基于LabVIEW鉆井平臺(tái)壓載系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

2016-10-13 10:42:37溫娜楊奕飛

電子設(shè)計(jì)工程 2016年10期

溫娜，楊奕飛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

溫娜，楊奕飛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

鉆井平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地在深水惡劣環(huán)境下作業(yè)，受到風(fēng)、浪、流的影響，會(huì)產(chǎn)生橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩等多自由度的運(yùn)動(dòng)，所以掌握平臺(tái)壓載系統(tǒng)是否正常運(yùn)作有其必要性，這就需要對(duì)平臺(tái)上各艙室的液位測(cè)量傳感器、平臺(tái)實(shí)時(shí)的吃水狀況、橫向與縱向傾角、壓載水的重量、壓載系統(tǒng)管系的狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集傳輸，并進(jìn)行邏輯判斷與控制。關(guān)鍵詞：壓載系統(tǒng)；監(jiān)控；OPC；LabVIEW

隨著人類對(duì)油氣資源開(kāi)發(fā)利用的深化，油氣勘探開(kāi)發(fā)從陸地轉(zhuǎn)入海洋，半潛式鉆井平臺(tái)作為海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要裝備之一，但由于海上作業(yè)環(huán)境惡劣、情況復(fù)雜，鉆井生產(chǎn)和工作人員的安全時(shí)刻受到威脅，所以必須對(duì)海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。壓載子系統(tǒng)是鉆井平臺(tái)子系統(tǒng)中的一個(gè)重要子系統(tǒng)，它是調(diào)整鉆井平臺(tái)浮態(tài)和平衡的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的沉浮作業(yè)與壓載調(diào)平，所以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控有利于鉆井平臺(tái)的安全作業(yè)，是生產(chǎn)和工作人員的安全保障。

1　壓載系統(tǒng)配置與監(jiān)控參數(shù)

1.1壓載系統(tǒng)構(gòu)成

鉆井平臺(tái)上總共包含34個(gè)壓載水艙和4個(gè)壓載平衡調(diào)節(jié)水艙，分別分布在平臺(tái)的左、右舷浮體和舷艏艉中。其分布圖如圖1所示。其中，壓載平衡調(diào)節(jié)水艙的作用是用來(lái)平衡平臺(tái)艏艉的縱向傾斜度，也是測(cè)量平臺(tái)吃水參數(shù)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象；壓載水艙平均分配在左、右兩個(gè)舷浮體中，其是用來(lái)平衡橫向方向上的穩(wěn)定性，以及平臺(tái)的穩(wěn)心高度。壓載艙以及平衡艙中的液位狀況以及平臺(tái)的吃水情況是通過(guò)其上安裝的壓力式液位測(cè)量傳感器測(cè)得的，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成4～20 mA的電信號(hào)送到壓載監(jiān)控系統(tǒng)以供分析處理［1］。

圖1　壓載艙及壓載平衡艙布置圖

1.2壓載系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)

壓載系統(tǒng)由各壓載艙、壓載泵、控制閥、各種儀器儀表和管道等基本元件構(gòu)成，通過(guò)對(duì)泵機(jī)和閥門的操作實(shí)現(xiàn)壓載艙海水的注入和排出，以調(diào)整平臺(tái)在不同運(yùn)動(dòng)情況（移航、操作、自存）下的平衡性。調(diào)整參數(shù)包括平臺(tái)排水量、吃水和平臺(tái)縱、橫向的平穩(wěn)性，以及安全范圍內(nèi)的穩(wěn)心高度；同時(shí)調(diào)節(jié)壓載艙的各參數(shù)能夠有效地減小平臺(tái)外部的變形，避免引起較大的彎曲力矩與剪切力，有效減少平臺(tái)整體的振動(dòng)［2］。

深水鉆井平臺(tái)壓載水系統(tǒng)通過(guò)其上的各個(gè)傳感器測(cè)得參數(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指令控制相應(yīng)的壓載泵與開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟或者關(guān)閉，進(jìn)行壓入或者排出壓載水的動(dòng)作，以使平臺(tái)處于穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)影響壓載系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，得到設(shè)備參數(shù)，作為操作動(dòng)作的依據(jù)，這些參數(shù)又分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，壓載子系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象及參數(shù)如表1所示。

表1　壓載系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象

通過(guò)測(cè)量不同工況下平臺(tái)的縱橫搖角參數(shù)，吃水深度以及各種參數(shù)，再根據(jù)式（1）～（5）的小傾角公式來(lái)建立平臺(tái)的穩(wěn)性計(jì)算模型，就可以根據(jù)參數(shù)確定平臺(tái)在任何時(shí)刻需要進(jìn)行的各種調(diào)整動(dòng)作。

其中，GM、GM1分別表示初始和卸貨后的縱穩(wěn)性高，GML、GML1分別表示平臺(tái)裝卸貨后的縱穩(wěn)性高；θ為縱傾角（θ＞0為艏傾，θ＜0為艉傾），φ為橫搖角（φ＞0為左傾，φ＜0為右傾）；d是原平臺(tái)平均吃水，d1是裝卸后的平臺(tái)平均吃水，δd是平均吃水增量，p表示負(fù)載的增加量，Δ是裝卸前的排水量，ρ是液體密度，ix、iy分別表示自由液面面積橫向、縱向慣性矩，x、y、z分別表示裝卸負(fù)載p的重心位置縱向、橫向、垂直坐標(biāo)，是漂心縱向坐標(biāo)［1］。

2　壓載水配載控制邏輯

壓載水穩(wěn)性的調(diào)節(jié)方式主要有注入和排出二種，當(dāng)注入壓載水時(shí)，壓載泵從平臺(tái)浮體的海底閥箱吸入海水，通過(guò)控制相關(guān)主管和支管上的閥門，把一定量的海水壓入到相應(yīng)的艙式；當(dāng)排出壓載水時(shí)，同樣通過(guò)控制管路上的相關(guān)閥門的開(kāi)關(guān)，把多余的壓載水通過(guò)壓載泵排出到集水井中；在壓載調(diào)節(jié)平衡的過(guò)程中，海水不可以自由地流動(dòng)，必須在壓載泵的工作下進(jìn)行流動(dòng)［3］。

深水鉆井平臺(tái)的穩(wěn)定性是通過(guò)壓載水的具體配載來(lái)決定的，使得平臺(tái)的穩(wěn)定性保持在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)鉆井平臺(tái)儲(chǔ)油不多時(shí)需要注入海水來(lái)調(diào)節(jié)平臺(tái)的穩(wěn)性與吃水深度；而當(dāng)鉆井平臺(tái)上儲(chǔ)油量達(dá)到一定量的時(shí)候需要排出海水來(lái)調(diào)節(jié)平臺(tái)穩(wěn)性與吃水深度［4］。壓載水的配載控制邏輯見(jiàn)表2與流程圖2。

其中φ表示橫搖角，θ表示縱傾角，φ0，φ1分別表示橫搖角的上限和下限，θ0，θ1分別表示縱傾角的上限和下限。其中φ0和θ0上限為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的是左傾和艉傾。φ1和θ1下限為正值則相反。

表2　壓載水配載表

以壓載水配載表中的第一種情況為例，將壓載水配載控制邏輯在PLC中使用梯形程序圖表現(xiàn)出來(lái)，如圖2所示，當(dāng)縱傾角在上下限范圍之間，表明平臺(tái)艏艉平衡，橫搖角大于下限說(shuō)明平臺(tái)右傾，需要向左艙注水，左艙的閥門C1_C17打開(kāi)，而右艙的C1_C17以及4個(gè)平衡艙P(yáng)1_P4的閥門關(guān)閉。

圖2　PLC邏輯控制程序圖

3　壓載系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)

目前工業(yè)控制系統(tǒng)向著大規(guī)模方向發(fā)展，導(dǎo)致其中的應(yīng)用軟件以及各種協(xié)議變得更加復(fù)雜，為了解決這一問(wèn)題，各大工業(yè)自動(dòng)化控制廠商合作研制出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)——OPC標(biāo)準(zhǔn)，緊接著支持OPC技術(shù)的各組態(tài)軟件應(yīng)運(yùn)而生，NI公司也在2006年推出支持OPC技術(shù)的LabVIEW 8.0DSC模塊［5］。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW具有組態(tài)軟件無(wú)法可比的編程靈活性，所以本文采用LabVIEW作為上位機(jī)監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

在OPC服務(wù)器的選擇上，選擇Kepware公司開(kāi)發(fā)的KEPServerEx，其擁有的工業(yè)互連通訊能力世界領(lǐng)先，其上嵌入了多種插件驅(qū)動(dòng)程序、組件和150多種通訊協(xié)議，能夠支持1000多種常見(jiàn)的設(shè)備，而且支持多種C/S技術(shù)規(guī)范［6］。同時(shí)KEPServerEXOPC服務(wù)器擁有快速客戶端、驅(qū)動(dòng)插件選擇安裝和快速配置界面，無(wú)論使用何種驅(qū)動(dòng)，是否擁有上位機(jī)客戶端，它都可以不間斷快速穩(wěn)定地采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制底層設(shè)備，支持串聯(lián)和以太網(wǎng)連接等一系列應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制系統(tǒng)［7］。

3.1KEPserVerEX與PLC的連接

深水鉆井平臺(tái)采用S7_300PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，組態(tài)CP343_1通信模塊通過(guò)RJ45插入工業(yè)以太網(wǎng)。KEPServerEX服務(wù)器安裝SiemensTCP/IPEthernet驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)查找網(wǎng)絡(luò)中PLC的IP地址與之進(jìn)行通信。Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動(dòng)程序是Kepware公司專門為西門子S7系列開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，以插件式結(jié)構(gòu)集成在服務(wù)器中供安裝和使用［7］。

CP343_1通信模塊是西門子S7系列的全雙工以太網(wǎng)通信處理器，可獨(dú)自處理數(shù)據(jù)通信，傳輸速率為10 Mbit/s或100 Mbit/s，擁有RJ45接口可建立快速的工業(yè)以太網(wǎng)鏈接。在使用HWConfig硬件組態(tài)過(guò)程中，要為CP343_1通信模塊分配IP地址，如192.168.2.16，該地址就是PLC在工業(yè)以太網(wǎng)中的通訊地址。而KEPServerEX服務(wù)器通過(guò)設(shè)置與PLC的IP地址相同實(shí)現(xiàn)與PLC的相連。

使用KEPServerEx創(chuàng)建OPC服務(wù)器步驟如下：1）打開(kāi)KEPServerEx軟件，點(diǎn)擊“新建”創(chuàng)建一個(gè)工程；2）點(diǎn)擊“New channe1”，選擇驅(qū)動(dòng)程序Siemens TCP/IP Ethernet類型，及設(shè)置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口等，建立一個(gè)通道；3）點(diǎn)擊“C1ick to add a device”，設(shè)置設(shè)備名稱，類型及設(shè)備ID等參數(shù)；4）設(shè)置項(xiàng)對(duì)象即具體參數(shù)的名稱，地址及數(shù)據(jù)類型等參數(shù)。以上4個(gè)步驟就完成了服務(wù)器對(duì)象，組對(duì)象，項(xiàng)對(duì)象的建立，再添加項(xiàng)對(duì)象的時(shí)候要將其地址與數(shù)據(jù)在PLC中的地址對(duì)應(yīng)起來(lái)，方便OPC與PLC相連，讀取PLC設(shè)備中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖3，4為KEPServerEx創(chuàng)建的OPC服務(wù)器以及相對(duì)應(yīng)PLC中的數(shù)據(jù)地址。

圖3　KEPServerEx創(chuàng)建的OPC服務(wù)器

圖4　PLC中數(shù)據(jù)的地址

3.2KEPserVerEX與上位機(jī)的通信

文中的數(shù)據(jù)通信采用Kepware技術(shù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方案：西門子S7_300PLC從現(xiàn)場(chǎng)層采集實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)；KEPServerEX冗余服務(wù)器組因?yàn)檠b有Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動(dòng)程序插件，所以可以讀取S7_300PLC存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)。上層LabVIEW作為上位機(jī)客戶端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)OPC接口驅(qū)動(dòng)對(duì)KEPServerEX服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)。在OPC服務(wù)器中添加完參數(shù)項(xiàng)對(duì)象（Tab）以后，將其與監(jiān)控面板上的相應(yīng)的元素進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，這樣從現(xiàn)場(chǎng)層到PLC中然后再上傳到OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)變化就可以實(shí)時(shí)的在監(jiān)控面板上顯示。

所有工作站和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)均安裝LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件作為應(yīng)用客戶端程序，通過(guò)OPC接口驅(qū)動(dòng)程序同網(wǎng)絡(luò)中的KEPServerEX服務(wù)器建立通訊，讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加工和處理供LabVIEW的其他功能使用，如報(bào)警模塊、人機(jī)界面、歷史數(shù)據(jù)打印等。

4　壓載系統(tǒng)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

在壓載子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了橫搖角、縱傾角、各個(gè)壓載艙壓載水情況、壓載泵的控制、各艙閥的開(kāi)關(guān)以及大小控制等；在完成靜態(tài)界面功能模塊設(shè)計(jì)后，根據(jù)上述進(jìn)行通訊設(shè)置，使得LabVIEW和OPC服務(wù)器相連，完成其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的綁定工作，再利用OPC與下位機(jī)PLC相連，實(shí)現(xiàn)壓載子系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

圖5為壓載系統(tǒng)監(jiān)控畫面，畫面中包含了鉆井平臺(tái)的縱傾角，橫搖角，各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)以及各個(gè)壓載艙中壓載水的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；壓載泵，閥門等的自動(dòng)與手動(dòng)的控制操作；另外在監(jiān)控界面的底部設(shè)計(jì)了曲線，報(bào)警記錄等的查詢按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)界面跳轉(zhuǎn)的功能。

5　結(jié)論

鉆井平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地進(jìn)行鉆井采油采氣作業(yè)，整個(gè)平臺(tái)具有系統(tǒng)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，而人員生命安全和生產(chǎn)作業(yè)安全是生產(chǎn)過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)，本文針對(duì)鉆井平臺(tái)上重要的壓載子系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用LabVIEW與KEPserverOPC服務(wù)器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)壓載系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

［1］苗華明，王殿龍，張軍，等.半潛式鉆井平臺(tái)壓載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究［C］//全國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨制造業(yè)自動(dòng)化、信息化技術(shù)研討會(huì)，2005.

［2］肖民，喬紅宇，姚壽廣.船舶壓載水系統(tǒng)的有限元仿真與監(jiān)控界面設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（8）：862_866.

［3］冷阿偉.半潛式鉆井平臺(tái)新型壓載系統(tǒng)［C］//中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)近海工程學(xué)術(shù)委員會(huì).2009年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）.

［4］喬紅宇，楊澤宇.船舶壓載水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)航海，2010（2）：23_26，30.

［5］何奇文.OPC技術(shù)在LabVIEW8.0 DSC模塊中的運(yùn)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006（22）：4389_4391.

［6］Yao Yachuan，Yao Yi，Song Hong.The remote monitoring system based on the OPC techno1ogy［C］//2009.Internation Workshop on Inte11igent Systems and App1ications，ISA 2009.

［7］崔曉明.應(yīng)用Kepware實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2012.

The deslgn of ballast monltorlng system based on LabVIEW

WEN Na，YANG Yi-fei
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Dri11ing p1atform works in deepwater away from 1and，the environment is harsh，and be effected by the wind，wave，f1ow，wi11 engender cross ro11，pitch，yaw，surge and other mu1ti degree of freedom of motion，so it is necessary to grasp whether the ba11ast subsystem works norma11y or not，which requires rea1-time acquisition and transmission the parameter of each 1iquid 1eve1 measurement sensors，draft conditions，horizonta1 and vertica1 ang1e，ba11ast water weight，state of ba11ast system piping，and carries on 1ogica1 judgment and contro1.

ba11ast subsystem；monitoring；OPC；LabVIEW