自升式海洋平臺(tái)升降控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

馬建林，任麗娜，齊繼陽(yáng)，孟 洋

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

自升式平臺(tái)用于海洋石油開(kāi)發(fā)的各種海上平臺(tái)中，比較適合于近海石油開(kāi)發(fā)，因其造價(jià)低、用鋼量少以及利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在近海石油開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用。其中升降裝置控制系統(tǒng)是自升式平臺(tái)的關(guān)鍵部分，也是平臺(tái)設(shè)計(jì)制造的難點(diǎn)，其性能的優(yōu)劣將直接影響海洋平臺(tái)的使用效果和安全性能［1］。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目研究的自升式海洋平臺(tái)實(shí)物是在理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上縮小100倍的模型，主要由平臺(tái)主體、樁腿（帶樁靴）和升降系統(tǒng)等部分構(gòu)成。該海洋平臺(tái)為三角形狀類型，有三條樁腿，采用齒輪齒條式升降系統(tǒng)，每條樁腿由3根主弦桿構(gòu)成，每根主弦桿上鋪設(shè)一根齒條。在樁腿的其中一根齒條上設(shè)一個(gè)小齒輪與其嚙合，嚙合小齒輪安裝在步進(jìn)電機(jī)上，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)小齒輪使平臺(tái)和樁腿之間做相對(duì)的上升和下降運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)的鎖緊裝置采用氣壓鎖緊，鎖緊結(jié)構(gòu)采用樁腿上的一段齒條與鎖緊齒條嚙合來(lái)鎖緊，在每條樁腿上對(duì)稱放置一對(duì)鎖緊齒條，當(dāng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)氣泵產(chǎn)生氣體來(lái)推動(dòng)換向閥使氣壓缸運(yùn)動(dòng)，然后推動(dòng)鎖緊齒條使其與樁腿齒條嚙合，達(dá)到對(duì)整個(gè)樁腿鎖緊的目的。自升式海洋平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自升式海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要是指樁腿下降、平臺(tái)上升、平臺(tái)下降和樁腿上升。平臺(tái)的工作原理為：當(dāng)海洋平臺(tái)被拖航到達(dá)預(yù)定位置后，氣動(dòng)鎖緊裝置驅(qū)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)先打開(kāi)，然后平臺(tái)通過(guò)升降系統(tǒng)將樁腿伸入海底，當(dāng)樁腿到達(dá)海底后，再以低速對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，使平臺(tái)能穩(wěn)定地停在工作位置，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，而樁腿已經(jīng)插入海底不能再繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)了，此時(shí)齒輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)必然帶動(dòng)平臺(tái)主體的上升，當(dāng)平臺(tái)到達(dá)距離海平面設(shè)定高度時(shí)，電機(jī)便停止轉(zhuǎn)動(dòng)，氣動(dòng)鎖緊裝置驅(qū)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，平臺(tái)便平穩(wěn)地固定在了該工作位置，這是平臺(tái)的上升過(guò)程；當(dāng)平臺(tái)需要移位時(shí)，鎖緊裝置要先打開(kāi)，然后平臺(tái)下降至海平面，再慢慢拔出樁腿，并將樁腿完全升起，這是平臺(tái)的下降過(guò)程，此時(shí)就可以將平臺(tái)拖航至下一個(gè)工作位置了［2］。

圖1 自升式海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Siemens S7－200和步科觸摸屏組成的系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥、電動(dòng)機(jī)和限位開(kāi)關(guān)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以步科觸摸屏和裝有組態(tài)軟件WinCC的PC機(jī)作為上位機(jī)對(duì)下位機(jī)PLC進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)分為單元層、設(shè)備層和管理層3層，其中設(shè)備層連接著現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備，如行程開(kāi)關(guān)、報(bào)警器和傳感器等，其主要任務(wù)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制以及對(duì)信號(hào)的采集；單元層的主要任務(wù)是采集設(shè)備層各模塊間的信息來(lái)控制各底層模塊，同時(shí)為管理層提供其所需的數(shù)據(jù)信息；管理層的主要任務(wù)是遠(yuǎn)程監(jiān)控，使操作人員能實(shí)時(shí)地了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作數(shù)據(jù)。

1.2 上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用步科MT4414觸摸屏，它采用65536色TFT液晶顯示器，支持Windows系統(tǒng)的所有字體，擁有矢量圖像顯示功能、圖形庫(kù)和動(dòng)畫(huà)功能，采用32位RISC CPU，能迅速調(diào)用復(fù)雜圖形，滿足了大多數(shù)用戶的使用需求。

下位機(jī)采用西門(mén)子S7－200中最高級(jí)的模塊CPU226系列的PLC，該P(yáng)LC集成了24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，具有6個(gè)30kHz的高速計(jì)數(shù)器，2路20kHz的高速脈沖輸出以及PID控制器；2個(gè)RS485通訊/編程口，有3種通訊協(xié)議，即PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由口方式通訊，I/O端子排可很容易地整體拆卸，可用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有非常多的輸入/輸出點(diǎn)和非常強(qiáng)勁的模塊擴(kuò)展能力；此外，其內(nèi)部還集成了許多特殊功能，如運(yùn)行速度越來(lái)越快，功能越來(lái)越強(qiáng)等，可完全勝任一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)的工作需求。

在海洋平臺(tái)上安裝有雙軸傾角傳感器，用來(lái)測(cè)試平臺(tái)的傾斜角度，根據(jù)平臺(tái)的傾斜角度，相應(yīng)地調(diào)整各樁腿上升或下降的速度，促使平臺(tái)平穩(wěn)升降。此外，還配有激光位移傳感器來(lái)獲取平臺(tái)的行程大小，通過(guò)行程限位開(kāi)關(guān)來(lái)限定樁腿升降的極限位置，以及電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖緊裝置對(duì)樁腿的鎖緊或松開(kāi)。

2 網(wǎng)絡(luò)通訊

控制系統(tǒng)的通訊包括PLC與上位機(jī)監(jiān)控軟件WinCC之間的通訊、PLC與觸摸屏之間的通訊。PLC與WinCC之間的通訊采用OPC技術(shù)，與觸摸屏之間的通訊采用PPI協(xié)議。

由于WinCC軟件沒(méi)有S7－200PLC的通訊驅(qū)動(dòng)程序，因此WinCC與S7－200PLC之間采用間接通訊的方式。OPC通訊協(xié)議是一個(gè)虛擬接口，需要第三方軟件的支持，可用于 WinCC與S7－200系列PLC的通訊，PC Access內(nèi)置OPC測(cè)試Client端，是S7－200系列PLC專用OPC服務(wù)器。

WinCC中連接的變量是從PC Access建立的項(xiàng)目中導(dǎo)入的，因此要先在PC Access中建立項(xiàng)目且要與現(xiàn)場(chǎng)PLC程序中的內(nèi)存地址相對(duì)應(yīng)。為便于在PC Access中建立項(xiàng)目可以先在PLC編程軟件中建立變量符號(hào)表，通過(guò)PC Access導(dǎo)入符號(hào)命令，然后將變量符號(hào)表導(dǎo)入到PC Access中就完成了在PC Access中項(xiàng)目的建立。在WinCC變量管理器中選擇添加OPC通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)啟動(dòng)OPC通訊驅(qū)動(dòng)程序并且建立連接，通過(guò)OPC的條目管理器的S7－200OPC Server將PC Access中的項(xiàng)目導(dǎo)入WinCC中從而完成上位機(jī)WinCC與PLC之間的通訊連接［3］。

觸摸屏與S7－200PLC之間采用PPI通訊協(xié)議，在觸摸屏的COM0口與PLC之間用RS232總線連接，為保證觸摸屏與PLC之間的正常通訊，在HMI屬性對(duì)話框中進(jìn)行如下設(shè)置：通訊方式為RS232，波特率為9 600baud，數(shù)據(jù)位為8，校驗(yàn)位為無(wú)校驗(yàn)，其他均為默認(rèn)設(shè)置。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用SIEMENS S7－200PLC配套的編程工具STEP7－Micro/WIN32進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、PLC程序的編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔的處理。

該控制系統(tǒng)主要有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制功能。手動(dòng)控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3條樁腿的單獨(dú)控制，每條樁腿有6種操作方式，即樁腿下降、預(yù)壓載、平臺(tái)上升、平臺(tái)下降、拔起樁腿、樁腿上升；自動(dòng)控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3條樁腿的協(xié)同控制，且在平臺(tái)上升或下降的自動(dòng)過(guò)程中，采用雙軸傾角傳感器測(cè)量平臺(tái)的傾斜角度，并將測(cè)量值反饋到PLC進(jìn)行分析和處理以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)準(zhǔn)確快速的調(diào)平。首先PLC要先根據(jù)測(cè)量值與預(yù)先設(shè)定好的水平精度值作比較，若平臺(tái)傾斜角度未超過(guò)限定值，則平臺(tái)仍以預(yù)定速度正常運(yùn)動(dòng)；否則，則PLC通過(guò)調(diào)用邏輯指令對(duì)各樁腿的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定快速的自動(dòng)平衡。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

目前的控制系統(tǒng)都要求具有控制和監(jiān)視的功能，即既可以使操作人員直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)的工作情況，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作數(shù)據(jù)，如控制系統(tǒng)的各種參數(shù)和平臺(tái)狀態(tài)，并且能夠提供報(bào)警信息等功能，同時(shí)又可以向系統(tǒng)發(fā)出控制指令。本監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

4.1 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面是在組態(tài)軟件KincoHMIware中組態(tài)完成的，該軟件是步科自動(dòng)化有限公司為MT4000/5000系列HMI（人機(jī)界面）開(kāi)發(fā)的專用人機(jī)界面組態(tài)編輯軟件，為用戶提供了一個(gè)功能齊全的集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持離線模擬功能，方便用戶直觀地預(yù)覽組態(tài)效果，提高編程效率，其在線模擬操作可以使設(shè)計(jì)的工程直接在計(jì)算機(jī)上模擬出來(lái)，從而避免了下載到觸摸屏再進(jìn)行相應(yīng)操作的麻煩。

觸摸屏與PLC相結(jié)合可取代電控柜上眾多的控制按鈕、選擇開(kāi)關(guān)和信號(hào)指示燈等，所有的操作都可以通過(guò)顯示屏上的操作元件進(jìn)行。觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)包括創(chuàng)建畫(huà)面和設(shè)定變量，并將它們與PLC建立連接。創(chuàng)建畫(huà)面包括輸入輸出域組態(tài)、功能鍵組態(tài)以及數(shù)值顯示等格式；設(shè)定變量是把觸摸屏的組態(tài)功能與PLC的相應(yīng)I/O點(diǎn)及存儲(chǔ)單元間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC的控制。

觸摸屏的控制畫(huà)面由登錄畫(huà)面、主頁(yè)畫(huà)面、自動(dòng)模式畫(huà)面、手動(dòng)模式畫(huà)面和操作說(shuō)明畫(huà)面組成，并且每個(gè)畫(huà)面都設(shè)有向上、向下、返回箭頭和切換按鈕，單擊切換按鈕可以方便用戶切換到相應(yīng)的畫(huà)面；系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)入登錄畫(huà)面，該畫(huà)面包含登錄用戶名、登錄密碼、用戶等級(jí)以及時(shí)間顯示等信息，用戶登錄成功后畫(huà)面切換到主頁(yè)畫(huà)面。主頁(yè)畫(huà)面包括進(jìn)入各窗口的按鈕，用戶通過(guò)點(diǎn)擊按鈕可直接進(jìn)入相應(yīng)的窗口。

4.2 WinCC界面組態(tài)

WinCC是西門(mén)子公司推出的適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，具有全面的開(kāi)放性，可提供OLE、ActiveX、OPC服務(wù)器和客戶機(jī)等接口或控件，支持所有主要PLC系統(tǒng)的通訊通道，還包括PROFIBUS－DP、DDE、OPC和工業(yè)以太網(wǎng)等非特定控制器的通訊通道［4］。

利用WinCC中圖形編輯器的圖形編輯功能，可以方便的組態(tài)和編輯監(jiān)控畫(huà)面［5］。利用該組態(tài)軟件可以完成上位機(jī)顯示所需的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控畫(huà)面，操作員通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄、操作日志、歷史報(bào)表與實(shí)時(shí)報(bào)表輸出打印等功能。此外，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，聲光報(bào)警器自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知值班人員確認(rèn)并排除故障。通過(guò)組態(tài)的報(bào)警記錄、記錄發(fā)生的時(shí)間以及故障類型，方便維修人員進(jìn)行事故的查詢以及設(shè)備的維修。

5 結(jié)束語(yǔ)

以自升式海洋平臺(tái)為控制對(duì)象，介紹了升降系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。試運(yùn)行表明該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可靠性高且操作方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了對(duì)海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)的控制要求。

［1］黃維學(xué)，劉放.自升式海上鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析［J］.一重技術(shù)，2011（2）：1－3.

［2］馬愛(ài)軍，周金鑫，唐文獻(xiàn)，等.深水自升式鉆井平臺(tái)升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2013（8）：60－63.

［3］李申偉，徐淑華，張衛(wèi)，等.基于 WinCC及S7－200PLC的自動(dòng)升旗控制系統(tǒng)［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2010，25（6）：10－15.

［4］甄力東.西門(mén)子 WinCC基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］王玲玲，邱一龍，沈鵬，等.自升式海上風(fēng)電安裝船升降控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（9）：54－56.