基于AB-1756的FPSO軟鋼臂系泊潤滑控制系統升級改造

汪開拓，張蒙，王棟，姚飛，岳帥志

（中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300000）

隨著海洋石油事業的蓬勃發展[1]，原油產量逐年遞增,保證原油生產處理流程的穩定是保證油田穩產、增產的關鍵所在[2]。軟鋼臂系泊系統是整個油田原油處理流程的起點。它將RUP（Riser Utility Plateform，立管公用平臺）匯集而來的原油輸送到FPSO 的流程處理單元進行處理，同時將FPSO 處理的生產水輸送到RUP 加壓，進而分配給注水井進行返注。

1 軟鋼臂系泊潤滑控制系統簡介

1.1 FPSO 簡介

FPSO 全稱為Floating Production Storage and Offloading System，即為浮式生產儲卸油輪[3]，負責對由軟鋼臂系泊系統匯集而來的各個井口平臺的原油進行基本處理和儲存，并外輸。

1.2 軟鋼臂系泊系統簡介

軟鋼臂系泊系統（Soft Yoke Mooring System），簡稱“單點”。安裝在FPSO 的前部，它能使FPSO做360°旋轉，它的主要作用是將FPSO 定位于預定海域，同時，使FPSO 具有風向標的效應，在各種風浪作用下FPSO 總趨向受力為最小的方向，從而保證FPSO 在海上能長期連續工作。

軟鋼臂系泊系統由系泊塔（Mooring Tower）、鐘擺（Pendulums）以及剛臂（Yokes）三部分組成（圖1）。系泊塔由旋轉部分和固定部分組成，起著輸送井流物、化學藥劑、電力、通信等功能。鐘擺主要是連接系泊塔和剛臂。剛臂位于船體之上，是船體和系泊塔的連接處和受力端。

圖1 系泊系統回轉層結構Fig.1 Slewing Layer Structure of Mooring Systems

1.3 軟鋼臂系泊潤滑控制系統簡介

潤滑系統可以定時定量地對單點需要潤滑的部位進行強制潤滑。主要由控制系統、氣動泵、安全閥、換向閥、分配閥及主管線末端的壓力開關等組成。

潤滑系統分為兩組，一組為主軸承[4]和回轉層（Swivel Stacks）提供潤滑，另一組為鐘擺的萬向節和剛臂徑向、軸向軸承組提供潤滑。軸承內多余的潤滑脂通過排放口泄放掉，以及帶走軸承內的磨屑。

2 現存問題分析

2.1 現存問題

軟鋼臂系泊潤滑自動化控制系統基于美國羅克韋爾（AB）公司PLC[5]技術平臺，它是20年前的產品，年代久遠，技術落后，功能差，可靠性低，主要存在問題如下：

（1）軟鋼臂系泊潤滑系統經常死機，導致長時間注脂量不足，影響旋轉時動作的順暢性，造成密封與結構磨損，降低滑環密封與結構強度。人員巡檢耗時長，中控上位機只有一個軟鋼臂系泊潤滑自動化控制系統報警通訊點，沒有實時系統狀態顯示，導致潤滑系統要一直有專人每天巡檢。

（2）現場操作盤只有兩路報警燈：液位和氣路低報燈和系統運行燈，不能準確指示系統運行的狀態，無法顯示系統全部異常狀態，可能導致小的隱患無法及時處理。

（3）潤滑管線末端的壓力開關只能設定報警值，不能實時準確地反映管線內部的壓力，潤滑脂注入太多會造成浪費，潤滑脂注入量不足又會造成設備損壞。

2.2 原因分析

（1）單點潤滑系統，現場只有一個小巧型AB 1760-L18NWA-EX PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），是20年前的產品，功能差，可靠性低。只有12 路數字量輸入（DI），6 路數字量輸出（DO），沒有通訊功能，無法跟中控上位機進行實時數據交換。

（2）單點潤滑系統，現場的控制盤只有啟停開關，氣泵選擇按鈕和相應的報警燈。只能通過報警燈指示故障狀態，缺少畫面顯示，無法做到實時顯示和更多報警及故障的顯示。

（3）因為AB1760-L18NWA-EXPLC 只有數字量輸入、輸出，所以單點潤滑系統潤滑管線末端只有壓力開關，沒有壓力變送器，不能實時準確地反映管線內部的壓力。

3 系統升級目標

為了利用和移植單點潤滑裝備自控軟件，新軟鋼臂系泊潤滑控制系統依然沿用美國AB 公司PLC 技術平臺。系統升級目標如下：

（1）全自動化控制

延續全自動注入潤滑脂的控制策略[6]，實現全過程無人為干預注脂，新軟鋼臂系泊潤滑控制系統要充分體現并保證自動化、智能化。油田現場廣泛使用的控制系統有較高的可靠性，其穩定性得到了現場的有效驗證。并且現場有控制系統開發移植的經驗，用于單點潤滑控制系統有較大的優勢和實現的可能性。

（2）遠程與本地雙監測

增加現場PLC 和DeltaV DCS[7]（Distributed Control System，集散控制系統）的數據通訊，并在中控上位機上繪制潤滑系統的畫面，操作人員在中控可以實時監測系統狀態。

現場可增加就地顯示面板，兩者結合，使現場巡檢人員和遠程監控人員都能很容易、直觀地獲得反應系統運行狀態的指標以及報警信息，方便理解并進行合理判斷；當系統發生故障時，便于人員介入維修。

（3）控制程序的操作便于執行

升級后的單點潤滑系統的PLC 要能匹配本設施常用的已獲授權的上位機連接軟件，這樣便于后期控制策略程序的下裝、查看和修改。

（4）量化控制

升級后的單點潤滑系統要改變原系統獨立封閉運行的狀況，將原系統上的壓力開關，升級為具有精確顯示的智能變送器等監測儀表，精細控制注脂量，量化監測指標。

壓力變送器在生產流程中廣泛使用，現場維修人員精通變送器安裝、參數設定[7]和故障處理。

現場控制柜內原有線路可以繼續利用。原設計的壓力開關改為變送器后，電纜可以延用，不用重新進行線路敷設。增加壓力變送器2 選2[8]表決邏輯，可以有效避免因單個變送器故障造成的系統報警。

4 升級方案

本升級項目采用的AB1756 系列PLC 是羅克韋爾Control Logix 系列最新一代高端控制器，是其集成架構中最為重要的一個成員。使用AB 品牌Panel View 系列的顯示面板，面板通過網線，即可實現跟PLC 的數據通訊，通過制圖軟件繪制流程畫面，實現本地監控。通過PROSOFT 卡實現跟DeltaV DCS 數據交換，將壓力開關升級為羅斯蒙特壓力變送器，通過AI 卡接入PLC 實現測量。

升級過程中需增加ABPLC 電源模塊、CPU、DI 卡、DO 卡、AI 卡、通訊卡、羅斯蒙特壓力變送器。利用原有線路和控制柜進行現場調試及硬件安裝。

4.1 AB PLC 卡件選型

（1）DI 卡

DI 卡就是接收開關量數字輸入信號（即通斷信號）的板卡，類似PLC 中的開關量輸入DI 模塊，D（Digitization）代表數字化/數字量（通或高電平為數字1 信號、斷或低電平為數字0 信號），I（Input）代表輸入。為了實現現場卡件的穩定運行，以及保證現場設備的良好狀態，并同時兼顧適用與經濟的原則，選用1756-IB16 系列DI 卡能夠滿足使用需求，且成本較低。

（2）DO 卡

DO 卡是開關量數字輸出信號（即通斷信號）的板卡，D 代表數字化/數字量（通或高電平為數字1 信號、斷或低電平為數字0 信號），O（Output）代表輸出。根據實際需要點數，選用1756-OB16系列DO 卡能夠滿足需求，且成本較低，確定為現場選擇卡件。

（3）AI 卡

AI 卡就是模擬量輸入信號（即模擬信號）的板卡，A（Analog quantity）代表模擬量（現場變送器輸出的4～20mA 對應量程的0～100%），I（Input）代表輸入。根據現場實際使用情況，選用1756-IF8 系列AI 卡能夠滿足需求，且成本較低，確定為現場選擇卡件。

4.2 邏輯與組態

用Control Logix 5000 組態軟件即可對PLC 進行組態、下裝。設備投用前，可使用軟件中的Simulation 功能，對邏輯進行測試?？赏ㄟ^Factory View Studio 軟件，根據流程圖繪制畫面，并增加對應報警信息。

將原小型PLC 的報警信號線接入PROSOFT卡，通過RS485 通訊[9]協議，即可實現PLC 和DCS 之間的數據通訊，實現現場的實時狀態顯示（圖2）。在DeltaV 上位機，通過DeltaV Explore組態軟件，進行邏輯編程。并且DeltaV 上位機自帶Operator Run（Configure）軟件，可使用該軟件繪制流程畫面，并組態加入連續歷史數據曲線[10]，跟蹤查看數據趨勢和報警信息。

圖2 中控上位機監視畫面Fig.2 Monitoring screen of center control room computer

5 結論

該FPSO 單點潤滑控制系統升級改造的成功實施，提高了單點潤滑系統的可靠性，維持了單點工作的穩定性，增加了中控上位機對單點潤滑系統的實時監控功能，對于提高流程穩定性具有一定的價值，對其他類似的FPSO 單點潤滑控制系統的升級改造具有借鑒意義。