“渤海自立号”液压升降装置电控系统优化

周 炳，司江舸，张 兴，李剑石

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

“渤海自立号”平台建造于1979年，作为一艘生活支持平台，主要由下沉垫、4条圆筒形桩腿和上船体构成。其中，下沉垫与桩腿以焊接方式连接，上船体与桩腿通过插销和楔块连接。上船体通过液压升降系统实现升降功能。

1 升降装置原有电控系统

该平台升降系统电控装置由1套中控操作台、4套桩边控制柜和启动柜构成，采用继电器控制，中控操作台与各桩控制单元间采用多根电缆连接。控制系统部分元件见图1。

图1 液压升降系统内部照片

各桩室有4个主举升液压缸，但仅1个液压缸采用自整角机与链条连接，测量油缸行程并反馈给中控操作台。升降操控人员观察行程标记，判断液压缸行程，进行插拔销和液压缸伸缩操作。

由于仅采集1个液压缸的行程作为控制参数，往往存在误差，容易导致插拔销失败，故障率多。目前系统存在不足包括4点：

1）控制系统整体部件均为20世纪70年代进口，使用大量继电器和开关触点，目前元器件老化，且大部分元件已停产。

2）液压缸行程采用链条式自整角机实现，技术陈旧，中控操作台上的液压缸行程不能数字化显示，可视化差。

3）整体缺乏先进的传感器技术，系统监控手段不足。

4）系统不能实现自动化及一键式操作。

2 液压升降装置电控系统优化

这里提出利用先进的可编程逻辑控制技术（Programmable Logic Controller，PLC）、分布式IO控制技术、人机接口技术（Human Machine Interface，HMI）以及传感器技术对控制系统改造升级。优化设计内容包括以下4点：

1）利用PLC替代继电器控制。采用软件编程方式，降低线路铺设工作量。与继电器相比，PLC控制器的工作稳定性更高，同时软硬件扩展性能强。

2）利用分布式IO模块完成集中控制功能。分布式 IO模块常用于控制系统与控制对象距离远、电缆不便铺设等场合。

3）利用传感器技术，提升液压升降系统数字化水平。

4）利用HMI显示技术，增加系统可视化。

优化后液压升降系统的结构框图见图2。

图2 优化后液压升降系统的结构框图

该控制系统采用西门子 PLC 1215C，通过ET200S模块分别串联到各个桩边控制系统，实现集中控制功能。系统主要部件包括：

1）集中控制单元（1套），主要包括1套PLC控制系统、2套HMI显示器和1个交换机。

2）桩边控制单元（4套），主要包括1#～4#桩分布式IO控制系统和各桩室HMI显示器。

针对桩边控制单元，主要控制内容包括：

1）液压站电机的启停控制。

2）液压站安全保护设计，包括电机的过载保护、液压油泵输出压力保护以及液压油箱超温保护等。

3）插销液压系统控制，包括插销液压缸的控制及状态监测。

4）举升液压系统控制，采用位移传感器测量举升液压缸伸缩距离，提高数据的可靠性。

5）四桩集中控制和远程控制，以及桩边单独控制。

具体的单桩设计方案如下：

1）电机控制采用软启动，通过Modbus协议与PLC之间通讯，实现2台液压泵电机启停控制。控制线路中仅需通过Modbus通讯模块即可实现电机启停及保护。

2）仪表监测，包括压力、温度、插销液压缸的插拔状态、以及主举升液压缸的伸缩位移。其中，温度和压力监测采用4 mA～20 mA的两线制变送器实现。插销插拔状态采用接近开关代替行程开关，非接触式监测，安全可靠，器件寿命更长久。主举升液压缸系统的伸缩位移监测采用拉线式传感器实现，通过绝对值编码器实现对位移参数的实时读取，可采用4 mA～20 mA传感器或者SSI接口的数字量传感器，ET200S分布式IO模块中具有SSI接口模块，适用于本设计。

最终，桩边控制单元设计见图 3。中控系统的主要实现集中控制功能，布置在4#桩上部中控房内，具体设计框图见图4。

图3 单桩控制系统设计框图

图4 中控控制系统设计框图

液压升降装置的控制过程涉及升平台、降平台、升桩腿和降桩腿4个工况，每个工况包括上、下销插拔和主油缸伸缩等步骤。PLC软件程序对不同的操作指令进行判断，最终实现不同的工况动作控制。

中控的电子倾斜仪实时监控平台的倾斜数据，并通过RS232串行接口与PLC通讯。一旦升降作业中各桩腿升降不同步，导致平台倾斜角度过大，升降倾斜仪会立即产生报警信号并禁止危险操作，以确保平台作业处于安全状态。

3 结论

本文提出的方案通过使用西门子 1200系列PLC控制器、分布式IO模块、传感器（压力、行程、温度）、HMI设备，实现对“渤海自立号”平台液压升降系统的优化设计。彻底替代目前继电器控制系统，降低了系统复杂度，提升了数字化水平，有效解决了系统内部器件老旧、使用风险高等问题。