海洋平臺(tái)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

姜春起，金玉臣，高連燁，穆勝軍，許海東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置包含現(xiàn)場設(shè)備(傳感器及信號(hào)采集模塊等)、主數(shù)據(jù)采集箱、上位機(jī)站等3大部分。監(jiān)測平臺(tái)插樁深度數(shù)據(jù)、平臺(tái)水平狀態(tài)、平臺(tái)站立時(shí)氣隙,以及與井口之間距離的變化[1]。在平臺(tái)進(jìn)行拖航、插拔樁、鉆修井,以及采油等重大作業(yè)時(shí)，給作業(yè)人員提供重要的參考依據(jù)，保障平臺(tái)的安全。將現(xiàn)場設(shè)備(傳感器及信號(hào)采集模塊等)采集數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至主數(shù)據(jù)采集箱進(jìn)行處理，再由中控計(jì)算機(jī)以人機(jī)界面的形式呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測[2]。平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置系統(tǒng)見圖1。

圖1 平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置系統(tǒng)示意圖

1 系統(tǒng)組成

1.1 主數(shù)據(jù)采集箱

主數(shù)據(jù)采集箱材質(zhì)為厚2 mm冷軋鋼板，外形尺寸為高×寬×深=650×550×220 mm,防護(hù)等級(jí)IP44，盤內(nèi)安裝S7-1200 PLC組件，采集處理現(xiàn)場設(shè)備輸出信號(hào)如下。

4個(gè)樁腿的升降高度信號(hào)；

平臺(tái)四角吃水信號(hào)；

海水測深信號(hào)；

氣隙傳感器輸出信號(hào)；

雙傾角傳感器輸出信號(hào)；

組合測距儀測距信號(hào)；

內(nèi)置以太網(wǎng)交換機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)；

提供220 V工作電源至組合測距儀現(xiàn)場接線箱。

1.2 從數(shù)據(jù)采集器

從數(shù)據(jù)采集器1#用于采集樁腿升降信號(hào)，主要包含4塊脈沖信號(hào)分配模塊，該模塊將原系統(tǒng)升降信號(hào)一分為二，輸入輸出通道互相隔離，分別供原升降控制系統(tǒng)及平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置進(jìn)行采集處理。脈沖信號(hào)分配模塊分別安裝在4個(gè)樁腿的控制柜內(nèi)，其主要參數(shù)見表1。

表1 從數(shù)據(jù)采集器1#參數(shù)表

從數(shù)據(jù)采集器2#用于采集平臺(tái)四角吃水信號(hào)，平臺(tái)原有吃水傳感器接入從數(shù)據(jù)采集器2#，其輸出信號(hào)接入原液位遙測系統(tǒng)，并通過Modbus-RTU協(xié)議與狀態(tài)監(jiān)測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接線簡圖見圖2。

圖2 從數(shù)據(jù)采集器2#接線簡圖

從數(shù)據(jù)采集器2#采集儀表主要參數(shù)如下。

供電電壓：24 V DC；

功耗：≤4 W；

輸入/輸出通道：4路/4路；

輸入/輸出信號(hào)：4～20 mA/4～20 mA；

輸出允許負(fù)載：≤400 Ω；

測量精度：0.2%FS；

通訊方式：Modbus-RTU；

安裝方式：面板嵌入式。

1.3 海水測深儀

系統(tǒng)配置2臺(tái)DS2008型海水測深儀，用于測量平臺(tái)所在位置的海水深度，該型測深儀通過換能器發(fā)射并接收反射超聲波，根據(jù)聲波在海水中的傳播速度以及往返時(shí)間，計(jì)算出海底或水中目標(biāo)距離換能器表面的距離，以圖像和文字形式進(jìn)行顯示[3]。

測深儀包含測深主機(jī)及測深換能器，2臺(tái)測深主機(jī)放置于中控室內(nèi)，2個(gè)測深換能器分別安裝于左、右舷舷邊支架上,見圖3。

圖3 測深儀

1.4 氣隙傳感器

氣隙傳感器用于測量平臺(tái)作業(yè)時(shí)的氣隙值，該傳感器通過天線系統(tǒng)發(fā)射極短的微波脈沖到被測介質(zhì)上，被介質(zhì)表面反射并被天線系統(tǒng)重新接收，根據(jù)傳播速度及運(yùn)行時(shí)間計(jì)算傳感器與被測介質(zhì)的距離。氣隙傳感器安裝于飛機(jī)平臺(tái)下部工作平臺(tái)，安裝位置距船體底部為16.4 m，見圖4,氣隙值h2=H(測量值)-h1(安裝高度)。

表2 從數(shù)據(jù)采集器2#參數(shù)表

圖4 氣隙傳感器

1.5 組合測距儀

組合測距儀兼具激光測距、萬向云臺(tái)及視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，主要用于測量平臺(tái)與目標(biāo)設(shè)施的相對(duì)距離，同時(shí)輔以視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)設(shè)施狀態(tài)[4]。

系統(tǒng)配置兩臺(tái)組合測距儀，分別在左舷、船艉及右舷側(cè)分別設(shè)置3個(gè)安裝底座，根據(jù)不同靠泊方向，可以選擇兩臺(tái)測距儀的最佳安裝位置。組合測距儀接線采用快速航空插頭連接，便于拆裝移位。

組合測距儀采用隔爆型防爆型式，適用于部分安裝位置所處的II類防爆區(qū)域，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 組合測距儀相關(guān)參數(shù)

1.6 雙傾角傳感器

雙傾角傳感器用于測量平臺(tái)在X軸和Y軸方向上的傾斜角度，傳感器配置1臺(tái)可進(jìn)行水平調(diào)整底座，安裝于主數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)，如圖5所示。

圖5 雙傾角傳感器安裝示意

1.7 上位機(jī)工作站

上位機(jī)工作站位于平臺(tái)中控室，主要包含主控計(jì)算機(jī)、測深儀主機(jī)及通訊接線箱。主控計(jì)算機(jī)內(nèi)置平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置系統(tǒng)人機(jī)界面，用于顯示平臺(tái)狀態(tài)參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，測深儀主機(jī)用于進(jìn)行測深參數(shù)調(diào)節(jié)，獲得最佳海水深度數(shù)據(jù)；通訊接線箱內(nèi)置通訊模塊，完成下位控制PLC與上位機(jī)人機(jī)界面、測深儀主機(jī)等的數(shù)據(jù)交換[5]。

2 硬件安裝

2.1 上位機(jī)安裝

1)安裝控制主機(jī)，控制主機(jī)包含主機(jī)箱和1臺(tái)24″顯示器，主機(jī)置放于中控臺(tái)內(nèi)，顯示器擺放于中控臺(tái)上。

2)安裝通訊接線盒，置于中控臺(tái)內(nèi)靠近主機(jī)位置。

3)安裝布置兩臺(tái)測深儀主機(jī)，靠近升降操作臺(tái)位置。

2.2 在平臺(tái)變壓器間安裝主數(shù)據(jù)采集箱

1)在變壓器間地板開孔并焊接安裝MCT框架；開孔尺寸為L×W=210 mm×140mm，開孔位置在主數(shù)據(jù)采集箱底座正中的地板。

2)在地板焊接安裝主數(shù)據(jù)采集箱底座，對(duì)焊接和開孔部位打磨刷漆。

3)安裝固定主數(shù)據(jù)采集箱；采集箱及底座的總體尺寸為H×W×D=1 250 mm×550 mm×220 mm。

4)系統(tǒng)電纜穿MCT及電纜戈蘭進(jìn)入主數(shù)據(jù)采集箱并接線。

5)如下圖平臺(tái)變壓器間安裝位置及主數(shù)據(jù)采集箱及底座。

2.3 平臺(tái)下方工作走道位置安裝氣隙傳感器

1)確定安裝位置，焊接氣隙傳感器安裝支架，焊接部位打磨刷漆，見圖6。

圖6 氣隙傳感器及船艏安裝位置

2)安裝氣隙傳感器，敷設(shè)電纜并接線。

2.4 安裝2臺(tái)組合激光測距儀

1)確定安裝位置，分別左舷舷邊立柱、右舷燃料橇底座和船艉主甲板計(jì)量罐側(cè)壁各焊接一個(gè)組合測距儀安裝支架；焊接完畢，動(dòng)焊部位打磨刷漆。

2)在上述3個(gè)安裝位置各安裝1個(gè)接線箱。

3)分別鋪設(shè)控制及信號(hào)電纜至3處安裝支架處。

4)安裝兩臺(tái)組合激光測距儀。

5)見圖7，左舷、右舷及船艉處安裝位置及組合測距儀。

圖7 左舷右舷及船艉安裝位置

2.5 分別在左右舷側(cè)甲板安裝兩臺(tái)測深聲納

1)分別在兩舷邊確定安裝位置，沿側(cè)甲板搭建腳手架,安裝位置(見圖8)，距船艉約35 m處，2道橡膠護(hù)舷之間：

圖8 測深聲納安裝位置

2)利用腳手架拆卸護(hù)舷緊固螺絲，數(shù)量4個(gè)，護(hù)舷緊固結(jié)構(gòu)及布置見圖9。

圖9 護(hù)舷緊固結(jié)構(gòu)

3)利用平臺(tái)吊車將支架吊至安裝位置并就位，利用護(hù)舷螺絲緊固，支架分為上下2段，2段均就位后穿接螺栓并緊固，連接螺栓的數(shù)量及規(guī)格為8×M8,換能器支架及安裝示意于圖10、11。

圖10 聲吶換能器安裝支架

圖11 換能器支架安裝示意

3 人機(jī)界面

3.1 主界面

通過主界面可以對(duì)平臺(tái)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)主界面見圖12。

圖12 平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置主界面

在該界面可以直觀的了解到樁腿升降參數(shù)、海水深度、平臺(tái)氣隙值、傾斜角度值、實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻等重要內(nèi)容，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證平臺(tái)安全。[6]

3.2 參數(shù)設(shè)置

通過參數(shù)設(shè)置界面可以對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定及系統(tǒng)計(jì)算基本數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，界面見圖13。

圖13 平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測裝置參數(shù)設(shè)置界面

在參數(shù)設(shè)置界面，可以對(duì)樁腿位置、四角吃水、報(bào)警值等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。

3.3 趨勢曲線

趨勢曲線界面顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，可以根據(jù)日期、時(shí)間等調(diào)用歷史趨勢曲線，趨勢數(shù)據(jù)包含艉部激光測距數(shù)據(jù)、右舷機(jī)關(guān)測距數(shù)據(jù)及左舷激光測距數(shù)據(jù)[7]，見圖14。

圖14 參數(shù)變化趨勢

3.4 故障和報(bào)警的歷史記錄

系統(tǒng)可以保存報(bào)警記錄，所有在運(yùn)行過程中產(chǎn)生故障或報(bào)警均可以回溯查看。

4 系統(tǒng)維護(hù)及保養(yǎng)

系統(tǒng)的維護(hù)主要取決于現(xiàn)場工況的惡劣程度、系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等因素。操作人員需要在使用的過程中不斷的熟悉和了解設(shè)備的實(shí)際狀況，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更有效的維護(hù)和保養(yǎng)。

系統(tǒng)滿足長期持續(xù)運(yùn)行和最小維護(hù)量的使用需求，但為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能最大程度的可靠性，使用人員應(yīng)該堅(jiān)持進(jìn)行周期性維護(hù)保養(yǎng)工作。

5 結(jié)論

在人工計(jì)算測量樁靴入泥深度，平臺(tái)站立時(shí)氣隙高度及井口平臺(tái)與海洋石油平臺(tái)距離測量的基礎(chǔ)上，通過增加狀態(tài)監(jiān)測裝置，能夠連續(xù)自動(dòng)測量多項(xiàng)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，預(yù)警等功能，幫助操作人員了解現(xiàn)場情況。

在大部分海況下，都能測出平臺(tái)狀態(tài)，操樁人員可參考裝置的數(shù)值對(duì)平臺(tái)進(jìn)行操作。但是平臺(tái)站立后，無法測量海水深度，僅能通過潮汐表，補(bǔ)償海水深度值，對(duì)整體測量會(huì)造成誤差。