó)羅克韋爾（AB）公司PLC[5]技術(shù)平臺(tái)，它是20年前的產(chǎn)品，年代久遠(yuǎn)，技術(shù)落后，功能差，可靠性低，主要存在問(wèn)題如下：

（1）軟鋼臂系泊潤(rùn)滑系統(tǒng)經(jīng)常死機(jī)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間注脂量不足，影響旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作的順暢性，造成密封與結(jié)構(gòu)磨損，降低滑環(huán)密封與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。人員巡檢耗時(shí)長(zhǎng)，中控上位機(jī)只有一個(gè)軟鋼臂系泊潤(rùn)滑自動(dòng)化控制系統(tǒng)報(bào)警通訊點(diǎn)，沒(méi)有實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)顯示，導(dǎo)致潤(rùn)滑系統(tǒng)要一直有專(zhuān)人每天巡檢。

（2）現(xiàn)場(chǎng)操作盤(pán)只有兩路報(bào)警燈：液位和氣路低報(bào)燈和系統(tǒng)運(yùn)行燈，不能準(zhǔn)確指示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，無(wú)法顯示系統(tǒng)全部異常狀態(tài)，可能導(dǎo)致小的隱患無(wú)法及時(shí)處理。

（3）潤(rùn)滑管線(xiàn)末端的壓力開(kāi)關(guān)只能設(shè)定報(bào)警值，不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映管線(xiàn)內(nèi)部的壓力，潤(rùn)滑脂注入太多會(huì)造成浪費(fèi)，潤(rùn)滑脂注入量不足又會(huì)造成設(shè)備損壞。

2.2 原因分析

（1）單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)只有一個(gè)小巧型AB 1760-L18NWA-EX PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），是20年前的產(chǎn)品，功能差，可靠性低。只有12 路數(shù)字量輸入（DI），6 路數(shù)字量輸出（DO），沒(méi)有通訊功能，無(wú)法跟中控上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

（2）單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)的控制盤(pán)只有啟停開(kāi)關(guān)，氣泵選擇按鈕和相應(yīng)的報(bào)警燈。只能通過(guò)報(bào)警燈指示故障狀態(tài)，缺少畫(huà)面顯示，無(wú)法做到實(shí)時(shí)顯示和更多報(bào)警及故障的顯示。

（3）因?yàn)锳B1760-L18NWA-EXPLC 只有數(shù)字量輸入、輸出，所以單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑管線(xiàn)末端只有壓力開(kāi)關(guān)，沒(méi)有壓力變送器，不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映管線(xiàn)內(nèi)部的壓力。

3 系統(tǒng)升級(jí)目標(biāo)

為了利用和移植單點(diǎn)潤(rùn)滑裝備自控軟件，新軟鋼臂系泊潤(rùn)滑控制系統(tǒng)依然沿用美國(guó)AB 公司PLC 技術(shù)平臺(tái)。系統(tǒng)升級(jí)目標(biāo)如下：

（1）全自動(dòng)化控制

延續(xù)全自動(dòng)注入潤(rùn)滑脂的控制策略[6]，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程無(wú)人為干預(yù)注脂，新軟鋼臂系泊潤(rùn)滑控制系統(tǒng)要充分體現(xiàn)并保證自動(dòng)化、智能化。油田現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的控制系統(tǒng)有較高的可靠性，其穩(wěn)定性得到了現(xiàn)場(chǎng)的有效驗(yàn)證。并且現(xiàn)場(chǎng)有控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)移植的經(jīng)驗(yàn)，用于單點(diǎn)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢(shì)和實(shí)現(xiàn)的可能性。

（2）遠(yuǎn)程與本地雙監(jiān)測(cè)

增加現(xiàn)場(chǎng)PLC 和DeltaV DCS[7]（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)通訊，并在中控上位機(jī)上繪制潤(rùn)滑系統(tǒng)的畫(huà)面，操作人員在中控可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)可增加就地顯示面板，兩者結(jié)合，使現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員和遠(yuǎn)程監(jiān)控人員都能很容易、直觀地獲得反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)以及報(bào)警信息，方便理解并進(jìn)行合理判斷；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于人員介入維修。

（3）控制程序的操作便于執(zhí)行

升級(jí)后的單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的PLC 要能匹配本設(shè)施常用的已獲授權(quán)的上位機(jī)連接軟件，這樣便于后期控制策略程序的下裝、查看和修改。

（4）量化控制

升級(jí)后的單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)要改變?cè)到y(tǒng)獨(dú)立封閉運(yùn)行的狀況，將原系統(tǒng)上的壓力開(kāi)關(guān)，升級(jí)為具有精確顯示的智能變送器等監(jiān)測(cè)儀表，精細(xì)控制注脂量，量化監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

壓力變送器在生產(chǎn)流程中廣泛使用，現(xiàn)場(chǎng)維修人員精通變送器安裝、參數(shù)設(shè)定[7]和故障處理。

現(xiàn)場(chǎng)控制柜內(nèi)原有線(xiàn)路可以繼續(xù)利用。原設(shè)計(jì)的壓力開(kāi)關(guān)改為變送器后，電纜可以延用，不用重新進(jìn)行線(xiàn)路敷設(shè)。增加壓力變送器2 選2[8]表決邏輯，可以有效避免因單個(gè)變送器故障造成的系統(tǒng)報(bào)警。

4 升級(jí)方案

本升級(jí)項(xiàng)目采用的AB1756 系列PLC 是羅克韋爾Control Logix 系列最新一代高端控制器，是其集成架構(gòu)中最為重要的一個(gè)成員。使用AB 品牌Panel View 系列的顯示面板，面板通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)，即可實(shí)現(xiàn)跟PLC 的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)制圖軟件繪制流程畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)控。通過(guò)PROSOFT 卡實(shí)現(xiàn)跟DeltaV DCS 數(shù)據(jù)交換，將壓力開(kāi)關(guān)升級(jí)為羅斯蒙特壓力變送器，通過(guò)AI 卡接入PLC 實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

升級(jí)過(guò)程中需增加ABPLC 電源模塊、CPU、DI 卡、DO 卡、AI 卡、通訊卡、羅斯蒙特壓力變送器。利用原有線(xiàn)路和控制柜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及硬件安裝。

4.1 AB PLC 卡件選型

（1）DI 卡

DI 卡就是接收開(kāi)關(guān)量數(shù)字輸入信號(hào)（即通斷信號(hào)）的板卡，類(lèi)似PLC 中的開(kāi)關(guān)量輸入DI 模塊，D（Digitization）代表數(shù)字化/數(shù)字量（通或高電平為數(shù)字1 信號(hào)、斷或低電平為數(shù)字0 信號(hào)），I（Input）代表輸入。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)卡件的穩(wěn)定運(yùn)行，以及保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的良好狀態(tài)，并同時(shí)兼顧適用與經(jīng)濟(jì)的原則，選用1756-IB16 系列DI 卡能夠滿(mǎn)足使用需求，且成本較低。

（2）DO 卡

DO 卡是開(kāi)關(guān)量數(shù)字輸出信號(hào)（即通斷信號(hào)）的板卡，D 代表數(shù)字化/數(shù)字量（通或高電平為數(shù)字1 信號(hào)、斷或低電平為數(shù)字0 信號(hào)），O（Output）代表輸出。根據(jù)實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)，選用1756-OB16系列DO 卡能夠滿(mǎn)足需求，且成本較低，確定為現(xiàn)場(chǎng)選擇卡件。

（3）AI 卡

AI 卡就是模擬量輸入信號(hào)（即模擬信號(hào)）的板卡，A（Analog quantity）代表模擬量（現(xiàn)場(chǎng)變送器輸出的4～20mA 對(duì)應(yīng)量程的0～100%），I（Input）代表輸入。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，選用1756-IF8 系列AI 卡能夠滿(mǎn)足需求，且成本較低，確定為現(xiàn)場(chǎng)選擇卡件。

4.2 邏輯與組態(tài)

用Control Logix 5000 組態(tài)軟件即可對(duì)PLC 進(jìn)行組態(tài)、下裝。設(shè)備投用前，可使用軟件中的Simulation 功能，對(duì)邏輯進(jìn)行測(cè)試?？赏ㄟ^(guò)Factory View Studio 軟件，根據(jù)流程圖繪制畫(huà)面，并增加對(duì)應(yīng)報(bào)警信息。

將原小型PLC 的報(bào)警信號(hào)線(xiàn)接入PROSOFT卡，通過(guò)RS485 通訊[9]協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)PLC 和DCS 之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示（圖2）。在DeltaV 上位機(jī)，通過(guò)DeltaV Explore組態(tài)軟件，進(jìn)行邏輯編程。并且DeltaV 上位機(jī)自帶Operator Run（Configure）軟件，可使用該軟件繪制流程畫(huà)面，并組態(tài)加入連續(xù)歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)[10]，跟蹤查看數(shù)據(jù)趨勢(shì)和報(bào)警信息。

圖2 中控上位機(jī)監(jiān)視畫(huà)面Fig.2 Monitoring screen of center control room computer

5 結(jié)論

該FPSO 單點(diǎn)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)升級(jí)改造的成功實(shí)施，提高了單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性，維持了單點(diǎn)工作的穩(wěn)定性，增加了中控上位機(jī)對(duì)單點(diǎn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，對(duì)于提高流程穩(wěn)定性具有一定的價(jià)值，對(duì)其他類(lèi)似的FPSO 單點(diǎn)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)的升級(jí)改造具有借鑒意義。