鉆井船閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭曉波，許亮亮，張海龍

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

鉆井船閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭曉波，許亮亮，張海龍

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

閥門遙控系統(tǒng)是由控制臺(tái)利用液、氣、電作為動(dòng)力對(duì)閥門的開啟、關(guān)閉進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中控制，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)到各個(gè)閥的運(yùn)行情況。首先介紹了遙控閥的類型，再通過(guò)兩種常見的控制方案闡述了閥門遙控系統(tǒng)的控制原理，最后以上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司在建鉆井船項(xiàng)目為例，詳細(xì)講述了電液動(dòng)式閥門遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

閥門遙控系統(tǒng)；控制方案；電液動(dòng)式閥門

0 引言

閥門遙控系統(tǒng)是由控制臺(tái)利用液、氣、電作為動(dòng)力對(duì)閥門的開啟、關(guān)閉進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中控制，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)到各個(gè)閥的運(yùn)行情況。一般閥門遙控裝置包括中央控制站、控制柜、液壓站、液壓管線、現(xiàn)場(chǎng)閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（注：只有選用液壓式遙控閥時(shí)，才包含液壓站和液壓管線）。在中央控制站或控制柜處通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置或者計(jì)算機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行，同時(shí)將位置信號(hào)反饋至控制柜和中央控制站，從中控制系統(tǒng)可以方便快捷地控制遠(yuǎn)程閥門并實(shí)時(shí)了解閥門的開閉狀態(tài)［1］。

1 遙控閥的類型

根據(jù)遙控閥的驅(qū)動(dòng)方式可以分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)、電液動(dòng)四種基本類型［2，3］。電動(dòng)遙控閥是以交流或直流電作為動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)控制臺(tái)上的開關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而控制閥門的開、閉；氣動(dòng)遙控閥是以氣源壓力作為動(dòng)力，通過(guò)控制臺(tái)上的開關(guān)通過(guò)控制對(duì)應(yīng)開閉閥氣管上的電磁閥換向，由氣壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)閥門進(jìn)行開、閉；液動(dòng)遙控閥是由液壓泵站提供動(dòng)力源，通過(guò)控制臺(tái)上的開關(guān)控制對(duì)應(yīng)的開、關(guān)閥管路上的電磁閥換向，由液壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)閥門進(jìn)行開、閉；電液動(dòng)遙控閥是以液壓為動(dòng)力，通過(guò)控制柜控制電液式驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使驅(qū)動(dòng)器液壓泵將正向或者反向的液壓動(dòng)力提供給開、閉油路進(jìn)行閥的開、閉。

根據(jù)閥的功能又可分為雙作用閥和單作用閥。需要失電后保持開關(guān)狀態(tài)不變時(shí)選用雙作用閥，需要失電后關(guān)閉或者失電后打開時(shí)，選用單作用閥。閥門選擇要滿足規(guī)范要求和船東要求，如壓載系統(tǒng)的遙控閥，要求當(dāng)失去控制電源和壓力時(shí)，遙控閥必須為關(guān)閉狀態(tài)或?qū)蜿P(guān)閉，所以只能選擇單作用閥。

根據(jù)閥的開閉程度又可以將閥分為兩種，一種是開關(guān)閥，其控制及反饋信號(hào)為數(shù)字量；一種是調(diào)節(jié)閥，其控制信號(hào)和反饋信號(hào)為模擬量。

2 閥門遙控系統(tǒng)的控制原理

閥門遙控系統(tǒng)是可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并控制閥門開閉的系統(tǒng)。閥門遙控系統(tǒng)可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，有單獨(dú)的設(shè)備供應(yīng)商提供整套控制系統(tǒng)，并與中央集成控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能；也可以集成到中央控制系統(tǒng)中，成為中控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)提供完整的系統(tǒng)［4］。無(wú)論采取獨(dú)立系統(tǒng)還是集成為中控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，閥門遙控系統(tǒng)的控制原理都是一致的。其控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1和圖2所示。

2.1 閥門遙控系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)

圖1所示方案中，遙控閥按照區(qū)域就近連接到對(duì)應(yīng)的閥門遙控系統(tǒng)控制柜上，控制柜集成了 I/O模塊，系統(tǒng)控制模塊和系統(tǒng)操作的人機(jī)界面，通過(guò)人機(jī)界面顯示MIMIC圖，獲取閥門的開、閉狀態(tài)；通過(guò)人機(jī)界面的鼠標(biāo)或者鍵盤來(lái)發(fā)送命令信號(hào)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制閥門的目的。

各個(gè)控制柜之間通過(guò)Ethernet網(wǎng)絡(luò)連接，使得任何一個(gè)單獨(dú)的控制柜上都可以監(jiān)測(cè)并控制所有的遙控閥?？刂乒裢ㄟ^(guò)RS-485總線和中控聯(lián)網(wǎng)，使得所有的遙控閥也可以通過(guò)中控監(jiān)測(cè)并通過(guò)控制位置的選擇，轉(zhuǎn)移到中控控制。

2.2 閥門遙控系統(tǒng)作為中控系統(tǒng)的一部分來(lái)設(shè)計(jì)

圖2所示，遙控閥系統(tǒng)和中控系統(tǒng)共用現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集柜（I/O柜），各個(gè)區(qū)域的遙控閥就近連接到I/O柜中，I/O柜經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接到中央控制柜，閥門遙控的控制模塊集成在中控系統(tǒng)的控制柜中，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接到人機(jī)操作界面，通過(guò)改界面監(jiān)測(cè)并控制遙控閥。根據(jù)船東要求，在現(xiàn)場(chǎng)需要就地控制位置，可以加設(shè)就地控制板以滿足需要。

圖1 閥門遙控系統(tǒng)典型拓?fù)鋱D

圖2 閥門遙控系統(tǒng)典型拓?fù)鋱D

3 鉆井船閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司在建鉆井船項(xiàng)目中閥門遙控系統(tǒng)主要服務(wù)于壓載系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)中的遙控閥?？紤]到管線敷設(shè)難度，所有遙控閥選用的是電液式遙控閥。根據(jù)閥門的位置分布共配置了五個(gè)自帶工作站的閥門遙控控制柜，同時(shí)配有兩臺(tái)手搖泵以備應(yīng)急狀態(tài)時(shí)本地手動(dòng)操作閥門。以下分別從系統(tǒng)電源、網(wǎng)絡(luò)、控制器和中控的接口，以及控制模塊等方面來(lái)介紹本項(xiàng)目中閥門遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［5］。

閥門遙控控制柜電源為220VAC 60Hz，正常情況下由船舶正常電源供給，當(dāng)正常電源失效時(shí)，自動(dòng)切換到220VAC 60Hz應(yīng)急電源并向中控發(fā)送一個(gè)報(bào)警信號(hào)?？刂乒裰信溆袃陕?20VAC/24VDC開關(guān)模塊電源，一路是為正常，另一路作備用，當(dāng)正常模塊失效后切換到備用模塊供電并向中控發(fā)送報(bào)警信號(hào)。此外，每個(gè)控制柜中還配置有維持20分鐘供電的蓄電池。

每個(gè)控制柜配有一組網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，主要作用是連接控制器和HMI人機(jī)界面?？刂破鬟B接到接口1，工作站HMI連接到接口2，接口3用作連接外部計(jì)算機(jī)，接口4和接口5用來(lái)和其它控制柜相連。該設(shè)計(jì)可使每一臺(tái)控制柜都可以分享其他所有控制柜的信息。該網(wǎng)絡(luò)為Moxa Turbo Ring冗余網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)，可以在20ms之內(nèi)迅速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

每個(gè)控制柜中配有一個(gè)可編程控制器，控制器的地址根據(jù)控制柜編號(hào)編寫，遙控閥的控制和報(bào)警裝置都安裝在控制器中，此外控制器還配有和本地網(wǎng)絡(luò)的接口，便于修改內(nèi)部程序。

每個(gè)控制柜中有兩個(gè)相互冗余的RS485模塊，通過(guò)RS485模塊和中控傳輸數(shù)據(jù)。兩個(gè)模塊中的數(shù)據(jù)相同，如果一個(gè)模塊故障，信號(hào)可以通過(guò)另一個(gè)模塊傳輸。每個(gè)控制柜配有一個(gè)帶有“17”的HMI操作界面的工作站，并自帶數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)APERIO。APERIO系統(tǒng)是船員最常用的操作系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)計(jì)好的顯示界面全程控制并監(jiān)測(cè)遙控閥的狀態(tài)。所有的遙控閥和相關(guān)的三個(gè)系統(tǒng)（壓載系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)）信息可以在五個(gè)控制的任何一個(gè)工作站上完全顯示。

本項(xiàng)目采用的閥門控制模塊是專門為控制Damcos閥門設(shè)計(jì)的控制單元，控制模塊通過(guò)控制本地執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁閥或者本地動(dòng)力單元來(lái)控制閥門的開、閉。該模塊既可以通過(guò)中控控制也可以通過(guò)控制柜上的HMI控制，此外該模塊上還配有開、閉按鈕，以備緊急狀況時(shí)控制?？刂颇K上有兩路繼電器輸出到本地執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥和動(dòng)力單元從而控制閥門的開、閉，同時(shí)配有閥門位置反饋信號(hào)輸入接口。

4 結(jié)論

閥門遙控系統(tǒng)作為船舶及海洋工程中的常用系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮船舶或海洋工程的實(shí)際情況選擇閥門的類型。根據(jù)各系統(tǒng)閥門的實(shí)際分布位置確定閥門遙控系統(tǒng)控制柜或接線柜的臺(tái)數(shù)，在滿足規(guī)范要求［6，7］的前提下確定控制柜合適的安裝位置，同時(shí)要考慮系統(tǒng)電源、網(wǎng)絡(luò)配置滿足冗余要求。本文通過(guò)介紹遙控閥類型，閥門遙控控制原理，比結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)，對(duì)閥門遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案做了詳細(xì)說(shuō)明，望對(duì)以后的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

［1］ 林銳， 劉輝， 張軒. 船舶閥門遙控系統(tǒng)研究與分析［J］.流體傳動(dòng)與控制， 2007（6）： 15-16.

［2］ 韓章. 船舶閥門遙控系統(tǒng)的選擇［J］. 船舶與海洋工程，2009（2）： 33-34.

［3］ 周守為. 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南［M］. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2007.

［4］ 陳可越. 船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京： 中國(guó)交通科技出版社， 2008.

［5］ EMERSON閥門遙控系統(tǒng)資料［Z］. 2012.

［6］ ABS Rules for mobile offshore drilling units［S］. 2012.

［7］ ABS Rules for building and classing steel vessel［S］. 2012.

Design of Valve Remote Control System for Drill Ship

Guo Xiao-bo， Xu Liang-liang， Zhang Hai-long
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Valve remote control system is a kind of system that could control the valve form a remote controller by using the hydraulic pressure， air pressure and electric power as the source of power. At the same time， the operation state of each valve can be monitored on the remote controller. The paper introduces the type of remote control valve， and explains the control principle of valve remote control system through two common control schemes. Finally， the dill ship is taken as an example to describe the design method of the electro-hydraulic valve remote control system.

valve remote control system； control scheme； electro-hydraulic valve

U665.13

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.017

郭曉波（1988—），女，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程電氣專業(yè)設(shè)計(jì)。