半潜式平台压载控制系统设计

刘承志 徐亚玲 石丽杰 周迎春 薛吉宏

摘要：压载控制系统是半潜式平台的一个重要组成部分，通过控制和监测半潜式平台在装载和卸载过程中压载水量的变化，进而保证半潜式平台的稳性，对于保障平台的安全性和提高调载工作效率方面具有重要的作用。介绍了一种以WinCC 组态软件和PLC 为核心控制器的压载控制系统，集数据采集、数据处理、设备操作和上位机界面监测于一体，通过上位机与下位机的信号传输，实现阀门的自动控制。相比于传统的人工操作阀门的方法，压载控制系统的应用可以大节省人力以及时间成本，提高压载效率。通过相关调载试验表明，下位机程序运行稳定，上位机呈现的画面直观明了，具有良好的人机交互性。

关键词：半潜式平台;压载控制系统;WinCC 组态软件;PLC;人机交互

中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）12-0231-04

Research on Ballast Control System of Semi-submersible Platform

Liu Chengzhi，Xu Yaling，Shi Lijie，Zhou Yingchun，Xue Jihong

（ Offshore Oil Engineering Co. ，Ltd. ，Tianjin 300461，China ）

Abstract：The ballast control system is an important part of the semi-submersible platform. By controlling and monitoring the change of the ballast water volume of the semi-submersible platform during the loading and unloading process，the stability of the semi-submersible platform can be ensured，which is important for ensuring the safety of the platform. It plays an important role in improving performance and improving theefficiency of load adjustment. A ballast control system with WinCC configuration software and PLC as the core controller was introduced，which integrated dataacquisition，data processing，equipmentoperationandhostcomputerinterfacemonitoring. Throughthesignaltransmissionbetween the host computer and the lower computer，realized the automatic control of the valve. Compared with the traditional method of manuallyoperating the valve，the application of the ballast control system could greatly save manpower and time cost，and improve the ballast efficiency. The related load adjustment test shows that the program of the lower computer runs stably，the picture presented by the upper computer is intuitive and clear，and has good human-computer interaction.

Key words：semi-submersible platform;ballast control system;WinCC configuration software;PLC;human-computer interaction

0 引言

隨着我国海洋石油事业的不断发展，深海域的石油开发已逐步成为我国现阶段的重点研究方向，同时半潜式的采油平台也逐步在各类采油平台中脱颖而出[1]，半潜式平台是通过调节其压载舱中压载水量的变化进而控制整个平台的上浮与下沉。在早期的压载工况下，平台的稳定状态大都由操作人员的现场经验获得。为了完成配载，需控制压载水舱的压载量，这个过程不仅需要大量的人力和时间成本，工作效率低，还无法保证装载或卸载货物的安全性，并未实现压排载的自动控制[2]。为解决这些问题，需要设计一种控制和监测系统，降低人工成本，提高压排载操作效率。

王嘉宇等[3]依据压载水调拨智能控制算法，对特定船型在纵倾和横倾状态下的稳性进行了分析，并设计了压载水自动控制系统，对传统的压载水控制方式实现了改进。Manzi 等[4]以Pridedo Rio 号石油钻井平台为例，在原有压载系统的基础上设计了具有人机交互接口的压载系统，提高压载效率。

国内外学者针对已有的船舶和海上平台的压载系统设计进行了深入研究，本文研究的半潜式平台具有压载舱数量多，阀门数量多的特点，同时其还要经历多种复杂工况，为保证其稳性，需要对半潜式平台进行精准控制和实时监控。因此介绍了一种以WinCC 组态软件和PLC 为核心控制器的压载控制系统，系统的检测对象包括半潜式平台的压载舱液位、平台吃水、压载泵进出口压力等，通过使用PLC 控制器控制压载舱的阀门开闭、排载水泵的启停等。上位机监测界面的开发由WinCC 组态软件完成，主要包括显示系统的控制界面、生成历史数据报表等。上位机与下位机相结合，用户可以实时监测调载过程中半潜式平台的状态以及设备的运行情况，并根据不同的状况做出相应的控制。

1 压载控制系统概述

本文介绍的半潜式生产平台分为上部模块和船体两大部分，压载控制系统的相关设备主要位于船体，船体共有4个立柱，每个立柱的C 层应急控制间均设置有PLC 控制盘柜，4个立柱之间的控制盘柜通过网线进行通信;压载控制系统位于船体的操作站共有两台，分别设置于船体的SW 立柱和NE 立柱，每台操作站均可以控制和监测整个船体的压排载状态;在上部模块的中控室也设有一台压载控制系统操作站，通过串口通信，用户也可以在上部模块的中控室中进行相应的控制和监测。压载控制系统如图1所示。

2 压载控制系统硬件设计

2. 1 压载控制系统整体结构

整个压载控制系统应由数据采集模块、数据处理模块、远程控制模块和远程监测模块等组成。压载控制系统结构如图2所示。

压载控制系统中数据采集模块由液位传感器和压力传感器对系统中压载舱液位、各立柱吃水液位、管路压力、液压动力系统温度等数据进行采集;数据处理模块，即PLC，用于对传感器采集到的信号进行运算处理，根据不同的输入数据输出相应的信号显示于上位机中，并对远程控制模块，即电液阀门和排载水泵，发出控制指令，相应的电液阀门和排载水泵完成指定的动作;远程监测模块即WinCC 上位机组态软件，对整个压载控制系统进行远程动态监控。

2. 2 液位测深系统

整个半潜式平台的控制系统需实时监测各个舱室的液位，如凝析油舱、污油舱、柴油舱、淡水舱、压载舱等，这些数据对于半潜式平台的稳态控制至关重要。在整个半潜式平台的压载控制系统中，液位测深系统起着监测和报警的作用。液位测深系统包括液位传感器以及监测软件等，位于压载舱中的液位传感器采集到的数据经过PLC 控制器进行处理以后，显示于上位机界面中。当液位传感器测得的数据低于或高于系统原有的设定值时，报警信号会自动输出，系统发出警报及时提醒现场的工作人员处理相应情况[5]，保障了半潜式平台的安全性。半潜式平台的液位测深系统的监测界面如图3所示。

2. 3 阀门遥控系统

相比于传统的依靠人力手动控制阀门开闭的方式，阀门遥控系统对于节约人力成本、提高工作的安全性起着非常重要的作用[6]。在压载控制系统中，阀门遥控系统主要用于监测半潜式平台压排载系统管路上电液阀门的状态，接收压载控制系统的调载指令，控制电液阀门的开闭以及排载水泵的启停。本文介绍的半潜式平台的阀门遥控系统由电液阀门、遥控系统和应急阀块等组成。当需要进行调载作业时，首先明确压载舱的位置和压载水量，由压载控制系統的操作台控制相应阀门的开启和关闭，同时在操作界面前监测各个阀门的状态和压载舱内水的实时液位，当调载作业完成时，及时关闭相应阀门。半潜式平台的阀门遥控系统的控制及监测界面如图4所示。该系统有效解决了远距离操作阀门工作量大或某些场所操作人员不能随时进入操作阀门的情况。

3 压载控制系统软件设计

半潜式平台压载控制系统的软件设计主要分为下位机PLC 软件设计和上位机WinCC 组态软件设计。压载控制系统软件结构如图5所示。PLC 控制软件[7]主要实现数据采集、数据处理、远程控制等功能，其中数据采集主要包括压载舱液位、各立柱吃水、排载系统管路压力等参数，数据处理主要包括信号转换、数据存储、数据显示等，远程控制主要包括电液阀门的开闭、排载水泵的启停等。上位机WinCC 组态软件[8]的主要功能是实现压载舱液位、各立柱吃水、排载水泵状态、阀门开关状态以及系统管路压力和温度等参数在上位机界面中实时显示，针对系统中的故障及时发出警报，并生成报表进行记录。

3. 1PLC 软件设计

压载控制系统的PLC 软件设计采用STEP7软件[9]编写系统功能块图表示控制逻辑，采用多线程的方法来进行模块化编程，即由主程序调用多个子程序同时实现阀门的开闭、排载水泵的启停，并在监测的同时进行信号处理。PLC 软件设计流程如图6所示。

进入到程序以后，首先完成系统初始化操作，对整个系统的初始值和参数进行相应的设置，然后对整个压载控制系统进行检查[10]，包括硬件和软件，硬件主要有排载水泵、各传感器、阀门的状态，软件包括各立柱间 PLC 通信是否正常，上位机界面是否能正确显示各设备的状态。若系统通信正常，则按流程进行下一步操作，若通信发生错误，则需要立刻中断程序进行故障检查。当上位机界面处于正常状态时，传感器开始对各压载舱液位、各立柱吃水和系统管路压力和温度进行实时采集，采集到的信号进入PLC 的相应模块， PLC 调用相应的子程序，实现对排载水泵、电液阀门的远程控制。同时上位机端对采集到的液位、压力、温度以及设备执行情况实时进行显示。

3. 2 上位机界面设计

半潜式平台的系统非常庞大，操作人员无法在现场同时监测到多个子系统的状态，因此将现场的设备形象地显示在中控的监测画面中是非常必要的。上位机界面的设计主要是便于操作人员在中控室可以实时查看到各个设备的实时参数，方便操作人员及时做出判断是否需要进行调载作业，若需进行调载作业，则操作人员通过控制上位机发出指令信息，指令信号传到下位机PLC 控制器，进而对整个压排载系统进行图7上位机软件系统结构控制。上位机软件系统功能如图7所示。

WinCC 是一种模块化的自动化组件，具有很好的开放性和稳定性[11]。基于WinCC 组态软件设计的上位机监测系统可以实现的功能有：全面监测系统运行状态，上位机界面实时监测各压载舱的液位、各立柱吃水液位以及系统管路压力或温度等信息，并实时显示排载水泵和电液阀门的运行状态;具备良好的人机交互界面，操作人员可以在中控室实时监测系统状态并发出控制指令进行远程遥控，控制设备的运行;数据记录，上位机软件会将实时的液位、压力等数据进行存储，便于日后查看。

4 海上工况调载

该半潜式生产平台正常工况下的吃水为35～40 m，图8所示为平台上装载计算机在平台压载到35 m 时计算得出的数据，由图可以看出，平台在压载到35 m的位置时已经基本满舱，所以实际上平台只要压载到35 m 左右时即可达到正常海上生产工况。

在进行压载操作时，进入压载控制系统的阀门遥控界面，打开相应的阀门即可控制海水进入压载舱。本文中以NW9舱的压载操作为例进行介绍，如图9所示。进行NW9压载舱进水操作时，需依次打开阀门XV-96010、XV-96013、XV-96014、XV-96006、 XV-96012、XV-96015，

在压载控制系统中找出相应的阀门打开即可。点击相应的阀门在界面中会弹出如图10所示的命令面板，点击“OPENED”即完成阀门的开操作。需要注意的是，由于压载舱数量多，进行压载操作时，需要对侧反复压载，不能单侧压载，避免造成平台倾斜严重，这就需要操作人员在监测界面时刻进行监测，直至各立柱吃水一致。

通过海上压载试验，可以得出该半潜式平台的系统稳定，能很好地控制泵及阀门地动作，同时上位机监测界面清晰，采集到的数据与现场数据在允许误差的范围内，具有很好的人机交互性。

5 结束语

本文研究的半潜式平台的压载控制系统能够实现对各压载舱的液位、各立柱吃水液位等数据的实时采集，采集到的信号传输到PLC 控制器进行处理用以对系统的排载水泵和电液阀门的控制。基于WinCC 组态软件设计的上位机监测界面具有良好的人机交互界面，除了能够实时监测系统的运行状态外，通过发送控制指令到PLC 控制进而控制相关设备的运行。该压载控制系统集自动控制与监测于一体，具有良好的稳定性，大節约了人力成本，提高了整个平台的自动化水平。

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第一作者简介：刘承志（1986-），男，大学本科，工程师，研究领域为电气仪表自动化。 （编辑：王智圣）