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智能控制技术 阳建军 田青 山 马正彦海洋石油生产储油轮发电机组控制技术研究 5 1 海洋石油 生产储油轮发 电机组控制技术研 究 阳建军 ， 田青山 ， 马正彦 1 ．中海油深圳分公司 工程建设部 ， 广东 深圳5 1 8 0 6 7 2 ． 西北工业大学 机电学院， 陕西 西安7 1 0 0 7 2 3 ． 深圳行健 自动化系统有 限公司， 广东 深圳5 1 8 0 3 5 摘要 海洋石油生产储 油轮作为海洋油气开发 系统的核 心部分 ， 其发 电机组控制技术要 求可靠性 高、 抗干扰能力强、 实时性好。基 于西 门子 S 7～3 0 0 ／ 4 0 0 P L C， 提 出采用层 次化 冗余控制结构构 建发 电机组控制 系统 底层控制结构划分为各独立子 系统 ， 中间层控制站控制底层子 系统协调 工 作， 顶层 系统实现人机 交互以及 系统监控 ； 设计 了各层控制 系统硬件及软件结构； 论述 了层之 间 数据通信实现方式。系统具有开放性 、 智能性及 易维护性等优 点。 关键词 生产储油轮 ； 发电机组控制 ； S 7 3 0 0 ／40 0 P L C； 层次化冗余控制； 数据通信 中图分类号 T K 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 1 1 30 0 5 1 0 4 随着人类社会的高速发展 ， 开发丰富的海洋资 源已成为各国未来发展的重要战略之一 。海洋资 源开发对于人 口众多的中国更显得尤为重要。 目 前海洋资源开发以海上油气 田开发为主。浮式生 产储 油油轮 F l o a t i n g P r o d u c t i o n S t o r a g e a n d O f f l o a d i n g ， F P S O 作 为海洋 油气开发 系统 的组成部 分 ， 一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整 的生产系统， 是 目前海洋 工程船舶 中的高技术产 品。 作为海洋油 田的管理 、 指挥 、 控制 中心 ， 集动力供应、 生产、 储存、 外输及生活于一体， 被称 为海洋 油 田开 发 的“ 航 空母舰 ” 、 “ 海上 油气处 理 厂” ⋯ 1。海洋石油生产储油轮发 电机组是 F P S O系 统的动力核心， 其控制系统要求适应海上复杂的生 产环境 ， 具有较高的抗外界干扰能力。 可 编 程 逻 辑 控 制 器 P r o g r a mma b l e L o g i c a l C o n t r o l l e r ， P L C 是近年来被广泛应用的一种工业 控制计算机。相 比于一般 的工业控制计算机 ， 它具 有环境适应性强 、 编程方便 、 数据处理与记忆能力 强 、 系列化与标准化程度高和具有开放式 的通讯功 能等优势[ 。可编程逻辑控制器适用于生产环境 复杂多变 、 系统稳定性要求高的海洋石油生产储油 轮发电机组控制系统。 1 储 油轮发 电机组 系统 某海洋石油生产储油轮发 电机组包括两大部 分 ， 生产系统发电机 P r o d u c t i o n S e r v i c e G e n e r a t o r ， P S G 和船系发电机 S h i p Ser v i c e Ge n e r a t o r ， S S G 。 P S G - 包括 3台发电机及相应外围设备 ， S S G包括 2 台发电机、 应急发电机及相应外围设备。 海洋石油生产储油轮发电机组控制系统复杂 且要求可靠性高 、 实时性好 ， 适合分布式控制系统 。 结合上述特 点， 最终选 用性价 比高 的西门子 s一 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C组建 控制 系统 。控制系统的上位机 监控采用 i F i x ， 并通 过工业 以太 网与 主站进行通 信。主站与从站之间通过 P r o f i b u s 通信。 整个发 电机系统分为以下子系统 P S G1发 电机系统、 P S G2发 电机系统 、 P S G3发 电机系 统 、 P S G燃料供 应系统 、 断路器系统 、 P S G负载监 控系统 、 P S O断路器标注系统、 模拟面板系统 、 S S G 燃料供应 系统、 S S G1发 电机系统、 S S G2发 电 机系统 、 紧急停机系统 、 P S G断路器标注系统 、 S S G 负载监控 系统、 燃料集 中供给系统。各子系统在硬 件结构上及控制系统结构上独立 ， 每个子系统可独 立运行 ， 在总控制系统控制下协调工作。每个子系 统 由 1 个 S 73 0 0 P L C控制。 2 控 制系统硬件设计 发电机组控制系统的控制网络体系结构如 图 1 所示 。该系统在总体上采用层次化结构， 将整个 系统 自上而下分为 3个层次 顶层的集中操作监视 收稿 日期 2 0 1 1 0 6～O 8 作者简 介 阳建军 1 9 7 3 一 ， 男 ， 湖南隆回人 ， 中海油深圳分公 司工程建设部工程师， 某深水油田开发项 目设施经理 ， 主要从事技术管理工作。 5 2 2 0 1 1 年 7 月 中国制造业信息化第 4 0 卷第 1 3 期 层 、 中间的过程 控制层 和底层 的现 场设备 层[ 3 l 。 每层在设计上是独立的且有较好的可扩展性 、 开放 性和易维护性 ， 它们通过数据网络构成一个有机的 整体。 。 图 l 发 电机组控制 系统控 制网络体 系结构 2 ． 1 集 中操作监视层 集中操作层为控制 系统 的最顶层 ， 它 由 2个 D e l l P o we r E d g e S e r v e r 工作站构成 ， 直接与控制人 员交互控制信息 ， 接受控制员指令并将下层控制系 统状态参数通过人机界面反馈给控制员。工作站 之间通过 以太 网交换信息。工作站同时负责整个 系统的组态 、 诊断、 报警以及系统维护 ， 工作站与数 据服务器相连， 实现数据动态存储及读取 ， 服务器 与打印设备相连 ， 可随时打印系统参数等报表。 集中操作监视层采用 G E公司的过程处理及监 控软件 i F i x 。i F i x提供分布式、 客户／ 月 艮 务器结构， 为 系统提供最大的可扩展性。i F i x在网络复杂的分布 式多 S e r v e r 、 多 C l i e n t 数据采集和控制系统中， 均具有 优异的性能 J 。i F ix可监控任一个子系统的工作状 态 ， 如图 2 所示， if i x 显示了 P S G1 发电机组工作负 载参数、 燃料供应流量以及安全监控等参数。 图 2 P S 1发电机组 状态 2 ． 2 中间过程控制层 中间过程控制层 由西 门子 s 74 0 0 P L C组 成 。为保证控制系统的可靠性以及可维护性 ， 中间 过程控制层 采用 主从式远程工作站控制结构 。2 个S 7 4 0 0 P L C组成 2个主站， 主站与上层监控的 上位机以及主站与主站之问通过工业以太网通信。 s 7 ～4 0 0 P L C主站采用双机热备份运行方式 ， S 7 4 0 0 P L C中同时有 2套 C P U运行 ， 每套 C P U配有 相应的电源模 块 以及接 口模块 ， 二者在硬件上独 立。其中一套作为冗余 C P U， 当主 C P U出现故障 时 ， 同步运行的备份 C P U可实现及时切换 ， 继续完 成对现场设备的控制 ， 保证主站工作可靠性 以及抗 干扰能力 J 。 主站通过 P r o fi b u s D P控制 总线 与从站 通 信 ， 将上位机控制指令下载给从站 ， 并将从站控制 信息通过以太网通信反馈给上位机。主站通过执 智能控制技术 阳建军 田青山 马正彦海洋石油生产储油轮发电机组控制技术研究 5 3 行 P L C控制程序控制各子系统协调工作。 2 ． 3 底层现场设备层 底层现场设备层 由控制各子 系统 的 S 73 0 0 P L C组成 ， 它们分布在各子系统所在现场 ， 对各子 系统设备进行实时控制。从站之间通过 P r o f i b u s DP总线交换数据 ， 各从站之 间相互独立。当从站 与主站之间总线因故障断开时 ， 从站 自动进入 自动 控制状态 ， 可根据 自身控制程序执行某些功能 ， 并 通过现场报警装置报警 ， 同时对系统进行停机。所 有从站都接有冗余模块 ， 以保证从站工作可靠性。 控制系统各子系统的 S 7 3 0 0 P L C与现场设 备相连 ， 采集相应传感器信号 ， 根据发 电机组控制 原理进行数字量逻辑控制或模拟量控制 。如当整 个控制系统检测到有急停事件被触发时， 相应信号 被报告至控制 系统 S 74 0 0 P L C主站 ， 主站将对 急停信号进行处理， 并将相应控制指令通信给急停 控制 P L C， 急停控制 P L C通过判断急停指令 ， 输 出 控制信号， 对系统某一 部分或者整个 系统进行停 机 ， 并将停机结果返 回给主站 。主站将处理结果上 传给上位机 ， 告知控制人员事件及处理结果。 P S G以及 S S G发电机组 由相应 的发电机控制 模块进行控制。控制模块将发 电机 的电压电流等 信号转换为标准信号， 通过硬接线接人 P L C ， 同时 P L C也将信号通过硬接线接入发 电机控 制模块 ， 每台发 电机的控制模块之间相互通过硬接线连接 ， 根据内部逻辑传递信号 。通过此模块 与 P L C， 发 电机可完成以下功能 电力参数监测 ； 发电机启停 ； 有功负载平衡 ； 发 电机保护 ； 发电机负荷卸载； 电流 互感器状态监测 ； 发 电机并车 ， 解列 ； C a s c a d e控制 在不同机组之间传递状态信息 。 现场 3台 P S G与 2台 S S G发 电机为不同类型 的机组 ， 使用传统负载均衡线 的方式很难实现不同 机组间的功率分配， 所以考虑使用新的智能电站常 用的通过管理单元进行 A G C控制 的技术方案 ， 即 每台发电机通过 S 7 3 0 0 P L C进行单独管理 ， 实 现不同机组 问的功率分配。每台发 电机组的控制 图如 图 3所示 。 图 3 发 电机组 系统控 制图 3 系统软件设计 根据海洋石油生产储油轮发电机组控制系统 结构 ， 控制系统软件设计分为下位机软件 、 通信及 数据处理软件和上位机软件。P L C通过下位机软 件实现对底层现场设备 的控制 ， 包括开关量控制及 模拟量控制。通信及数据处理软件实现上位机 与 P L C主站 、 主站与从站 、 从站与从站之间的数据通 信。上位机软件实现系统监控与管理 、 与操作人员 进行信息交互以及系统 自诊断等功能。 3 ． 1下位机控制软件设计 下位 机控 制软 件使 用 S T E P 7进行 编程。 S TE P 7是用于对西 门子 S I MATI C P L C进行组态 和编程 、 监控 和参 数设置 的软件包I 6 J 。下位机软 件控制分为数字量控制与模拟量控制。P L C采集 相应传感器开关量 信号 ， P I C根据采集结果进行 ’ 5 4 2 0 1 1 年 7月 中国制造业信息化第 4 0卷第 1 3 期 逻辑运算 ， 并将运算结果通过数字量输 出， 实现对 系统的开关量逻辑控制。如位置检测 、 系统启停与 急停、 断路器开闭以及报警装置等的控制均采用数 字量控制 。 系统模拟量控制通过采集传感器的模拟量信 号 如电压信号 ， 对模拟量信号进行 A／ D转换 ， 将 得到的转换结果根据控制系统要求进行处理 ， 并将 处理结果经 D／ A转换为模拟量信号控制相应设备 如变频器 。如发电机组燃料控制系统中， 发电机 组内的燃料体积通过液位传感器检测 ， P L C将传 感器检测到的电压值转化为对应液位值。当燃料 低于标定最小值时 ， P L C开启燃料泵注入燃料 ， 机 组内燃料达到标定最大值 ， P L C关闭燃料泵 ， 停止 注入燃料。程序流程图如图 4所示。 图 4燃料控制 系统程序流程 图 3． 2通信 及 数 据 处理 软 件 设 计 本控制系统包 含多个相对独立 的 P L C站 ， 各 站之 间通 过 P r o f i b u s通 信 实现 数 据交 换。同 时 P L C也需将各个状态信息反馈至监控 系统， 以达 到实时监控的 目的， 这 由 P L C以太网通信功能实 现。从站将需要通信给主站的数据写入相应存储 区域， 主站通 过 P r o fi b u s网络 访问并 读取这些 数 据 ， 主站的通信程序同时将数据写人从站的固定数 据存储区域， 从站可通过访问这些数据执行相应控 制命令 。主站将需要 向上位机通信的数据写入固 定区域， 通过通信函数将数据发送给上位机。 系统建立有数据服务器 ， 将系统参数等重要数 据进行实时保存 。数据服务器是所有控制站信息 交汇点 ， 拥 有整个系统 的状态信息_ 3 J 。上位机可 查询数据服务器的数据库 ， 并通过打印机打印有关 数据。 3 ． 3上位机软件设计 上位机人机界面软件是在 i F i x的基础上开发 得到的 F P S o发电机组控制系统专用软件 。该人 机界面既有 i F i x的稳定性强、 可扩展性高的优点 ， 又适合船舶系统 的结构及工作环境。i F i x支持多 种图形界面 ， 其数据管理独立于画面运行 ， 数据一 经设定可立即反映出现场设备运行状况 ， i F i x提供 便捷的数据库输入输 出功能， 达到数据管理安全高 效的 目的 ， 系统调试及管理人员应用十分方便， 很 好地满足了系统设计要求L 4 J 。 4 结束语 本海洋石油生产储油轮发电机组控制系统是 一 个完全开放的、 智能的、 易维护的控制系统。系 统具备在无人值守情况下 ， 自动启动、 自动并车、 自 动负荷分配及 自动解列的功能； 电站 自动完成电力 参数控制 、 机组保护 、 负荷 自动卸载的功能， 以保持 电网稳定。系统完全具备辅机设备主备冗余、 自动 启动的功能 ， 并可 自动记录设备启停事件。 参考文献 [ 1 ] 赵耕贤． F P S O结构设计特点[ J ] ． 船舶， 2 0 0 2 1 3 8 3 9 ． [ 2 ] 潘晓力． i F i x 软件在湖南益阳电厂一期工程中的应用[ J ] ．自 动化博览 ， 2 0 0 3 ， 2 0 1 7 3 7 5 [ 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a c o r e o f o f f s h o r e o i l a n d g a s d e v e l o p me n t s y s t e m ，i t s g e D e r a t o r c o n t r o l s v s t e rn s h o u l d h a v e h i g h d e p e n d a b i l i t y ， 下转第 5 8页 5 8 2 0 1 1 年 7月 中国制造业信息化第 4 0 卷第 1 3期 则要着重关注长度 、 纺纱一致性系数和成熟度 3项 指标 。 表 6 对气 流纺 纱线质量影响 比较显著的美国棉 花 HVI 指标 纱线指标 对 中低支气 流纺纱线质量影响显著 的美棉 H、 ， I 测试指标 低支纱 中支纱 依据 。 3 结束语 本文从进 口棉花质量监管的实际情况出发 ， 对 参考又献 进口 棉 花 的H V I 测 试 指 标 和 纱 线 质 量 之 间 的 关 联 [ 号 警 耀 ， 方 志 耕 灰 色 系 统 理 论 及 应 用 [ M ] 北 京 度进行研究 ， 通过采集和整理美国、 乌克兰 、 印度和 菊 ．江苏省科技投入与经济增长的灰色 澳大利亚等国的进 口棉花数据 ， 采用灰色关联分析 关联研 究⋯ ．科学学与科学技术管理， 2 0 0 4 1 3 4 3 6 ． 方法 ， 得到指标的关联度矩阵。通过关联度排序发 3 ]吴 歆， 方志 耕， 阮爱清． 基于灰色关 联的产业集聚与区 域经 现 ， 不同国家进 口棉花的 H VI 测试指标对 同一类 济 竞争力关系研究[ J j ． 工业技术经济， 2 0 0 7 ， 2 6 2 4 0 4 3 ． 型纱 支 的 同一 质量 指标 的影 响是 不 同 的， 不 同 ] 李 秋芳， 康国 磊， 李小芳， 等 基于灰色关 联的 河南省粮 食生产 H V I 测 试 指 标 对 纱 线 的 质 量 指 标 影 响 程 度 不 同 。 析 萎 析 因此必须有针对性地按进 口国和进 口棉花 的测试 ⋯ ．江西棉花， 2 0 0 1 ， 2 3 2 6 8 ． 指标数据制定政策 ， 本文的相关研究方法和研究思 [ 6 ]尹景本， 薛舂善， 王 盈． 应用 灰色关联度分析 棉花的 产量与 路可以为检验机构或棉纺加工企业提供管理决策 品 质⋯． 安徽农业科学， 2 0 0 8 ， 3 6 1 3 5 2 4 5 5 2 4 6 ． Re s e a r c h o f Re l a t i o n a l De g r e e o f H VI a n d Ya r n o f I m p o r t Co t t o n Ba s e d o n Gr e y Re l a t i o n a l Ana l y s i s XU Xi nh u a ， W ANG Ya c h u n ， L V Xi a of e n g 3 ， W ANG Xi a n gx i a n g 1 ． Na n j i n g E n t r y E x i t I n s e p e c t i o n a n d Qu a r a n t i n e B u r e a u ， J i a n g s u Na n j i n g ， 2 1 0 0 0 1 ， C h i n a 2 ． J i a n g s u E n t r y E x i t I n s e p e c t i o n a n d Q u a r a n t i n e B u r e a u ， J i a n g s u Na n j i n g ， 2 1 0 0 0 1 ， C h i n a 3 ． N a n j i n g Un i v e r s i t y ， J i a n g s u Na n j i n g ， 2 1 0 0 9 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I mp o r t c o t t o n i s o n e o f i mp o r t a n t c o mmo d i t i e s i n o u r c o u n t r y ．I n o r d e r t o g e t mo r e e f f e c t i v e i n f o r ma t i o n o f HVI i n s p e c t i o n a n d s u p p o r t n a t i o n a l d e c i s i o nma k i n g，i t u s e s t h e me t h o d o f g r e y r e l a t i o n a l t o a n a l y z e t h e r e l a t i o n a l d e g r e e b e t we e n HVI i n d e x e s a n d q u a l i t y o f y a r n．I t c a n d r a w s o me p r o p e r c o n c l u s i o n s a n d a s s i s t t he g o v e r nme nt t o c r e a t e po l i c i e s ． Ke y wo r d s C o t t o n I n s p e c t i o n；Gr e y Re l a t i o n a l An a l y s i s ；HV I ；Ya r n ；Re l a t i o n a l De g r e e 上接第 5 4页 s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n d q u i c k l y r e a l t i me d e s p o n d e n c e a b i l i t y ．B a s e d o n s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 PL C．i t u s e s t h e r e d u n d a n t a n d h i e r a r c h y c o n t r o l s t r u c t u r e t o c o n s t r u c t t h e c o n t r o l s y s t e m．I t d e v i d e s t h e b o t t o m c o n t r o l s y s t e m i n t o s e v e r a l s u b s y s t e ms ，t h e t o p c o n t r o l s y s t e m a c h i e v e s t h e f u n c t i o n o f ma n ma c h i n e c o n v e r s a t i o n a n d s y s t e m mo n i t o r i n g．I t a l so d i s c u s s e s t h e d a t a c o mmu n i c a t i o n me t h o d d u r i n g a l l h i e r a r c h y c o n t r o l s y s t e m．Th i s s y s t e m i s o p e n，i n t e l l i g e n t a n d e a s y ma i n t e n a n c e ． Ke y wo r d s F PS O；Ge n e r a t o r Co n t r o l ；S 73 0 0 ／ 4 0 0 PL C；Re d u n d a n t a n d Hi e r a r c h y Co n t r o l S t r u c t u r e ；Da t a Co mmu n i c a t i o n