自升式钻井平台中央空调控制系统改造

叶 斌

(中海油能源发展股份有限公司，北京 100027)

1 中央空调是自升式平台重要的设备子系统

海洋石油钻井平台是海洋石油勘探开发的主要设备载体，其中自升式平台应用最为广泛[1]。2019年开始，随着“七年行动计划”的深入推动，为了满足海上油田优快钻完井的作业需求，对自升式钻井平台的设备性能提出了更高要求。中央空调作为自升式平台重要的设备子系统，主要为平台工作人员提供良好的生活和工作环境，也为各种设备的正常运转提供了有力保障[2]。

2 平台中央空调系统简介及现状

2.1 中央空调系统简介

渤海某自升式平台始建与1979年，经过多次维修改造后，目前主要在渤海油田从事生活及工程支持作业服务。该平台共有7台中央空调机组，分别位于A、B生活区内以及辅机舱内(C区空调位置)。空调机组各自独立分散工作，分别采用继电器控制系统。各舱室空调机组的参数信息统计如表1所示。

表1 平台空调机组概况

2.2 中央空调系统主要问题

目前该中央空调控制系统无法对空调机组的运行参数进行实时监测，不能及时发现设备异常，中央空调机组的整体运行效率低，从而影响平台的服务质量。同时，在对各个生活区的空调机组调节温度时，机电人员需要依次到各个空调机组进行本地设置，人员工作强度大、效率低。为了实现平台管理的降本增效，降低人员的巡检强度，提升设备的自动化管理水平，需要对现中央空调的控制系统进行数字化升级改造。

3 改造方案

3.1 方案设想

总体方案是利用PLC技术或者工控机技术、嵌入式技术等，将7台中央空调的温度信号和设置功能集中引入到机工值班室或者三师办公室。通过技术分析，归纳总结出以下三种方案。

方案一：基于无线技术的无线模块+嵌入式工控机的远程监控装置。

采用无线模块进行空调温度的监控，同时利用嵌入式工控机与无线模块进行通讯，完成空调机组的远程监控。

方案二：基于以太网总线技术+嵌入式工控机的远程监控装置。

采用以太网总线温控模块来控制中央空调机组运行，通过嵌入式工控机与以太网模块之间通讯，实现空调机组的远程监控。

方案三：基于低成本串行总线通讯技术+PLC控制器的远程监控装置。

采用带RS485通讯接口的温控模块实现空调机组的现场控制，然后通过PLC控制器与温控模块之间通讯，实现数据的远程传输。

3.2 方案确定

针对上述三种方案，分别从技术原理(通讯技术和处理器技术)、系统性能、成本控制、方案可行性等方面综合考虑对比，最终方案确定为方案三，即基于串行总线通讯技术+PLC控制器的远程监控装置。

3.3 方案细化

要实现空调机组远程集中监控，需要把握空调机组的控制切入点，规划该系统设计的主要技术构架，并按照功能设计，依次分解各技术细节。主要包括以下内容：

1)系统设计的突破点选择

目前7台中央空调均是通过温度开关完成系统控制的，可通过优化控制开关完成系统的集中控制设计。

2)现场总线技术的应用

大多数中央空调监控系统通信模块使用Modbus通讯协议，其中RS232总线通讯距离短，一般不超过 12 m，而RS485总线接口传输距离长，适合平台分布式设备数据采集使用[3]，而且RS485的Modbus总线技术作为第一代总线技术，应用广泛，技术成熟，成本低廉，适合平台改造应用。

3)集中控制系统接口设计

PLC是目前中央空调中的自动化控制核心技术,可以对中央空调的开关、顺序控制等方面进行有效的调节和应用, 且有PID调节功能[4]，而且对基于RS485的技术应用非常成熟，因此在系统设计中采用1200系列PLC控制器。

4)系统功能扩展接口设计

根据集中监控系统设计，考虑以RS232、RS485、以太网等接口作为系统扩展接口，完成系统扩展接口设计。

通过技术成熟度、系统稳定性、成本控制等方面综合考虑，决定选用如下的方案：①基于RS485总线技术；②利用1200系列PLC控制器；③PLC控制器通过以太网与国产HMI通讯。系统方案细化如图1所示。

图1 系统方案细化图

4 改造方案实施及效果评估

4.1 方案实施过程

1)确定系统控制接口优化节点。通过对A、B、C区空调控制原理图研究分析，中央空调检测新风、回风与送风的温度和湿度,主要由回风温度近似反映被调对象的平均状况，所以确定空调系统的主要控制参数为空调回风温度[5]。平台空调机组制冷控制系统中，主要依靠温度控制器来控制供液电磁阀的开关动作，而供液电磁阀开关又控制着压缩机进出口压力大小，压缩机的自动启停又与低压、高压控制器相关，因此最终影响空调动作的主要参数还是温度控制器。所以，本次选择带有通讯功能的温度控制器。

2)控制接口器件选择替换。目前空调机组采用的温控器不带通讯接口，通过对比分析，选择RS485 Modbus接口的温度控制器。因为本次改造计划采用西门子S7-1200系列PLC开发设计上位控制器，可以通过扩展CB1241 RS485信号板或者CM1241 RS485信号模块来实现485接口[6]，性价比较高。替换元器明细如表2所示。

表2 替换元器件统计表

3)集中监测设计系统方案原理。该空调集中监测系统主要包括西门子S7-1200 1214C系列的PLC，CM1241 RS485模块以及CM1241 RS232接口模块，外围模块包括MCGS昆仑通泰显示HMI设备，以及PLC元器件的工作电源。

PLC 1214C通过RS485扩展模块，与生活区各个空调的温控器通过Modbus-RTU协议通讯获得各个温控器的相关温度信息。RS485通讯线路与各温控器之间采用手拉手的方式进行通讯，为了做好系统隔离，采用了RS485中继器对系统做隔离设计。

PLC将获得的各区空调温度参数存储在内部DB块内，并通过以太网接口与MCGS昆仑通泰HMI通讯，完成相关数据的处理和显示功能。通过HMI界面，用户可以对空调温度设定参数远程设置。此外，通过RS232接口可以将PLC存储在DB块内的数据发送给上位机，从而通过上位机分发到本地局域网内或者陆地系统，实现局域网内数据分享和陆地远程访问。

4)绘制原理图。系统控制原理，如图2所示。

图2 系统控制原理图

5)硬件系统搭建，编写测试程序。按照上述线路原理图搭建硬件系统，箱体内部硬件依次是电源开关、24V开关电源、CM1241 RS232通讯模块、CM1241 RS485通讯模块，CPU 1214C PLC。

利用TIA编程软件编写空调监控系统软件系统，程序主要采用PLC 1200系列提供的Modbus-RTU指令，通过轮询的方式依次与生活区各空调机组温控器进行通讯设置。

6)各区空调线路铺设。

7)空调温控器的更换及配置。

8)系统整体调试。整体调试过程主要包括在C区办公室内安装空调集中监测控制箱，然后依次连接测试各区温控器是否可以正常与PLC通讯。

4.2 改造效果评估

完成了C区、A区空调的通讯线路连接和温控器参数设定等工作以后，HMI显示屏可以正常读取上述区域的空调温度数值，实时通讯效果良好，并能顺利完成远程设置，充分验证了低成本Modbus总线技术在老旧平台可以成功应用。该系统投入使用后，机工每日巡检只需检查监控装置数据，即可浏览全部空调机组温度参数，有效降低人员巡检操作次数。通过本次技术改造，提高了平台的自动化管理水平，大幅降低了设备故障率，可实现年均降本增效14万元。

5 结语

1)通过广泛使用电气控制技术，结合老龄平台设备特性，验证了Modbus总线技术在平台分布式设备之间构建通讯网络的可行性，有效提升了平台的自动化、数字化技术水平。

2)通过本次技术改造，实现了中央空调机组低成本的远程监控功能，为其他老龄化自升式平台、海洋工程船舶的电气设备优化改造提供了借鉴意义。

3)通过实践发现，平台空调机组运行参数监测功能可以进一步扩展，主要表现在空调机组运行状态、压缩机高低压力、冷却海水压力等数值的获取和传输，可以通过利用PLC控制器、AI模拟量模块以及CM1241 485通讯模块组成新的控制系统，最终实现空调机组运行参数的全面监测。