基于LabVIEW钻井平台压载系统监控设计

温娜，杨奕飞

（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003）

基于LabVIEW钻井平台压载系统监控设计

温娜，杨奕飞

（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003）

钻井平台远离陆地在深水恶劣环境下作业，受到风、浪、流的影响，会产生横摇、纵摇、横荡、纵荡等多自由度的运动，所以掌握平台压载系统是否正常运作有其必要性，这就需要对平台上各舱室的液位测量传感器、平台实时的吃水状况、横向与纵向倾角、压载水的重量、压载系统管系的状态等参数进行实时采集传输，并进行逻辑判断与控制。关键词：压载系统；监控；OPC；LabVIEW

随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋，半潜式钻井平台作为海上油气勘探开发的重要装备之一，但由于海上作业环境恶劣、情况复杂，钻井生产和工作人员的安全时刻受到威胁，所以必须对海上钻井平台进行实时监控以确保系统的正常运行。压载子系统是钻井平台子系统中的一个重要子系统，它是调整钻井平台浮态和平衡的关键部分，负责整个平台的沉浮作业与压载调平，所以对其进行实时的监控有利于钻井平台的安全作业，是生产和工作人员的安全保障。

1　压载系统配置与监控参数

1.1压载系统构成

钻井平台上总共包含34个压载水舱和4个压载平衡调节水舱，分别分布在平台的左、右舷浮体和舷艏艉中。其分布图如图1所示。其中，压载平衡调节水舱的作用是用来平衡平台艏艉的纵向倾斜度，也是测量平台吃水参数的主要监测对象；压载水舱平均分配在左、右两个舷浮体中，其是用来平衡横向方向上的稳定性，以及平台的稳心高度。压载舱以及平衡舱中的液位状况以及平台的吃水情况是通过其上安装的压力式液位测量传感器测得的，将模拟信号转变成4～20 mA的电信号送到压载监控系统以供分析处理［1］。

图1　压载舱及压载平衡舱布置图

1.2压载系统监控参数

压载系统由各压载舱、压载泵、控制阀、各种仪器仪表和管道等基本元件构成，通过对泵机和阀门的操作实现压载舱海水的注入和排出，以调整平台在不同运动情况（移航、操作、自存）下的平衡性。调整参数包括平台排水量、吃水和平台纵、横向的平稳性，以及安全范围内的稳心高度；同时调节压载舱的各参数能够有效地减小平台外部的变形，避免引起较大的弯曲力矩与剪切力，有效减少平台整体的振动［2］。

深水钻井平台压载水系统通过其上的各个传感器测得参数数据，当传感器将测得的数据传送至数据处理模块，根据计算结果发送相应的指令控制相应的压载泵与开关阀开启或者关闭，进行压入或者排出压载水的动作，以使平台处于稳定状态。对影响压载系统的各个设备进行监控，得到设备参数，作为操作动作的依据，这些参数又分为模拟信号与数字信号，压载子系统监控对象及参数如表1所示。

表1　压载系统监控对象

通过测量不同工况下平台的纵横摇角参数，吃水深度以及各种参数，再根据式（1）～（5）的小倾角公式来建立平台的稳性计算模型，就可以根据参数确定平台在任何时刻需要进行的各种调整动作。

其中，GM、GM1分别表示初始和卸货后的纵稳性高，GML、GML1分别表示平台装卸货后的纵稳性高；θ为纵倾角（θ＞0为艏倾，θ＜0为艉倾），φ为横摇角（φ＞0为左倾，φ＜0为右倾）；d是原平台平均吃水，d1是装卸后的平台平均吃水，δd是平均吃水增量，p表示负载的增加量，Δ是装卸前的排水量，ρ是液体密度，ix、iy分别表示自由液面面积横向、纵向惯性矩，x、y、z分别表示装卸负载p的重心位置纵向、横向、垂直坐标，是漂心纵向坐标［1］。

2　压载水配载控制逻辑

压载水稳性的调节方式主要有注入和排出二种，当注入压载水时，压载泵从平台浮体的海底阀箱吸入海水，通过控制相关主管和支管上的阀门，把一定量的海水压入到相应的舱式；当排出压载水时，同样通过控制管路上的相关阀门的开关，把多余的压载水通过压载泵排出到集水井中；在压载调节平衡的过程中，海水不可以自由地流动，必须在压载泵的工作下进行流动［3］。

深水钻井平台的稳定性是通过压载水的具体配载来决定的，使得平台的稳定性保持在一定的范围内，当钻井平台储油不多时需要注入海水来调节平台的稳性与吃水深度；而当钻井平台上储油量达到一定量的时候需要排出海水来调节平台稳性与吃水深度［4］。压载水的配载控制逻辑见表2与流程图2。

其中φ表示横摇角，θ表示纵倾角，φ0，φ1分别表示横摇角的上限和下限，θ0，θ1分别表示纵倾角的上限和下限。其中φ0和θ0上限为负值，对应的是左倾和艉倾。φ1和θ1下限为正值则相反。

表2　压载水配载表

以压载水配载表中的第一种情况为例，将压载水配载控制逻辑在PLC中使用梯形程序图表现出来，如图2所示，当纵倾角在上下限范围之间，表明平台艏艉平衡，横摇角大于下限说明平台右倾，需要向左舱注水，左舱的阀门C1_C17打开，而右舱的C1_C17以及4个平衡舱P1_P4的阀门关闭。

图2　PLC逻辑控制程序图

3　压载系统的监控设计

目前工业控制系统向着大规模方向发展，导致其中的应用软件以及各种协议变得更加复杂，为了解决这一问题，各大工业自动化控制厂商合作研制出统一标准——OPC标准，紧接着支持OPC技术的各组态软件应运而生，NI公司也在2006年推出支持OPC技术的LabVIEW 8.0DSC模块［5］。因为LabVIEW具有组态软件无法可比的编程灵活性，所以本文采用LabVIEW作为上位机监控软件的开发环境。

在OPC服务器的选择上，选择Kepware公司开发的KEPServerEx，其拥有的工业互连通讯能力世界领先，其上嵌入了多种插件驱动程序、组件和150多种通讯协议，能够支持1000多种常见的设备，而且支持多种C/S技术规范［6］。同时KEPServerEXOPC服务器拥有快速客户端、驱动插件选择安装和快速配置界面，无论使用何种驱动，是否拥有上位机客户端，它都可以不间断快速稳定地采集生产数据和控制底层设备，支持串联和以太网连接等一系列应用最广泛的工业控制系统［7］。

3.1KEPserVerEX与PLC的连接

深水钻井平台采用S7_300PLC作为现场控制器，组态CP343_1通信模块通过RJ45插入工业以太网。KEPServerEX服务器安装SiemensTCP/IPEthernet驱动程序，通过查找网络中PLC的IP地址与之进行通信。Siemens TCP/IP Ethernet驱动程序是Kepware公司专门为西门子S7系列开发的驱动程序，以插件式结构集成在服务器中供安装和使用［7］。

CP343_1通信模块是西门子S7系列的全双工以太网通信处理器，可独自处理数据通信，传输速率为10 Mbit/s或100 Mbit/s，拥有RJ45接口可建立快速的工业以太网链接。在使用HWConfig硬件组态过程中，要为CP343_1通信模块分配IP地址，如192.168.2.16，该地址就是PLC在工业以太网中的通讯地址。而KEPServerEX服务器通过设置与PLC的IP地址相同实现与PLC的相连。

使用KEPServerEx创建OPC服务器步骤如下：1）打开KEPServerEx软件，点击“新建”创建一个工程；2）点击“New channe1”，选择驱动程序Siemens TCP/IP Ethernet类型，及设置对应的网络接口等，建立一个通道；3）点击“C1ick to add a device”，设置设备名称，类型及设备ID等参数；4）设置项对象即具体参数的名称，地址及数据类型等参数。以上4个步骤就完成了服务器对象，组对象，项对象的建立，再添加项对象的时候要将其地址与数据在PLC中的地址对应起来，方便OPC与PLC相连，读取PLC设备中的现场数据，如图3，4为KEPServerEx创建的OPC服务器以及相对应PLC中的数据地址。

图3　KEPServerEx创建的OPC服务器

图4　PLC中数据的地址

3.2KEPserVerEX与上位机的通信

文中的数据通信采用Kepware技术的数据访问方案：西门子S7_300PLC从现场层采集实时生产数据；KEPServerEX冗余服务器组因为装有Siemens TCP/IP Ethernet驱动程序插件，所以可以读取S7_300PLC存储区中的数据。上层LabVIEW作为上位机客户端通过标准OPC接口驱动对KEPServerEX服务器进行访问。在OPC服务器中添加完参数项对象（Tab）以后，将其与监控面板上的相应的元素进行数据绑定，这样从现场层到PLC中然后再上传到OPC服务器中的数据变化就可以实时的在监控面板上显示。

所有工作站和远程监控计算机均安装LabVIEW软件设计的监控软件作为应用客户端程序，通过OPC接口驱动程序同网络中的KEPServerEX服务器建立通讯，读取的数据经过加工和处理供LabVIEW的其他功能使用，如报警模块、人机界面、历史数据打印等。

4　压载系统的监控实现

在压载子系统中设计了横摇角、纵倾角、各个压载舱压载水情况、压载泵的控制、各舱阀的开关以及大小控制等；在完成静态界面功能模块设计后，根据上述进行通讯设置，使得LabVIEW和OPC服务器相连，完成其对应数据的绑定工作，再利用OPC与下位机PLC相连，实现压载子系统参数的实时动态监控。

图5为压载系统监控画面，画面中包含了钻井平台的纵倾角，横摇角，各个参数的数据以及各个压载舱中压载水的实时动态；压载泵，阀门等的自动与手动的控制操作；另外在监控界面的底部设计了曲线，报警记录等的查询按钮，能够实现界面跳转的功能。

5　结论

钻井平台远离陆地进行钻井采油采气作业，整个平台具有系统复杂、工作环境恶劣等特点，而人员生命安全和生产作业安全是生产过程中最为重要的环节，本文针对钻井平台上重要的压载子系统进行研究，利用LabVIEW与KEPserverOPC服务器，设计并实现对压载系统的实时监控。

［1］苗华明，王殿龙，张军，等.半潜式钻井平台压载实时监测系统的开发研究［C］//全国先进制造技术高层论坛暨制造业自动化、信息化技术研讨会，2005.

［2］肖民，乔红宇，姚寿广.船舶压载水系统的有限元仿真与监控界面设计［J］.哈尔滨工程大学学报，2008（8）：862_866.

［3］冷阿伟.半潜式钻井平台新型压载系统［C］//中国造船工程学会近海工程学术委员会.2009年度海洋工程学术会议论文集（上册）.

［4］乔红宇，杨泽宇.船舶压载水监控系统设计［J］.中国航海，2010（2）：23_26，30.

［5］何奇文.OPC技术在LabVIEW8.0 DSC模块中的运用［J］.计算机工程与设计，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］崔晓明.应用Kepware实现监控系统的数据访问［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，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

图5　压载系统监控界面

TE951

A

1674_6236（2016）10_0170_04

2015_07_05稿件编号：201507049

江苏省产学研联合创新资金资助项目（BY2013066_01）

温娜（1990—），女，江苏睢宁人，硕士。研究方向：海洋钻井平台系统监测与控制，计算机控制与应用等。