海上平台造水机控制系统

2023-02-05刘印章隋明洋何云风

科学与信息化 2023年24期

刘印章隋明洋何云风

1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司番禺作业公司广东深圳 518054；2. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司惠州油田广东深圳 518054

引言

船用海水淡化设备(造水机)作为海上石油钻采平台关键的公用系统之一，将海水淡化后，为整个平台的生产和生活提供重要的淡水资源，在降低作业成本和安全生产方面起到至关重要的作用。整个淡水系统有着成熟的工艺流程和控制逻辑，海水从管网中流到造水机入口，经高速泵加压后，在多级过滤器和反渗透膜的作用，最后由淡水泵输送至下游各级用户，保证各设备的可靠和稳定是一项重要的作业。

1 平台造水机控制系统升级改造并增加与中控系统的通信连接

平台造水机的PLC控制系统采用的是ROCKWELL公司的1746系列，平台投产以来，已经长期运行，随着运行年限的增长，电子元器件老化严重，已经超过规定寿命，故障率也在不断提高。且ROCKWELL公司已经宣布1746系列PLC产品停产换代，不再提供该系列的备件供应，导致无备件维修更换[1]。这种情况直接导致造水机的设备完整性得不到保证，也无法满足平台对淡水的正常需求。

另外，造水机作为独立的小系统运行，没有与中控系统的通信连接，当中控无法对造水机的运行状态和相关参数进行监控，也无法进行远程操作，且在线检查程序和调试维修时只能在现场连接PLC，极为不便。

该项目为解决上述情况，将控制系统从SLC500系列升级到CompactLogix系列CPU及模块，将原程序进行转换，升级为Logix5000程序，并在中控上位机组态及增加画面，读取并显示造水机主要参数，实现实时监控与报警[2]。

1.1 现场存在着的技术问题

1.1.1 程序需要从SLC500转换成Logix5000程序，在保持造水机系统的控制逻辑、控制功能不变的前提下进行优化，使程序运行更加稳定，这要求对AB系列PLC编程的基本方法和指令等有一定的了解和掌握，且需要熟悉造水机的工艺流程和控制逻辑。

1.1.2 造水机控制系统和中控系统的通讯方式，需要实现控制器到工程师SOE站的通讯，和工程师站到操作员站的通讯，选择合适的通讯方式并进行配置，合理规划通讯电缆的铺设位置、走向等，符合安装施工规范。

1.1.3 上位机画面的组态，中控系统使用的是iFIX组态软件，从过程数据的采集，I/O驱动的建立和配置，数据标签的链接等方面，进行合理的设计和配置，保证读数正确和控制功能完备。

1.2 项目实施过程所采取的措施或解决方法[3]

1.2.1 施工前的准备。对控制系统进行一次系统备份，备份的内容为：SLC500控制的程序。对相应工艺流程进行隔离操作，保证系统被独立出来。对整个系统的动力电源和控制电源进行隔离，保证现场施工时不会出现触电等情况。

1.2.2 机架及其相关组件的拆除并安装新的PLC。确认系统已完全失电以后，拆除PLC的电源模块、IO模块、CPU模块和固定机架，在原来的位置安装导轨，并将新的PLC模块以及电源固定在导轨上面，模块的布局按照原系统模块顺序进行排列。PLC模块固定以后，根据新版的系统图纸，对应原来信号线的线标和颜色以及模块上面端子的标记进行接线。CPU安装在第0槽，型号为1769-L36ERM，1槽为数字量输出模块1769-OB16，2槽为模拟量输入模块1769-IF8，3槽为数字量输入模块1769-IQ16。施工全部完成后，仔细检查接线，确保无误后进行系统上电。

1.2.3 PLC程序下载及测试。ControlLogix系统专用的编程软件是RSLogix5000，该项目使用的版本号为V20.12，离线情况下已经为控制器创建项目，建立相应的程序文件和数据文件，建立相应的I/O组态，程序已经事先进行了对照和转换，主程序包含一个主要例程，主要实现的控制功能如下。

（1）高压泵的启停：当泵吸入口压力开关PSL53100无报警时才能启动造水机，按下启动按钮，如果造水机一切正常则输出Master Relay IRY1且自保持，造水机启动。造水机的停机信号有停机按钮，低压开关确认报警IRY5，高压泵马达启动器故障IRY3，还有生产关断ESD信号共4个信号。

（2）TDS的计算和控制：采样现场TDS AE53100分析器的电流值，计算出对应的TDS值，当TDS大于1000时，开始计时240秒，当240s时间到后，TDS仍然大于1000的话，面板上TDS高指示灯亮，排海阀CV-53103阀门动作，将渗透膜出来的水全部排海，不再去淡水储罐。

1.2.4 敷设造水机控制系统至中控的网线并进行网络配置。敷设网线，正确固定在电缆槽架内，尽量避开动力电缆，要注意电缆的弯曲半径不宜过大，从室外进入中控时，做好防水和封堵措施。网线一端接在造水机控制系统CPU卡件的port1口上，另外一端接入中控系统的交换机端口，保证物理连接通畅。

造水机系统通过以太网与中控系统，查询平台已经分配使用的IP地址以后，设置造水机控制系统的IP地址为172.19.3.124。

1.2.5 上位机画面iFIX软件的组态。中控系统上位机软件使用的是Proficy HMI/SCADA iFIX，现已有工程项目，需要新增造水机系统与中控系统的通信点和监控画面，使用OPC通讯方式，RSLink Classic作为OPC服务器，iFIX软件作为OPC客户端，读服务器中的数据并在监控画面进行数据显示，报警和事件记录以及历史趋势等功能。需要实现上述功能需要进行以下几步配置：I /O驱动器配置，过程数据库添加，图形画面新建并进行数据链接。

（1）I /O驱动器配置。I/O驱动器是iFIX与过程硬件进行通讯的接口，需要使用Power Tool进行配置，配置步骤如下：打开OPC_PowerTool软件，点击“Add OPC Server”按钮，建立名为“ab”的Server，ProgID选择“RSLink Classic OPC Server”，把Enable按钮勾上使能。

（2）Add OPC Server配置。点击“Add Group”按钮，建立名为“MW”的组，I/O类型选择Asynchronous，数据更新时间设置为0.2s，把Enable按钮勾上。至此，过程控制中产生的数据由控制器经过RSLink Classic OPC Server服务器采集，再被上位机OPC客户端iFIX软件读取交换，最终以图形颜色变化，数值显示和报警记录的形式在监控画面进行显示，完成了对造水机系统的控制、监控和报警功能。项目实施改造以来，平台造水机运行稳定，没有再出现因控制系统故障造成的停机现象。且在中控系统中添加了监控画面，操作人员可以实时监控，再结合日常现场巡检，对设备的运行状况掌握地更加清楚，达到了预期效果。

该项目虽然只是一个小系统的升级改造，但是在目前大力推进无人化、智能化平台，以及台风模式，远程模式的大背景下，这又是一个典型的例子。许多老平台在平台建设之初，由于各种因素，如费用控制或者是设计欠缺等，现场很多设备没有建立与中控的通信连接。平台仪控人员完全可以梳理控制需求，结合实际，自主动手进行优化改造，不断提高平台控制系统的自动化程度，智能化程度。目前海上平台使用较多的中控系统主要有罗克韦尔、霍尼韦尔、横河机电等公司的产品，学习并掌握程序编写、上位机组态和通讯方式的连接，对提高海上仪表师的技能水平和对中控系统的维保工作大有益处。

2 海上平台简易生活区淡水泵液位控制系统

平台的中控系统将在年度计划停产期间进行整体升级更换，整个平台在停产大修时最高峰有170人同时进行作业。新旧中控系统升级的空档期，与中控关联的现场设备将全部失去控制，需要提前对停产检修期间仍然需要运行的设备的相关信号进行梳理，保证平台的水、电、气、柴油、空调等必备的公用系统能正常提供，生活区淡水便是其中重要的一环。170多人在高温环境下，连续高强度的作业后，日常洗漱、洗澡都非常需要有稳定的淡水提供，这样既能保证作业人员的个人卫生，还能保证平台人员有良好的精神面貌，为整个停产大修和中控升级项目提供良好的人员保障。

平台有两台淡水泵，正常运行时为一主一备，主泵受淡水膨胀罐的液位控制，液位低于900mm时启泵，高于2100mm时停泵，主备泵可以进行切换，且同时两台淡水泵均可以在本地进行手动启停。

如果失去中控系统的控制后，淡水膨胀罐液位将无法监控，淡水泵也失去自动启停功能，如果仍要保持淡水膨胀罐液位的稳定，保证淡水的正常供应，则需要一名操作人员在现场根据实际液位，频繁的手动启停，用水高峰期启停时间的一个周期大致为15min，在停产检修期间浪费一个宝贵的人工。

仪表人员根据现场的液位变送器、泵的安装情况和控制逻辑进行讨论，提出了使用旧的西门子S7-300PLC，自主搭建临时液位控制系统的方案，保证淡水的正常供应。

所解决的现场问题：

中控系统升级过程中新旧系统的空档期，为生活区淡水膨胀罐液位搭建临时控制系统，达到稳定液位的目的，避免出现停泵不及时导致冒罐或者启泵不及时导致抽空的情况。

节约人工时，无需专人守护进行手动启停，达到自动控制的目的。

为停产检修期间平台170余人日常洗漱、洗澡的淡水供应提供保障，既能保证作业人员的个人卫生，还能保证平台人员有良好的精神面貌，为整个停产大修和中控升级项目提供良好的人员保障。

从方案制定、程序编写、硬件安装、调试投用等几个方面入手，在班组内进行分工，由高级技师统筹开展，重点安排今年备考技师的青年员工独立完成各项分步内容，且完全使用与技能鉴定相同型号的西门子S7-300PLC，既达到了学以致用、岗位练兵的目的，又大大检验了队伍能打硬仗的能力。

具体施工方案：

硬件搭建，根据查看现场变送器、泵、本地启停按钮的安装位置，制定出最优的施工方案：①采用西门子S7-300PLC进行搭建，需要电源模块、CPU模块、AI模块、DO模块各1块，230V继电器2个，防爆接线箱1个。②新安装一个差压式液位变送器，高低压引压管线接到从原变送器的泄压口，变送器的信号线采用两线制，接入PLC的AI通道，将0~3000mm液位信号转换为4~20mA，传入PLC处理。③PLC经逻辑运算后，输出两个DO信号到230V继电器的线圈，分别为自动启动信号、自动停止信号。其中自动启动信号接线圈的常开点，再与现场的手动启动按钮并联；自动停止信号接线圈的常闭点，再与现场的手动停止按钮串联。④查看电气图纸后，还需要将中控系统至电气盘柜的PSC控制信号短接。

逻辑设计及程序编写：

①A泵仍然保留原手动控制功能，不做任何改变，作为在B泵故障时的应急措施使用。②对B泵进行自动控制的改造，将PLC输出的自动启停信号按上述要求接到B泵的本地接线盒内。③自主编写PLC的控制程序，实现液位低于900mm时自动启泵（脉冲信号），高于2100mm时自动停泵（脉冲信号），同时增加连锁保护功能，液位低于600mm时将自动停泵一直置1，液位高于2400时将自动启泵信号一直置1。④将PLC上电，下装组态和程序，并进行功能测试，测试结果为到达预期控制要求。