段平安 張海榮 沈月文

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司

2新疆油田公司勘探開發(fā)研究院

海洋采油平臺(tái)95%以上的人員和物料的轉(zhuǎn)運(yùn)需通過吊機(jī)來實(shí)現(xiàn)。海上吊機(jī)的設(shè)計(jì)壽命較長（25年左右），在役期間維修非常不便；另外，吊機(jī)使用的環(huán)境非常惡劣，吊裝系統(tǒng)的安全可靠性比陸地吊車的要求更高，因此在設(shè)計(jì)和建造時(shí)，需進(jìn)行深入分析研究，力爭(zhēng)打造出一款可靠性高、整體功能完善、控制操作方便且精密的高端海洋石油裝備[1]，滿足系列化、自動(dòng)化及信息化的要求[2]。在吊機(jī)的設(shè)計(jì)與制造過程中，在選材、元器件選用、系統(tǒng)功能、性能要求等方面須嚴(yán)格遵守API-2C《海洋平臺(tái)吊機(jī)規(guī)范》和船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范要求，尤其是電氣設(shè)備的選擇，要適合海洋采油平臺(tái)的鹽霧、防爆環(huán)境[3]。

1 吊機(jī)核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海洋采油平臺(tái)吊機(jī)是平臺(tái)與外界物資交換的橋梁[4]，其每天都要頻繁地起吊設(shè)備[5]，除需要承擔(dān)修井設(shè)備在其甲板就位、協(xié)助修井作業(yè)、協(xié)助平臺(tái)大型設(shè)備維修作業(yè)外，還擔(dān)負(fù)著船上供應(yīng)物品吊運(yùn)，如海洋平臺(tái)用材料、食品、燃料油、淡水加注等貨物吊運(yùn)，以及人員撤離平臺(tái)等工作[6]。

1.1 吊機(jī)系統(tǒng)組成

柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的采油平臺(tái)吊機(jī)的功能是在絞車的牽引下實(shí)現(xiàn)主、副鉤的升降運(yùn)動(dòng)，吊臂在一定角度范圍內(nèi)可變幅運(yùn)動(dòng)，吊機(jī)的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能360°無障礙地實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而確保在吊裝半徑的立體空間內(nèi)人、物的平穩(wěn)轉(zhuǎn)運(yùn)。

吊機(jī)主要由塔座、回轉(zhuǎn)臺(tái)、扒桿、鋼絲繩、駕駛室、吊臂、三角架、回轉(zhuǎn)平臺(tái)等組成[7]（圖1）。塔座（基座）安裝時(shí)需焊接到主甲板上的預(yù)留底座上，回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過回轉(zhuǎn)支撐與機(jī)座相連接，吊機(jī)原動(dòng)柴油機(jī)、電氣控制箱、起升絞車、回轉(zhuǎn)絞車、駕駛室等都安裝在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上。

圖1 吊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of crane

除機(jī)械構(gòu)件外，吊機(jī)的控制系統(tǒng)分為5大部分，包括動(dòng)力系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)為控制中樞，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和指揮其他4大系統(tǒng)的運(yùn)行。

動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)提供動(dòng)力，其包括柴油機(jī)、柴油箱、液壓油箱、液壓泵及彈性聯(lián)軸器等設(shè)備。柴油機(jī)的控制自成體系，使用原動(dòng)機(jī)廠家提供的就地盤和遠(yuǎn)控盤來實(shí)現(xiàn)控制功能，而狀態(tài)信號(hào)可通過RS485接入電控單元PLC控制系統(tǒng)，參與到整個(gè)系統(tǒng)的控制。

起升系統(tǒng)由起升絞車、行星減速齒輪箱、制動(dòng)器和液壓馬達(dá)組成；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支撐組成，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器通過小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐的嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)吊機(jī)的360°旋轉(zhuǎn)；變幅系統(tǒng)由變幅絞車、支架、行星減速齒輪箱、制動(dòng)器、液壓馬達(dá)組成。這三大系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)都應(yīng)用電液控制方法，通過電氣控制系統(tǒng)的PLC輸出電氣信號(hào)到電控液壓閥，驅(qū)動(dòng)絞車等運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)置安全保護(hù)裝置：主絞車設(shè)置上、下限位，副絞車設(shè)置上、下限位，變幅角度設(shè)置最大、最小限位。吊車在接近或達(dá)到相應(yīng)的保護(hù)位置或保護(hù)值時(shí)，電控系統(tǒng)能立即發(fā)出指令切斷動(dòng)力源，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

負(fù)載力矩儀進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和報(bào)警保護(hù)，持續(xù)監(jiān)測(cè)主鉤、副鉤和角度傳感器傳回來的信號(hào)，在負(fù)載達(dá)到90%進(jìn)行預(yù)報(bào)警，到達(dá)110%時(shí)直接發(fā)出停機(jī)信號(hào)到電控系統(tǒng)，并發(fā)出聲光報(bào)警。

1.2 電氣控制系統(tǒng)功能分析

電氣控制系統(tǒng)的功能可分為核心控制功能和輔助控制功能兩部分（圖2）。核心控制功能又可分為液壓系統(tǒng)控制、柴油機(jī)系統(tǒng)控制、安全保護(hù)三部分功能；而輔助控制功能包括輔助駕駛功能、照明及警示功能、通風(fēng)功能、輔助加熱功能等。

液壓系統(tǒng)控制及監(jiān)測(cè)需要通過電氣系統(tǒng)控制液壓回路上的電磁閥實(shí)現(xiàn)主鉤、副鉤、變副的升降、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和碟剎的驅(qū)動(dòng)，以及配置液位、壓力、溫度開關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油油位、溫度、液壓油管路的過濾器濾差，提供報(bào)警和關(guān)斷保護(hù)。

圖2 電氣控制系統(tǒng)功能Fig.2 Function of electrical control system

柴油機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于柴油機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)和與柴油機(jī)的接口界面設(shè)計(jì)，完善蓄電池啟動(dòng)系統(tǒng)，將柴油機(jī)各項(xiàng)保護(hù)停機(jī)警示傳輸?shù)絇LC，最終顯示在駕駛室的報(bào)警面板上給駕駛員以提示，另外還需給柴油機(jī)提供柴油液位的監(jiān)測(cè)和輔助加熱等功能。

安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)主鉤、副鉤、變幅限位裝置，在限位開關(guān)動(dòng)作或超載后，前端保護(hù)就發(fā)生作用，停止吊機(jī)的繼續(xù)動(dòng)作，從而將吊機(jī)的動(dòng)作范圍控制在安全合理的范圍內(nèi)。要在一次保護(hù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出后備保護(hù)，以便在一次保護(hù)失效的情況下有效地進(jìn)行二次保護(hù)，同時(shí)為防止極端和意外情況出現(xiàn)，還需設(shè)計(jì)緊急停車按鈕。

輔助控制功能主要用于改善使用者的環(huán)境，向其提供清潔視野、風(fēng)速提示、良好照明、空調(diào)及通風(fēng)，以及航空警示等。

1.3 電氣控制設(shè)備布置思路

遵從分布式控制系統(tǒng)的原則，將檢測(cè)元器件、執(zhí)行元器件在現(xiàn)場(chǎng)分散布置，控制系統(tǒng)集中設(shè)置，控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)宜集中設(shè)置在駕駛室內(nèi)[8]。若全部功能通過普通繼電器電路實(shí)現(xiàn)，元件較多，線路很復(fù)雜，電氣控制箱將很大，受限于海上平臺(tái)較小的操作空間，駕駛室不可能很大，因此可選擇使用可編程邏輯器進(jìn)行集中控制。將所有的操作開關(guān)、狀態(tài)指示集中布置于駕駛室的前部操作手柄旁，其與飛機(jī)的操作盤面類似。為提高可靠性，所有的電驅(qū)液控閥也布置在駕駛室。

選擇PLC進(jìn)行集中控制，具有以下特點(diǎn)：①編程比較簡(jiǎn)單，使用方便；②控制靈活，程序修改方便，具有很好的柔性；③邏輯都是通過程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的工作量少，維修方便，PLC的可靠性也比繼電器電路高，抗干擾能力強(qiáng)；④響應(yīng)速度快，應(yīng)用廣泛[9]。在整個(gè)控制系統(tǒng)需要更多的監(jiān)控點(diǎn)和報(bào)警點(diǎn)時(shí)，功能擴(kuò)展非常方便，性價(jià)比高，因此選擇通過PLC進(jìn)行所有信號(hào)的集中控制。選用與PLC配套的液晶屏，通過組態(tài)將狀態(tài)信號(hào)、報(bào)警信息顯示在面板上，并實(shí)現(xiàn)故障記錄存儲(chǔ)和查詢。駕駛室內(nèi)的電氣設(shè)備布置見圖3。

圖3 駕駛室電氣設(shè)備布置Fig.3 Electrical equipment layout of cabin

2 PLC控制系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

2.1 I/O統(tǒng)計(jì)及選件

首先根據(jù)功能需求和設(shè)計(jì)思路，列出I/O點(diǎn)清單，圖4、圖5為部分輸入、輸出點(diǎn)的列表清單，可根據(jù)功能的調(diào)整進(jìn)行相應(yīng)的增減。

圖4 數(shù)字量輸入點(diǎn)Fig.4 Input points of digital quantity

參考廠家的選型手冊(cè)，根據(jù)數(shù)字量、模擬量I/O點(diǎn)數(shù)、速度要求、存儲(chǔ)容量選擇合適的PLC品牌。根據(jù)輸入、輸出點(diǎn)的數(shù)量，選擇CPU的型號(hào)和數(shù)字模擬量等其他擴(kuò)展模塊，進(jìn)行連接組裝（圖6），具體選擇的模塊型號(hào)、數(shù)量和注意事項(xiàng)參考產(chǎn)品選型手冊(cè)，不再敷述。

2.2 核心邏輯設(shè)計(jì)及編程

控制邏輯是PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和精髓，根據(jù)吊機(jī)功能分析和核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整理出內(nèi)在的邏輯并編程，其中核心控制功能的邏輯有3個(gè)。

吊臂變幅邏輯：

（1）當(dāng)變幅處在極限上限位、超載或者液壓油過低油位三種情況之一時(shí)禁止回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（2）在液壓油過低液位情況下變幅禁止運(yùn)動(dòng)。

（3）當(dāng)變幅處在極限上限位、變幅上限位和力矩儀檢測(cè)的變幅上限位時(shí)變幅禁止上升。

（4）當(dāng)變幅處在下限位、力矩儀變幅在下限位、主鉤的重錘上限位觸發(fā)、超載信號(hào)發(fā)生時(shí)變幅禁止下降。

（5）當(dāng)變幅到達(dá)一定的角度后，變幅的提升速度需要降低，以防止過快造成事故。

圖5 數(shù)字量輸出點(diǎn)Fig.5 Output points of digital quantity

圖6 可編程控制器CPU及擴(kuò)展單元示意圖Fig.6 Schematic diagram of programmable controller CPU and extension unit

副鉤邏輯：

（1）當(dāng)液壓油液位低、或者回轉(zhuǎn)鎖定、或者吊鉤選擇主鉤時(shí)副鉤禁止動(dòng)作。

（2）當(dāng)超載以后、副絞車開閘指示開關(guān)無反饋、副鉤重錘位于上限位時(shí)副鉤禁止上升。

（3）當(dāng)超載以后、副絞車剎車開閘指示開關(guān)無反饋、副鉤位于下限位時(shí)副鉤禁止下降。

主鉤邏輯：

（1）當(dāng)液壓油液位低或者吊鉤選擇副鉤時(shí)主鉤禁止動(dòng)作。

（2）當(dāng)主鉤重錘上限位觸發(fā)、或者超載時(shí)主鉤禁止上升。

（3）當(dāng)主鉤位于下限位時(shí)主鉤禁止下降。

典型程序：

選用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，根據(jù)以上的核心邏輯分析，編制核心控制回路圖，并將其轉(zhuǎn)換為PLC程序，典型的程序見圖7。

圖7 變幅邏輯編程Fig.Amplitude logic programming

2.3 電路設(shè)計(jì)

通過計(jì)算，控制回路、空調(diào)、加熱器、照明等全部負(fù)荷約15 kW。電力由平臺(tái)給出，通過電纜接到帶碳刷的電滑環(huán)（又稱中心集電器）上，電滑環(huán)內(nèi)外接觸頭隨吊機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸良好，保證吊機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)電力的傳輸不中斷，電力從滑環(huán)引出后，通過配電箱分配到各控制回路和小負(fù)荷。主回路有照明回路、加熱伴熱回路、24 V控制電源回路、蓄電池充電回路、空調(diào)抽風(fēng)機(jī)回路、插座回路等，PLC、力矩儀、PLC輸入電源、顯示屏電源都由24 V控制回路電源提供，且冗余布置兩組，一備一用。三角架和吊臂障礙燈的電源亦通過電滑環(huán)進(jìn)行傳輸，由平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)提供，以摩爾斯代碼“U”及循環(huán)周期為15 s的方式對(duì)過往飛機(jī)發(fā)出航空警示信息。

開關(guān)量信號(hào)直接接入各數(shù)字量輸入模塊，PLC數(shù)字量輸出通過中間繼電器再去控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，典型PLC接線示意圖見圖8。

2.4 電氣設(shè)備選擇

圖8 典型PLC接線圖Fig.8 Typical PLC wiring diagram

本系統(tǒng)PLC選用的類型包括歐姆龍、三菱、西門子、AB等品牌，應(yīng)充分考慮平臺(tái)其他設(shè)備控制系統(tǒng)所采用的PLC類型，盡量保持統(tǒng)一。除了PLC本身外，還需要選擇大量的旋鈕、限位開關(guān)、電驅(qū)液控閥等，考慮到海洋環(huán)境（如濕度、鹽霧等）對(duì)防爆電氣設(shè)備的影響[10]，防護(hù)等級(jí)要求非常高，室內(nèi)最少IP44，室外需要IP56以上，參照平臺(tái)的防爆區(qū)域劃分圖[11]，吊臂一般處于頂甲板一級(jí)二類危險(xiǎn)區(qū)，因此布置的電氣設(shè)備要求防爆等級(jí)至少達(dá)到ExdllBT4。所有連接電纜選型均為HOFR型，要求阻燃、低煙、無鹵無毒。所有電氣設(shè)備按照規(guī)范要求可靠接地。

3 結(jié)束語

集中電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)較好地滿足了吊機(jī)控制系統(tǒng)模塊化、自動(dòng)化、信息化和易拓展的海洋石油裝備發(fā)展要求，非常合適在狹小的海洋平臺(tái)上使用。

該設(shè)計(jì)還預(yù)留有接口，可將所有的狀態(tài)信號(hào)傳輸給采油平臺(tái)中央控制系統(tǒng)，從而對(duì)吊機(jī)操作實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了油氣田智能化裝備管理水平。

該設(shè)計(jì)極大地提高了吊機(jī)使用的安全性和可靠性，確保了海洋關(guān)鍵設(shè)備的使用安全和人身安全。

該設(shè)計(jì)采用通用的PLC模塊，不僅可以和平臺(tái)上諸如中央空調(diào)的控制系統(tǒng)共享備件，而且能節(jié)省有限的備件存儲(chǔ)空間。