海上LNG 软管输送与转驳装置控制系统设计

蒙学昊，邵彦山，周 毅，夏华波，吴 昊

(1. 中海油能源发展采油服务公司 天津 300457；2. 连云港杰瑞自动化有限公司 江苏连云港 222000)

海上LNG 软管输送与转驳装置用于实现船与船之间LNG 货物的输送与转驳，随着我国能源结构调整优化与改革深化，海上LNG 产业链也在不断发展壮大，LNG 软管输送与转驳装置已不可避免地成为影响海上LNG 产业链发展壮大的重要一环[1-3]。

针对我国南海恶劣的海况条件，常规海上LNG软管输送与转驳装置已无法满足装卸作业条件的技术要求和不同船舶、不同海况下的作业条件，根据海上LNG 输送与转驳安全的需求，构建基于冗余控制器、冗余网络、冗余IO、冗余传感器四重冗余的控制系统，保证了海上LNG 软管输送与转驳装置在紧急时刻拉断的及时性和准确性，并提高了加注安全性。

1 系统概述

1.1 系统组成

LNG 输送与转驳装置主要由船船快速连接/分离装置(QC/DC)、主动紧急脱离装置(ERS)、软管鞍座及防坠落系统、液压动力单元(HPU)、LNG 复合软管、Y 形三通接头、船船位置检测装置(VSD)与系统集成控制系统等组成[4]，如图1 所示。

图1 LNG输送与转驳装置组成Fig.1 Composition of LNG transportation and transfer device

1.2 系统要求

对海上LNG 软管输送与转驳装置控制系统有如下要求：①船船位置检测，实时检测加注船与受注船的距离，具备安全工作区、一级报警区(ESD1)和紧急脱离区(ESD2)三级位置实时精确检测能力(表1)；②紧急脱切断与脱离，保证在紧急时刻实现LNG 软管的紧急切断、紧急脱离，提高加注安全性；③IAS通信，与船舶自动化系统实时通信。

表1 ESD动作表Tab.1 ESD action table

2 硬件系统设计

LNG 软管输送装置控制系统由现场仪表、PLC控制柜、操作面板、报警面板等部分构成。当控制系统接收到ESD 信号或操作人员按下紧急按钮时，控制液压缸驱动实现软管的紧急切断与紧急脱离，同时进行声光报警，LNG 控制系统架构如图2 所示。

图2 LNG控制系统总体设计Fig.2 Overall design of LNG control system

2.1 船船位置检测

船船位置检测采用硬线连接与激光雷达两种方式精确获得船船距离信息，并在船头、船尾冗余配置，实现在恶劣环境下识别超出包络线范围和启动预报警、ESD1、ESD2 的功能。包络线信号逻辑表如表2 所示。

表2 包络线信号逻辑表Tab.2 Envelope signal logic table

2.2 PLC控制柜

PLC 控制柜安装在机房中，位于安全区域，用于实现ESD1 控制、ESD2 控制、人机界面、船舶自动化系统IAS 通信、液压单元的控制；操作面板安装在操作间，位于安全区域，具有ESD1、ESD2 操作与指示功能；报警面板安装在作业现场，位于危险区域，具有防爆控制箱、防爆报警笛、防爆预报警报警灯、防爆ESD1 报警灯、防爆ESD2 报警灯、防爆ESD 按钮，用于预报警，ESD1、ESD2 的报警显示及操作。

2.2.1 控制器方案

控制系统采用“集中监测、分散控制”的思想，为确保LNG 软管输送与转驳装置的数据安全传输、高运行可靠性及不停机维护，采用西门子400 冗余PLC，具有控制器冗余、网络冗余、IO 冗余三重冗余保护[5]，具体配置如图3 所示。

图3 控制系统硬件配置Fig.3 Hardware configuration of control system

通过冗余组件实现故障时的系统可靠性。每个冗余节点可视为独立的部分，当节点内部的某个组件发生故障时并不会导致其他节点或整个系统的可靠性受到限制。可使用块图简单地说明整个系统的可用性。对于2 选1 系统，冗余节点的一个组件发生故障时不会削弱整个系统的可操作性，冗余节点链中最薄弱的环节决定了整个系统的可用性。

2.2.2 操作台面板设计

操作面板安装在操作间，位于安全区域，包含PLC 控制系统的所有功能命令。由不锈钢单开门防护柜、防爆接线箱、防爆显示屏、声光报警器、主令电器、指示灯等器件构成。操作面板如图4 所示。

图4 控制系统硬件配置Fig.4 Hardware configuration of control system

安装于操作面板的报警器能够发出不同间歇频率的蜂鸣声音。出现预报警、紧急切断、紧急脱离等警报时，蜂鸣器发出不同频率的急促鸣响。操作盘上的指示灯包括状态指示灯、紧急切断/紧急脱离指示灯、维护状态指示灯、电气/液压故障指示灯、泵1/2运行指示灯、报警指示灯、设备选定指示灯、紧急脱离接头阀门开/关指示灯等。

主令电器包括：紧急切断急停按钮、紧急脱离急停按钮、急停复位钥匙旋钮、报警确认按钮、警笛消音按钮、泵启/停按钮、泵机选择旋钮、控制电源开关、就地盘/遥控器旋钮、设备选择旋钮、紧急脱离接头球阀开/关按钮等。

2.2.3 人机界面

采用西门子WINCC 组态软件，实时监控加注过程、船船位置、液压单元、紧急脱离等单元状态，并实现数据归档、报警提示、历史查询等功能。

2.2.4 通信方案

PLC 与人机界面采用以太网实现数据交互，与船舶自动化系统IAS 采用MODBUS RTU 和硬线2 种形式实现通信，通过MODBUS RTU 总线和硬线开关量2 种信号形式进行通信。采用MODBUS RTU总线时，船舶自动化系统IAS 为主站，LNG 软管输送控制系统为从站，实现了船舶自动化系统IAS 对LNG软管输送控制系统的监控与集成。输送控制系统与IAS 系统通信信号如表3 所示。

表3 IAS通信列表Tab.3 IAS communication list

3 软件系统设计

根据作业需求和系统要求，软件的主要流程如图5 所示。主要由通用动作、液压单元控制、ESD 控制、系统故障诊断、液压单元控制、MODBUS RTU 等部分组成。

图5 软件流程图Fig.5 Software flow chart

液压动力单元(HPU)用作LNG 输送与转驳装置动力供给，它通过外部的管路系统与数个液压油缸相连以控制多组阀门动作，采用双泵并联设计、蓄能器冗余设计。当检测到有液压动作或蓄能器压力低于设定下限时，自动启动液压电机为系统提供动力；当无任何动作时，自动停止液压电机，节省能源。液压单元控制流程如图6 所示。

图6 液压单元控制流程Fig.6 Control flow of hydraulic unit

ESD1、ESD2 的控制流程如图7 所示，PLC 根据表2 包络线信号逻辑表中的逻辑进行ESD 信号检测，当检测到相应的ESD 信号时，按照表1 所示ESD 动作表进行相应的动作。

图7 ESD控制流程Fig.7 ESD control flow

4 功能试验

①PLC 冗余控制器切换过程试验：人为设置主控制器故障，控制系统切换过程无错乱、监控信号自动保持切换时实际状态，切换后系统工作正常、数据无丢失。

②报警区域试验：在维护超驰状态下，模拟船船距离分别依次越过预报警、一级报警、二级报警包络线，检验维护超驰状态下船船允许运动区域和区域报警的触发功能，并利用PLC 监控软件记录各个包络范围的值。

③液压系统功能试验测试：分别设置泵1 故障、泵2 故障，液压系统正常切换冗余泵或蓄能器，保证系统动力供给，切换过程油缸动作无明显卡顿。

④整机ERS 低温紧急脱离试验(人工触发)：人工触发紧急脱离程序，连续声光报警启动，紧急脱离油缸驱动下球阀在5 s 内关闭，抱箍在下球阀关闭后2 s 激活，抱箍激活后，液压回撤功能启动；各性能指标与动作功能符合要求。

⑤整机ERS 低温紧急脱离试验(模拟自动)：模拟船船距离分别依次越过预报警、一级报警、二级报警包络线，触发紧急脱离程序，连续声光报警启动，紧急脱离油缸驱动下球阀在5 s 内关闭，抱箍在下球阀关闭后2 s 激活，抱箍激活后，液压回撤功能启动；各性能指标与动作功能符合要求。

通过一系列单机试验及系统联调试验测试，验证了海上LNG 软管输送与转驳装置控制系统各性能指标与动作功能，试验过程和结果符合试验大纲和行业标准SY/T 6986.1—2014 的要求[6]，各项性能指标与动作功能均符合要求。

5 结 语

试验及实际应用结果表明采用基于冗余PLC 控制的海上LNG 软管输送与转驳装置控制系统满足海上LNG 软管输送装置全程安全输送需求，能够保证紧急拉断的及时性和准确性，并能够提高加注安全性。但针对不同目标船型和作业海况，在各种不同的船船漂离速度、晃动、高差工况下如何确定最优的安全工作区、一级报警区和紧急脱离区范围，仍有待进行更深入的研究。■