CN103062471A - 阀门控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀门控制系统，所述阀门控制系统包括：液位传感器，用于检测液体舱室内的液位，生成液位数据；控制器，用于根据接收到的液位数据判断是否到达预定液位，并发出控制信息；阀门驱动器，用于根据接收到的控制信息控制阀门的关闭和开合。本发明阀门控制系统液位检测与阀门控制的同时处理，处理速度快，实时性好。

Description

阀门控制系统

技术领域

本发明涉及一种阀门控制系统，尤其涉及一种用于钻井平台各舱室液位控制的阀门控制系统。

背景技术

在自升式钻井平台使用中，为防止在钻井过程中因平台负荷增加造成桩腿下陷的严重事故与损失，故在平台插桩腿后未升至设计高度前必须进行预压载作业。预压载通常采用向平台压载舱内注入海水，一般在平台设计时会考虑各桩腿均匀压载的舱容并使其能借用某些其他舱(饮用水舱等)以减少压载舱所占用不必要的空间与质量；选择预压载的数据甚为重要，它必须大于平台整个作业过程中对每个桩腿施加的最大实际负荷；预压载作业时船体不能离开水面过高，以防某个桩腿突然下陷造成平台的歪斜甚至倾翻。

从平台压载的描述中可以看出，在钻井平台起升时，会对平台进行反复的压载，利用潜水泵或预压载泵对舱内注入大量海水，从而增加平台的重量起到压载作业。在压载的过程当中，压载水的重量是逐步增加的，不是一次性压载到最大负荷的重量。一般会在下桩腿后，平台起升一定的高度，压载一定量的海水后，等一段时间，压载平台，在排掉压载水，继续升一定的高度，然后再注入水压载，然后重复压载的过程，直到最后压载大最大的负荷值。整个过程中，会对平台进行几次排水、起升、压载，而每次压载的重量都是有要求(在设计时必须考虑)，而如何才能准确的控制压载舱内水的重量，达到预期值，对平台的安全性来讲是非常重要的。

可以利用阀门开关压载舱的阀门，来实现海水进出的控制，用液位传感器来监测舱室液位高度(重量)，一旦舱内压载水达到预期值后，立刻关掉进水阀，从而控制压载水的多少，使压载效果达到预期值，这样就可以很好的对平台进行预期的压载。阀门遥控和液位遥测系统在平台压载起着关键性的作用。除了平台压载会用到这个系统，在舱底水、消防水系统、燃油舱系统等同样会用到。

但是现有技术对于液位检测和阀门控制是分开进行的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种阀门控制系统，可以实现液位检测与阀门控制的同时处理。

为实现上述目的，本发明提供了一种阀门控制系统，所述阀门控制系统包括：

液位传感器，用于检测液体舱室内的液位，生成液位数据；

控制器，用于根据接收到的液位数据判断是否到达预定液位，并发出控制信息；

阀门驱动器，用于根据接收到的控制信息控制阀门的关闭和开合。

本发明阀门控制系统液位检测与阀门控制的同时处理，处理速度快，实时性好。

附图说明

图1为本发明阀门控制系统的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

在平台上，压载水舱、饮用水舱、油舱等大大小小的舱很多，其中大多数的舱需要通过阀门开关来控制舱内液体的进出，从而实现平台的压载等其他功能，阀门遥控系统就是为了现场工作人员能在舒适的工作场所来控制这些阀门，因为在平台上阀门众多，相互距离不短，其中有些工作还在最危险、最肮脏的地方，比如载满原油的货舱内、注入压载水的压载舱内，人是很难操作的，所以需要通过阀门遥控系统来精确控制它们“灵活动作”。

图1为本发明阀门控制系统的示意图，如图所示，本发明的阀门控制系统包括：液位传感器1、控制器2、阀门驱动器3和阀门4。液位传感器1和控制器2相连接，控制器2和阀门驱动器3相连接，阀门驱动器3和阀门4相连接。

液位传感器1检测液体舱室内的液位，生成液位数据；控制器2根据接收到的液位数据判断是否到达预定液位，并发出控制信息；阀门驱动器3根据接收到的控制信息控制阀门4的关闭和开合。

本发明的液位传感器可以为多个，按照实际需求设置，并且具体的液位传感器可以为压力式传感器、浮子式传感器或气泡式传感器。同理，本发明的阀门驱动器3也可以为多个，按照阀门4的设置而设置。具体的，阀门驱动器可以为电力驱动式驱动器、液压驱动式驱动器或气动驱动式驱动器。

对于阀门遥控系统基本构成可以看作由三部分：阀门电液驱动头、控制模块、监控装置。

对阀门的遥控操作，可以在监控装置上实现，在监控设备上进行阀门遥控操作时，中间控制模块采集到对阀门的控制信号，根据收到的信息，进行逻辑运算，完成对阀门的遥控操作，然后再将状态信号反馈至监控机。

自升式钻井平台具有压载舱多、容积大的特点，其压载舱水位、输油舱的油位监测对钻井平台的安全和功能具有举足轻重的作用，由于自升式钻井平台特点，舱多而且相距很远，人工测深尺测量液位既费工费时，又难度大，显然已经不能于适应现代化钻井平台，而液位遥测系统最适合本工况。

液位遥测系统可对压载舱、油舱、淡水舱等进行液位的监测，液位遥测系统是通过液位传感器来检测舱内液位，然后将舱液位信息接入液位遥测电脑系统，进行舱容计算等，并在监控面板上显示和报警。

液位遥测系统是将PLC模块和监测系统以及传感器等组成，在需要监测的舱安装液位传感器，将各路来的液位传感器信号传输到PLC模块内，PLC对接收到的信号进行分析，然后传输到监控面板上进行显示和报警等，从而实现液位的检测。这种方式，结构简单、稳定性高。

目前在自升式钻井平台以及其他船舶项目上，阀门遥控和液位遥测系统都是独立成为系统，二者之间没有任何的关系。下面就分别介绍现在海工项目上比较常见的阀门遥控和液位遥测系统。

若阀门为电力驱动，那么系统就是由控制台和电力驱动头构成。若是液压驱动，系统由控制台、液压泵站、电磁阀箱、液压驱动头等。若是气动驱动，系统有控制台、气源装置、气动驱动头等。以上三种只是在驱动装置上不同，其他的构造是一致的，无论哪种结构的阀门遥控系统，都是将控制台放在中央控制室的，其他的设备都是放在现场的，阀门的控制都将在中央控制室内完成，环境舒适，操作方便快捷。

由于现在使用最多的还是液压驱动的这种方式，所以下面对液压驱动方式的阀门系统进行一个详细的介绍。从系统的结构形式分析，可分为两种结构：

直接操控式

系统结构：系统硬件由控制台(包括PLC)；a智能泵站；b电磁阀箱；c阀门驱动头；d应急泵等主要部件组成(紧急情况下使用)；软件部份运用组态程序，执行对阀门的操控和状态的监视。

由中控室的PLC对远距离和复杂工作环境的舱里的电磁阀箱进行控制，切换油路从而对阀门进行监视遥控，用户可以在PLC控制台独立操控被控阀门的运行状态；

控制台(包括PLC)是安装在中央控制室里面，在控制台上安装有监视器、电源开关、急停按钮等，PLC的DI模块接受到阀门控制信号后，再通过DO模块控制电磁阀；泵站和电磁阀箱安装在离压载舱较近的地方，有效缩短到液压驱动头的距离，阀门及驱动头安装在舱里面，有侧装或者浸没式，由于平台压载系统对阀门的开度没有要求，那么我们的阀门采用开/关式，只有开和关两种情况；从泵站到电磁阀箱连接两路比较大的管系，每个电磁阀的分油路都是通过管子链接到主液管系上，每一个电磁阀到控制台PLC模块是用多芯控制线连接起来，每个电磁阀的状态以及控制都是通过这根线缆来实现；在泵站上有个选择电源开关，可以选择主电源，也可以用应急电源，泵站上自带两个液压泵，一个正常使用，另一个处于备用状态，两台泵随时可以更换，在泵站自带的控制箱上有液压泵的启动、停止、电源故障、高低油位报警、蜂鸣器、就地、遥控等操作按钮，控制箱与监测报警箱是连接起来的，所有的故障和报警都可以反应到那里通知工作人员及时解决；在电磁阀上自带个限位开关，液压泵工作的时候输出油，在油压的作用下推动限位开关打开开关，这时对应的油管中的液体开始流动，从而达到遥控的目的。

集中分布式

由数个分布现场的独立操控台(下位机)与上位机操控台联网，形成集中分布式控制。运行时控制距离与位置均无限制要求，减少现场的走线。

系统结构：由中央控制台PLC控制主站、电磁阀箱(包括应急阀块)、远程I/O模块、工控机、液压动力泵站、液动阀门、应急手摇泵组成。在控制台PLC控制主站处可对液动遥控阀进行开关操作。阀门状态将显示在监视器上。电磁阀箱远程I/O站通过总线与中央控制PLC主站连接，根据PLC主站的操作要求，控制相应电磁阀的瞬间通电换向并锁位，从而控制油路进出方向，达到开关阀门的目的。人机监视界面用于实现操作者对阀门的控制以及实时获取阀门状态信息。

将阀门和液压驱动头分布在各个对应的位置，同样也有浸没式、侧装式；2个电磁阀箱分别分布在平台左右舷的舱室里，然后左舷阀门驱动头的油管线连接到左舷电磁阀线里，右边的同理；1个液压泵站为电磁阀箱提供油路，液压泵有2个，一用一备，确保液压站的可靠性；电磁阀箱的旁边设置有一个PLC从站，左右舷的电磁阀箱各有1个，用于对电磁阀的控制；如有需要的同样会在旁边设置一个MIMIC板；2个PLC从站通过网线连接到中央控制室里面的PLC主站，PLC主站通过网络与电脑连接，实现控制。这样电脑将控制指令通过网络传送给PLC主站，PLC主站与从站是相同的，所以电磁阀的开关就可以被控制。

以上2种是国内现在比较常见的系统结构，直接操作式的结构简单、成本低，但是设备的空间大、现场线缆走向复杂；而集中分布式结构复杂、成本高，但现场走线简洁、节约空间。

现在应用在海洋平台上的液位遥测系统有很多种，其主要还是在于传感器的不同，考虑到经济性、安全性、可靠性、安装维护便捷等原因，目前在自升式钻井平台上应用最多的还是吹泡式和压力式。

从大多数项目上看，液位遥测系统除了传感器不同之外，在信号采集单元、信号处理单元等结构上也有不同，下面介绍几种最常见的液位遥测系统。

直接监控

系统由传感器、电气转接箱、监控台(包括PLC模块、监视器)组成。液位传感器分布在平台需要监测液位的舱里，传感器可采用压力式、浮子式、气泡式；在中央控制室安装一个监控台，用于信号的采集、参数的设定以及系统的报警控制；若是采用非气泡式传感器，会在现场安装几个电气转接箱，用于集中转接传感器到PLC模块的电缆，如果每个传感器都是直接用线缆连接到监控台，到监控台的线缆太多，不利于现场的布置，所以将一个区域的液位传感器集中转接为一根多芯线缆，这样是现场更加简洁、方便。当PLC接受到采集回来的液位信号，会进行数据处理、分析，然后显示在监控台上，若超出液位设定值等PLC输出报警信号，从实现液位遥测。

气泡式液位遥测主要由气管线(单向阀、隔离阀)、气电测量箱、监视系统(本地、远侧显示器)、气源构成。在平台上，一般将监视器安装在控制室里，气电测量箱安装在舱室里面，气源给测量箱提供4-8Bar气体，气管连接气电控制箱至被测舱，气电测量箱控制气体压力，把气体吹到各个需要检测的舱内。简单的讲，该系统的基本原理就是通过气电测量箱不断地向被测舱里面吹气，不断地加大气压力直到液面有气泡冒出，气电测量箱将此时的压力值转化为液位高度的电信号，通过RS-485或其他网络形式将数据传到监视系统，进行液位的监测。

集中分布式液位检测系统

这种结构的液位遥测与集中分布控制的阀门遥控系统的结果比较类似。该系统包含了PLC主站、从站、液位传感器、监控台，在现场的布置也与阀门遥控系统大致相同。

液位遥测系统对相应舱室的液位进行检测与报警。所有的信号都通过安装在各个采集箱中的PLC从站I/O模块进行采集，保证所采集信号的准确性。PLC从站的I/O模块通过总线与安装在中央控制室的PLC主站通信，将所采集的信号发送到PLC的CPU模块，然后主站与监视器相连接，安装监视器上的人机界面，可以实现操作者对监测信号的实时获取以及对报警信息的处理。这样的一套系统，依照40个点来讲大约需要50万人民币左右。

相比上面讲述的几个液位遥测系统，气泡式是最经济、最安全、最简单的系统，所以现在越来越多的项目在使用气泡式的液位测量系统。

以一个典型的自升式钻井平台为例，在平台上需要阀门遥控和液位遥测系统对压载水系统、舱底水系统、油舱、吃水等进行液位监测与控制。根据轮机专业、管系专业对阀门、液位的要求和设计，为实现对液位的监控，需要控制的阀门大约有101个，其中压载水系统的33个舱有66个阀门，舱底水系统有35个阀门；而需要监测的大约液位有41个点，其中22个压载水舱各1个点、3个饮用水舱各1个点、2个燃油舱各1个点、3个压载/钻井水舱各1个点、1个海水舱(2个测量点)、1个基油舱(2个测量点)、1个钻井水舱各1个点、6个吃水点。

需要设计的系统就是要实现对以上的这些阀门进行遥控，对舱的液位进行遥测。

将阀门遥控与液位遥测系统利用PLC技术、通讯技术、监控软件、DCS，将2者紧密集成起来，构成一套自动/手动一体的系统。

从阀门和液位检测点的数目与分布来看，可以将系统一分为二，将左舷的阀门与液位检测点集成在一起，将右舷的阀门与液位检测点集成在一起，然后再将左右舷的系统集成在一起。按这个思路，在左舷建立一个PLC主站，左舷的阀门和液位传感的相关信号、控制电缆接到PLC主站，并带触摸屏对液位、阀门进行本地控制；右舷建立一个PLC从站，右舷的阀门和液位传感的相关电缆信号接到PLC从站，PLC主站与从站通过网线连接，实现在触摸屏上对所有阀门和液位的监控；另外，PLC主站与中控室的DCS系统通过网络连接起来，用DCS的计算机实现运程对阀门与液位的监控。这样实现两个系统控制硬件上的集成。

阀门驱动的选择，阀门的个数多、安装空间有限、工作环境等情况，考虑到成本、安装难度、维护和可靠性等因素，在这个项目上，我们将采用液压驱动的方式。依照液压驱动的方案，所以还需要配置有液压站、电磁阀箱、PLC模块、触摸屏等。

液位传感器的选择，液位传感器的种类诸多，适合不同的工作条件下，按照HHJ1项目的情况，被测点位多，安装环境较恶劣，甚至有些危险区域，考虑到安装、经济性、日后维护等因素，采用气泡式传感器最为合适，它安装方便、结构简单、不受危险环境影响。

液压站：系统有1个液压站，放在左舷袋装[材料]舱，为所有液压驱动头提供液压源，并有自我诊断及报警提示。

电磁阀箱：2个电磁阀箱分别放在左舷袋装[材料]舱和右舷的机修间，左舷电磁阀箱安装了50个2位4通阀为左舷区域的50阀门进行油路的切换，左舷电磁阀箱安装了51个2位4通阀为左舷区域的51阀门进行油路的切换，从而改变油路流向，达到阀门开和关的功能。另外阀门打开与否，也可以从电磁阀箱里面每一单油路的压力反馈出来。

PLC300控制箱：在左舷袋装[材料]舱放PLC主站，右舷的机修间放PLC从站。PLC为系统的控制核心，可进行信号采集、数据处理等功能。通过PLC可以对电磁阀进行控制，同时采集电磁阀的状态。另外，PLC可以读取液位的数据和设置液位的高度等。

气电测量箱：分别在左舷袋装[材料]舱和右舷的机修间安装1个。通过左舷的气电测量箱检测左舷区域的22个被测点的液位高度，通过右舷的气电测量箱检测右舷区域的22个被测点的液位高度，将信号装换为电信号，并可通过RS485传送给其他设备。

触摸屏：在左舷袋装[材料]舱设置2个触摸屏，设计友好的人机界面，实现系统的本地监测与手动控制。

DCS系统的计算机：在中控室里面的DCS计算机，通过DCS系统的计算机，对阀门遥控、液位遥测。

本系统对阀门的控制以及液位的监测可以分为手动/自动模式，在手动模式下有本地/远程控制模式，并设置手动操作站。

手动模式

液位监测：操作员可以通过中控室DCS系统的计算机或本地的触摸屏上设定液位报警值、观察液位高度。气电测量箱将液位高度以电信号传输，通过RS485(MODBUS)与PLC相连，由于PLC没有MODBUS接口，所以在PLC主站和从站各安装1个MODBUS转PROFIBUS DP的网关。液位值传到PLC后，分别通过PROFIBUS DP显示在触摸屏上，和通过PROFINET在DCS系统的计算机上显示液位值。液位值通过气电测量箱实时传到PLC，PLC通过实时测量的值与预先设置的液位报警上、下限值比较，一旦超出范围，PLC将会输出报警信号至报警设备，同时在触摸屏和DCS系统的计算机上报警提示。

阀门控制：操作员首先通过触摸屏或者DCS计算机观察液位值来判断是否应该开或关阀门，此时操作员可以用触摸屏通过PROFIBUS DP将开/关的指令传到PLC，也可以用DCS计算机通过PROFINET将将开/关的指令传到PLC，PLC模块将输出信号使电磁阀动作，同时，PLC采集电磁阀那的油路压力信号，将压力作为开关的状态指示显示在触摸屏和DCS计算机上，操作员可以知道阀门的状态。

自动模式与手动模式基本原理是一样的，唯一的区别在于，部分功能可以利用PLC来代替操作员去开关阀门，现在自动化监控，可以大大的减轻操作员频繁的动作，减轻疲累度，提高工作效率。例如在平台进行压载时，需要压载舱的液位为2m，若是手动模式下，当舱的液位到2m时，操作员需要一个一个在触摸屏上点击关闭对应的进水阀门，这样操作频繁，效率低，存在延迟等影响关闭阀的时间。反之，需要将压载舱的水排掉时，若是手动操作时，需要一个一个的去点击打开排水阀门，最后排完之后，又在逐个关闭排水阀。

但若在自动模式下压载，操作员将33个压载舱液位值设定为2m后，打到自动模式就不用在做其他操作了，此后PLC会输出信号到电磁阀，打开对应的阀门；同时PLC不断将测量回来的液位值与预先设置的2m进行对比，当被测的液位到达2m时，PLC自动关闭对应的进水阀门。反之，需要将压载舱的水全部排掉时，自动模式下就不用逐个去点击关闭了，会又PLC完成，当液位值为0时对应水排完毕，PLC会完成自动关闭阀门的动作。

无论是手动模式还是自动模式，PLC CPU都是控制核心，以PROFIBUS DP、PROFINET、MODBUS为通讯形式连接各个控制设备，以硬接线的方式连接执行机构或者传感器。

触摸屏与PLC主站、从站连接

触摸屏与PLC主站CPU、从站ET200构成对系统的本地控制，它们之间用PROFIBUS DP通讯，PLC CPU、ET200、触摸屏都有PROFIBUS DP接口，应用起来非常方便。

PLC与气电测量箱的连接

气电测量箱为与其他的设备相连设计了2个RS485(MODBUS)的接口，它要与PLC CPU以及ET200相连接，但是都没有MODBUS的接口，所以需要各增加1个MODBUS转PROFIBUS DP的网关。

PLC与DCS系统

DCS与其他系统连接采用的是PROFINET的形式，所以在我们的系统与DCS通讯时采用PROFINET就比较简单了，选择一个带有FROFIBUS DP和PROFINET的接口的CPU即可满足要求。

本发明的阀门控制系统可以实现自动检测液位、自动开关阀门，大量减少工人的频繁操作带来的疲倦；而且将两者集成起来，实现自动化，减少设备安装空间与成本。无缝集成阀门遥控、液位遥测系统实现压载时液位、阀门的自动化控制，减少操作员频繁的操作，提供系统的自动化程度；并设置手动模式，操作员可以手动操作系统，确保系统安全性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阀门控制系统，其特征在于，所述阀门控制系统包括：

液位传感器，用于检测液体舱室内的液位，生成液位数据；

控制器，用于根据接收到的液位数据判断是否到达预定液位，并发出控制信息；

阀门驱动器，用于根据接收到的控制信息控制阀门的关闭和开合。

2.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述液位传感器为多个。

3.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述液位传感器具体为压力式传感器。

4.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述液位传感器具体为浮子式传感器。

5.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述液位传感器具体为气泡式传感器。

6.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀门驱动器为多个。

7.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀门驱动器具体为电力驱动式驱动器。

8.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀门驱动器具体为液压驱动式驱动器。

9.根据权利要去1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀门驱动器具体为气动驱动式驱动器。

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