钻井船阀门遥控系统设计

郭晓波，许亮亮，张海龙

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

钻井船阀门遥控系统设计

郭晓波，许亮亮，张海龙

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

阀门遥控系统是由控制台利用液、气、电作为动力对阀门的开启、关闭进行远距离集中控制，同时可以监测到各个阀的运行情况。首先介绍了遥控阀的类型，再通过两种常见的控制方案阐述了阀门遥控系统的控制原理，最后以上海中远船务工程有限公司在建钻井船项目为例，详细讲述了电液动式阀门遥控系统的设计方法。

阀门遥控系统；控制方案；电液动式阀门

0 引言

阀门遥控系统是由控制台利用液、气、电作为动力对阀门的开启、关闭进行远距离集中控制，同时可以监测到各个阀的运行情况。一般阀门遥控装置包括中央控制站、控制柜、液压站、液压管线、现场阀体和执行机构（注：只有选用液压式遥控阀时，才包含液压站和液压管线）。在中央控制站或控制柜处通过监测装置或者计算机发出动作指令，由安装在现场的执行机构来执行，同时将位置信号反馈至控制柜和中央控制站，从中控制系统可以方便快捷地控制远程阀门并实时了解阀门的开闭状态［1］。

1 遥控阀的类型

根据遥控阀的驱动方式可以分为电动、气动、液动、电液动四种基本类型［2，3］。电动遥控阀是以交流或直流电作为动力来源，通过控制台上的开关控制电机的正反转从而控制阀门的开、闭；气动遥控阀是以气源压力作为动力，通过控制台上的开关通过控制对应开闭阀气管上的电磁阀换向，由气压驱动器驱动阀门进行开、闭；液动遥控阀是由液压泵站提供动力源，通过控制台上的开关控制对应的开、关阀管路上的电磁阀换向，由液压驱动器驱动阀门进行开、闭；电液动遥控阀是以液压为动力，通过控制柜控制电液式驱动电机正反转，使驱动器液压泵将正向或者反向的液压动力提供给开、闭油路进行阀的开、闭。

根据阀的功能又可分为双作用阀和单作用阀。需要失电后保持开关状态不变时选用双作用阀，需要失电后关闭或者失电后打开时，选用单作用阀。阀门选择要满足规范要求和船东要求，如压载系统的遥控阀，要求当失去控制电源和压力时，遥控阀必须为关闭状态或导向关闭，所以只能选择单作用阀。

根据阀的开闭程度又可以将阀分为两种，一种是开关阀，其控制及反馈信号为数字量；一种是调节阀，其控制信号和反馈信号为模拟量。

2 阀门遥控系统的控制原理

阀门遥控系统是可以通过远程监测并控制阀门开闭的系统。阀门遥控系统可以作为一个独立的系统，有单独的设备供应商提供整套控制系统，并与中央集成控制系统进行数据传输，实现远程遥控功能；也可以集成到中央控制系统中，成为中控系统的一个子系统，由中控系统提供完整的系统［4］。无论采取独立系统还是集成为中控系统的子系统，阀门遥控系统的控制原理都是一致的。其控制系统拓扑图如图1和图2所示。

2.1 阀门遥控系统作为一个独立的系统来设计

图1所示方案中，遥控阀按照区域就近连接到对应的阀门遥控系统控制柜上，控制柜集成了 I/O模块，系统控制模块和系统操作的人机界面，通过人机界面显示MIMIC图，获取阀门的开、闭状态；通过人机界面的鼠标或者键盘来发送命令信号，从而达到远程控制阀门的目的。

各个控制柜之间通过Ethernet网络连接，使得任何一个单独的控制柜上都可以监测并控制所有的遥控阀。控制柜通过RS-485总线和中控联网，使得所有的遥控阀也可以通过中控监测并通过控制位置的选择，转移到中控控制。

2.2 阀门遥控系统作为中控系统的一部分来设计

图2所示，遥控阀系统和中控系统共用现场信号采集柜（I/O柜），各个区域的遥控阀就近连接到I/O柜中，I/O柜经网络连接到中央控制柜，阀门遥控的控制模块集成在中控系统的控制柜中，再经网络连接到人机操作界面，通过改界面监测并控制遥控阀。根据船东要求，在现场需要就地控制位置，可以加设就地控制板以满足需要。

图1 阀门遥控系统典型拓扑图

图2 阀门遥控系统典型拓扑图

3 钻井船阀门遥控系统设计方案

上海中远船务工程有限公司在建钻井船项目中阀门遥控系统主要服务于压载系统、舱底水系统、海水冷却系统中的遥控阀。考虑到管线敷设难度，所有遥控阀选用的是电液式遥控阀。根据阀门的位置分布共配置了五个自带工作站的阀门遥控控制柜，同时配有两台手摇泵以备应急状态时本地手动操作阀门。以下分别从系统电源、网络、控制器和中控的接口，以及控制模块等方面来介绍本项目中阀门遥控系统的设计方案［5］。

阀门遥控控制柜电源为220VAC 60Hz，正常情况下由船舶正常电源供给，当正常电源失效时，自动切换到220VAC 60Hz应急电源并向中控发送一个报警信号。控制柜中配有两路220VAC/24VDC开关模块电源，一路是为正常，另一路作备用，当正常模块失效后切换到备用模块供电并向中控发送报警信号。此外，每个控制柜中还配置有维持20分钟供电的蓄电池。

每个控制柜配有一组网络开关，主要作用是连接控制器和HMI人机界面。控制器连接到接口1，工作站HMI连接到接口2，接口3用作连接外部计算机，接口4和接口5用来和其它控制柜相连。该设计可使每一台控制柜都可以分享其他所有控制柜的信息。该网络为Moxa Turbo Ring冗余网络，当网络异常时，可以在20ms之内迅速恢复网络联机，确保系统正常运行。

每个控制柜中配有一个可编程控制器，控制器的地址根据控制柜编号编写，遥控阀的控制和报警装置都安装在控制器中，此外控制器还配有和本地网络的接口，便于修改内部程序。

每个控制柜中有两个相互冗余的RS485模块，通过RS485模块和中控传输数据。两个模块中的数据相同，如果一个模块故障，信号可以通过另一个模块传输。每个控制柜配有一个带有“17”的HMI操作界面的工作站，并自带数据采集与监视系统APERIO。APERIO系统是船员最常用的操作系统，通过该系统可以通过设计好的显示界面全程控制并监测遥控阀的状态。所有的遥控阀和相关的三个系统（压载系统、舱底水系统、海水冷却系统）信息可以在五个控制的任何一个工作站上完全显示。

本项目采用的阀门控制模块是专门为控制Damcos阀门设计的控制单元，控制模块通过控制本地执行机构中的电磁阀或者本地动力单元来控制阀门的开、闭。该模块既可以通过中控控制也可以通过控制柜上的HMI控制，此外该模块上还配有开、闭按钮，以备紧急状况时控制。控制模块上有两路继电器输出到本地执行机构的电磁阀和动力单元从而控制阀门的开、闭，同时配有阀门位置反馈信号输入接口。

4 结论

阀门遥控系统作为船舶及海洋工程中的常用系统，在设计过程中要充分考虑船舶或海洋工程的实际情况选择阀门的类型。根据各系统阀门的实际分布位置确定阀门遥控系统控制柜或接线柜的台数，在满足规范要求［6，7］的前提下确定控制柜合适的安装位置，同时要考虑系统电源、网络配置满足冗余要求。本文通过介绍遥控阀类型，阀门遥控控制原理，比结合实际项目设计，对阀门遥控系统的设计方案做了详细说明，望对以后的设计提供一定的参考价值。

［1］ 林锐， 刘辉， 张轩. 船舶阀门遥控系统研究与分析［J］.流体传动与控制， 2007（6）： 15-16.

［2］ 韩章. 船舶阀门遥控系统的选择［J］. 船舶与海洋工程，2009（2）： 33-34.

［3］ 周守为. 海洋石油工程设计指南［M］. 北京： 石油工业出版社， 2007.

［4］ 陈可越. 船舶设计手册［M］. 北京： 中国交通科技出版社， 2008.

［5］ EMERSON阀门遥控系统资料［Z］. 2012.

［6］ ABS Rules for mobile offshore drilling units［S］. 2012.

［7］ ABS Rules for building and classing steel vessel［S］. 2012.

Design of Valve Remote Control System for Drill Ship

Guo Xiao-bo， Xu Liang-liang， Zhang Hai-long
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Valve remote control system is a kind of system that could control the valve form a remote controller by using the hydraulic pressure， air pressure and electric power as the source of power. At the same time， the operation state of each valve can be monitored on the remote controller. The paper introduces the type of remote control valve， and explains the control principle of valve remote control system through two common control schemes. Finally， the dill ship is taken as an example to describe the design method of the electro-hydraulic valve remote control system.

valve remote control system； control scheme； electro-hydraulic valve

U665.13

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.017

郭晓波（1988—），女，助理工程师，研究方向：船舶与海洋工程电气专业设计。