海上LNG 軟管輸送與轉駁裝置控制系統(tǒng)設計

蒙學昊，邵彥山，周 毅，夏華波，吳 昊

(1. 中海油能源發(fā)展采油服務公司 天津 300457；2. 連云港杰瑞自動化有限公司 江蘇連云港 222000)

海上LNG 軟管輸送與轉駁裝置用于實現(xiàn)船與船之間LNG 貨物的輸送與轉駁，隨著我國能源結構調整優(yōu)化與改革深化，海上LNG 產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷發(fā)展壯大，LNG 軟管輸送與轉駁裝置已不可避免地成為影響海上LNG 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展壯大的重要一環(huán)[1-3]。

針對我國南海惡劣的海況條件，常規(guī)海上LNG軟管輸送與轉駁裝置已無法滿足裝卸作業(yè)條件的技術要求和不同船舶、不同海況下的作業(yè)條件，根據(jù)海上LNG 輸送與轉駁安全的需求，構建基于冗余控制器、冗余網(wǎng)絡、冗余IO、冗余傳感器四重冗余的控制系統(tǒng)，保證了海上LNG 軟管輸送與轉駁裝置在緊急時刻拉斷的及時性和準確性，并提高了加注安全性。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

LNG 輸送與轉駁裝置主要由船船快速連接/分離裝置(QC/DC)、主動緊急脫離裝置(ERS)、軟管鞍座及防墜落系統(tǒng)、液壓動力單元(HPU)、LNG 復合軟管、Y 形三通接頭、船船位置檢測裝置(VSD)與系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)等組成[4]，如圖1 所示。

圖1 LNG輸送與轉駁裝置組成Fig.1 Composition of LNG transportation and transfer device

1.2 系統(tǒng)要求

對海上LNG 軟管輸送與轉駁裝置控制系統(tǒng)有如下要求：①船船位置檢測，實時檢測加注船與受注船的距離，具備安全工作區(qū)、一級報警區(qū)(ESD1)和緊急脫離區(qū)(ESD2)三級位置實時精確檢測能力(表1)；②緊急脫切斷與脫離，保證在緊急時刻實現(xiàn)LNG 軟管的緊急切斷、緊急脫離，提高加注安全性；③IAS通信，與船舶自動化系統(tǒng)實時通信。

表1 ESD動作表Tab.1 ESD action table

2 硬件系統(tǒng)設計

LNG 軟管輸送裝置控制系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表、PLC控制柜、操作面板、報警面板等部分構成。當控制系統(tǒng)接收到ESD 信號或操作人員按下緊急按鈕時，控制液壓缸驅動實現(xiàn)軟管的緊急切斷與緊急脫離，同時進行聲光報警，LNG 控制系統(tǒng)架構如圖2 所示。

圖2 LNG控制系統(tǒng)總體設計Fig.2 Overall design of LNG control system

2.1 船船位置檢測

船船位置檢測采用硬線連接與激光雷達兩種方式精確獲得船船距離信息，并在船頭、船尾冗余配置，實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下識別超出包絡線范圍和啟動預報警、ESD1、ESD2 的功能。包絡線信號邏輯表如表2 所示。

表2 包絡線信號邏輯表Tab.2 Envelope signal logic table

2.2 PLC控制柜

PLC 控制柜安裝在機房中，位于安全區(qū)域，用于實現(xiàn)ESD1 控制、ESD2 控制、人機界面、船舶自動化系統(tǒng)IAS 通信、液壓單元的控制；操作面板安裝在操作間，位于安全區(qū)域，具有ESD1、ESD2 操作與指示功能；報警面板安裝在作業(yè)現(xiàn)場，位于危險區(qū)域，具有防爆控制箱、防爆報警笛、防爆預報警報警燈、防爆ESD1 報警燈、防爆ESD2 報警燈、防爆ESD 按鈕，用于預報警，ESD1、ESD2 的報警顯示及操作。

2.2.1 控制器方案

控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測、分散控制”的思想，為確保LNG 軟管輸送與轉駁裝置的數(shù)據(jù)安全傳輸、高運行可靠性及不停機維護，采用西門子400 冗余PLC，具有控制器冗余、網(wǎng)絡冗余、IO 冗余三重冗余保護[5]，具體配置如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件配置Fig.3 Hardware configuration of control system

通過冗余組件實現(xiàn)故障時的系統(tǒng)可靠性。每個冗余節(jié)點可視為獨立的部分，當節(jié)點內部的某個組件發(fā)生故障時并不會導致其他節(jié)點或整個系統(tǒng)的可靠性受到限制。可使用塊圖簡單地說明整個系統(tǒng)的可用性。對于2 選1 系統(tǒng)，冗余節(jié)點的一個組件發(fā)生故障時不會削弱整個系統(tǒng)的可操作性，冗余節(jié)點鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)決定了整個系統(tǒng)的可用性。

2.2.2 操作臺面板設計

操作面板安裝在操作間，位于安全區(qū)域，包含PLC 控制系統(tǒng)的所有功能命令。由不銹鋼單開門防護柜、防爆接線箱、防爆顯示屏、聲光報警器、主令電器、指示燈等器件構成。操作面板如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件配置Fig.4 Hardware configuration of control system

安裝于操作面板的報警器能夠發(fā)出不同間歇頻率的蜂鳴聲音。出現(xiàn)預報警、緊急切斷、緊急脫離等警報時，蜂鳴器發(fā)出不同頻率的急促鳴響。操作盤上的指示燈包括狀態(tài)指示燈、緊急切斷/緊急脫離指示燈、維護狀態(tài)指示燈、電氣/液壓故障指示燈、泵1/2運行指示燈、報警指示燈、設備選定指示燈、緊急脫離接頭閥門開/關指示燈等。

主令電器包括：緊急切斷急停按鈕、緊急脫離急停按鈕、急停復位鑰匙旋鈕、報警確認按鈕、警笛消音按鈕、泵啟/停按鈕、泵機選擇旋鈕、控制電源開關、就地盤/遙控器旋鈕、設備選擇旋鈕、緊急脫離接頭球閥開/關按鈕等。

2.2.3 人機界面

采用西門子WINCC 組態(tài)軟件，實時監(jiān)控加注過程、船船位置、液壓單元、緊急脫離等單元狀態(tài)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、報警提示、歷史查詢等功能。

2.2.4 通信方案

PLC 與人機界面采用以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，與船舶自動化系統(tǒng)IAS 采用MODBUS RTU 和硬線2 種形式實現(xiàn)通信，通過MODBUS RTU 總線和硬線開關量2 種信號形式進行通信。采用MODBUS RTU總線時，船舶自動化系統(tǒng)IAS 為主站，LNG 軟管輸送控制系統(tǒng)為從站，實現(xiàn)了船舶自動化系統(tǒng)IAS 對LNG軟管輸送控制系統(tǒng)的監(jiān)控與集成。輸送控制系統(tǒng)與IAS 系統(tǒng)通信信號如表3 所示。

表3 IAS通信列表Tab.3 IAS communication list

3 軟件系統(tǒng)設計

根據(jù)作業(yè)需求和系統(tǒng)要求，軟件的主要流程如圖5 所示。主要由通用動作、液壓單元控制、ESD 控制、系統(tǒng)故障診斷、液壓單元控制、MODBUS RTU 等部分組成。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

液壓動力單元(HPU)用作LNG 輸送與轉駁裝置動力供給，它通過外部的管路系統(tǒng)與數(shù)個液壓油缸相連以控制多組閥門動作，采用雙泵并聯(lián)設計、蓄能器冗余設計。當檢測到有液壓動作或蓄能器壓力低于設定下限時，自動啟動液壓電機為系統(tǒng)提供動力；當無任何動作時，自動停止液壓電機，節(jié)省能源。液壓單元控制流程如圖6 所示。

圖6 液壓單元控制流程Fig.6 Control flow of hydraulic unit

ESD1、ESD2 的控制流程如圖7 所示，PLC 根據(jù)表2 包絡線信號邏輯表中的邏輯進行ESD 信號檢測，當檢測到相應的ESD 信號時，按照表1 所示ESD 動作表進行相應的動作。

圖7 ESD控制流程Fig.7 ESD control flow

4 功能試驗

①PLC 冗余控制器切換過程試驗：人為設置主控制器故障，控制系統(tǒng)切換過程無錯亂、監(jiān)控信號自動保持切換時實際狀態(tài)，切換后系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)無丟失。

②報警區(qū)域試驗：在維護超馳狀態(tài)下，模擬船船距離分別依次越過預報警、一級報警、二級報警包絡線，檢驗維護超馳狀態(tài)下船船允許運動區(qū)域和區(qū)域報警的觸發(fā)功能，并利用PLC 監(jiān)控軟件記錄各個包絡范圍的值。

③液壓系統(tǒng)功能試驗測試：分別設置泵1 故障、泵2 故障，液壓系統(tǒng)正常切換冗余泵或蓄能器，保證系統(tǒng)動力供給，切換過程油缸動作無明顯卡頓。

④整機ERS 低溫緊急脫離試驗(人工觸發(fā))：人工觸發(fā)緊急脫離程序，連續(xù)聲光報警啟動，緊急脫離油缸驅動下球閥在5 s 內關閉，抱箍在下球閥關閉后2 s 激活，抱箍激活后，液壓回撤功能啟動；各性能指標與動作功能符合要求。

⑤整機ERS 低溫緊急脫離試驗(模擬自動)：模擬船船距離分別依次越過預報警、一級報警、二級報警包絡線，觸發(fā)緊急脫離程序，連續(xù)聲光報警啟動，緊急脫離油缸驅動下球閥在5 s 內關閉，抱箍在下球閥關閉后2 s 激活，抱箍激活后，液壓回撤功能啟動；各性能指標與動作功能符合要求。

通過一系列單機試驗及系統(tǒng)聯(lián)調試驗測試，驗證了海上LNG 軟管輸送與轉駁裝置控制系統(tǒng)各性能指標與動作功能，試驗過程和結果符合試驗大綱和行業(yè)標準SY/T 6986.1—2014 的要求[6]，各項性能指標與動作功能均符合要求。

5 結 語

試驗及實際應用結果表明采用基于冗余PLC 控制的海上LNG 軟管輸送與轉駁裝置控制系統(tǒng)滿足海上LNG 軟管輸送裝置全程安全輸送需求，能夠保證緊急拉斷的及時性和準確性，并能夠提高加注安全性。但針對不同目標船型和作業(yè)海況，在各種不同的船船漂離速度、晃動、高差工況下如何確定最優(yōu)的安全工作區(qū)、一級報警區(qū)和緊急脫離區(qū)范圍，仍有待進行更深入的研究。■