基于 PC 的控制技術(shù)在海洋石油鉆井平臺振動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用

可靠的能源供應(yīng)對于每個(gè)工業(yè)國家來說都至關(guān)重要。因此，中國海洋石油集團(tuán)有限公司（簡稱“中國海油”或“中海油”）— 中國最大的海上油氣生產(chǎn)商，非常重視海洋平臺的監(jiān)測工作。天津奧菱工業(yè)自動(dòng)化科技有限公司（以下簡稱奧菱）受中海油委托，實(shí)施了支撐結(jié)構(gòu)監(jiān)測解決方案，旨在基于振動(dòng)分析對承載能力進(jìn)行可靠預(yù)測。他們采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)和系統(tǒng)集成式高精度測量產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)所有這些技術(shù)設(shè)備的互聯(lián)互通。

海洋平臺是一種海上大型工程結(jié)構(gòu)物，其鋼結(jié)構(gòu)長期處于海浪沖擊、鹽霧、潮氣和復(fù)雜的海水等環(huán)境中，受海水和海生物的侵蝕，產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)腐蝕，腐蝕嚴(yán)重影響著海洋結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，從而影響到海洋平臺的使用安全。但由于平臺遠(yuǎn)離海岸，不能定期做維修保養(yǎng)，一旦故障出現(xiàn)，將導(dǎo)致整個(gè)裝置停機(jī)，甚至導(dǎo)致石油鉆井平臺事故，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，中國海油非常重視記錄平臺結(jié)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)行狀況和影響因素。

EtherCAT 模擬量端子模塊用作數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)

根據(jù)“十三五”重大專項(xiàng)工作的安排，選取渤海一個(gè)平臺作為平臺健康監(jiān)測的試點(diǎn)平臺，用于對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。基于項(xiàng)目前期對平臺的理論分析以及現(xiàn)場調(diào)研，擬定了各個(gè)測量點(diǎn)，使用 IEPE 振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。采集到的信號通過用于狀態(tài)監(jiān)測（IEPE）并具有超采樣能力的 XFC EtherCAT 端子模塊 EL3632 采集，并以高達(dá) 50 ksamples/s 的速度傳輸給 CX2020 嵌入式控制器進(jìn)行分析評估。

CX2020 嵌入式控制器和 EL3632 EtherCAT 模擬量端子模塊構(gòu)成了一個(gè)非常緊湊的控制和測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)監(jiān)測平臺的運(yùn)行狀況，并通過振動(dòng)數(shù)據(jù)診斷鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)載情況。該試點(diǎn)項(xiàng)目的目標(biāo)是對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整性監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)生存環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，及早發(fā)現(xiàn)有害征兆和特征信息，及時(shí)進(jìn)行預(yù)防。天津奧菱公司負(fù)責(zé)實(shí)施這個(gè)要求極為嚴(yán)苛的項(xiàng)目，該公司專注于海洋造波水利行業(yè)多年，與國內(nèi)多所高校和科研院所均有長期合作，為客戶提供創(chuàng)新的自動(dòng)化解決方案，比如使用倍福技術(shù)實(shí)施的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。“通俗地說，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就是給機(jī)器看病。與其他品牌相比，倍福控制系統(tǒng)作為“醫(yī)生”的診斷工具，再合適不過了。”奧菱范立鵬這樣說道。

實(shí)時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的振動(dòng)分析

振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)共配備了 48 個(gè)加速度傳感器，它們分別密封于滿足平臺防爆要求的防爆盒內(nèi)。振動(dòng)傳感器的信號線從測量點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)入中央控制室的控制柜，通過路由層連接至 2 通道 IEPE 端子模塊 EL3632，它具有 XFC 超采樣功能，采樣率高達(dá) 50 ksamples/s，分辨率為 16 位，確保實(shí)時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)經(jīng) CX2020 嵌入式控制器進(jìn)行分析、處理和保存后，被上傳至石油鉆井平臺的主計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次計(jì)算存儲，并在主計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存檔和實(shí)時(shí)預(yù)警。同時(shí)，主計(jì)算機(jī)通過光纜將所有數(shù)據(jù)傳輸至陸上中央控制室。

同時(shí)，TwinCAT 及奧菱使用高級編程語言開發(fā)的分析應(yīng)用程序運(yùn)行于 CX2020 上，便于數(shù)據(jù)管理與保存等功能。此外，豐富的緊湊型 I/O 模塊以及靈活的 EtherCAT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都支持后期的功能擴(kuò)展和集成。基于這些優(yōu)勢特點(diǎn)，奧菱計(jì)劃將倍福先進(jìn)的控制技術(shù)更多地應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。例如，他們也會(huì)逐漸基于 TwinCAT 平臺實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等功能。