Development of an automatic subsea blowout preventer stack control system using PLC based SCADA
Baoping Cai, Yonghong Liulowast;, Zengkai Liu, Fei Wang, Xiaojie Tian, Yanzhen Zhang
College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong, 257061, China
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 21 February 2011
Received in revised form
22 June 2011
Accepted 17 August 2011 Available online 1 September 2011
Keywords:
Automation
Control
a b s t r a c t
|
Human–machine interface design copy; 2011 ISA. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved. PLC based SCADA Subsea blowout prevention |
An extremely reliable remote control system for subsea blowout preventer stack is developed based on the off-the-shelf triple modular redundancy system. To meet a high reliability requirement, various redundancy techniques such as controller redundancy, bus redundancy and network redundancy are used to design the system hardware architecture. The control logic, human–machine interface graphical design and redundant databases are developed by using the off-the-shelf software. A series of experiments were performed in laboratory to test the subsea blowout preventer stack control system. The results showed that the tested subsea blowout preventer functions could be executed successfully. For the faults of programmable logic controllers, discrete input groups and analog input groups, the control system could give correct alarms in the human–machine interface.
Introduction
Subsea Blowout Preventer (BOP) stack plays an extremely important role in providing safe working conditions for the drilling activities in 10 000 ft ultra-deepwater region. Failures of subsea BOP stack could cause a catastrophic accident, for example, the deep-sea petroleum drilling rig Deepwater Horizon exploded and oil spill off the coast of Louisiana on April 20, 2010. It was considered that on the Deepwater Horizon rig, the subsea BOP did not isolate the well before and after the explosions. The subsea BOP stack might have been faulty before the blowout or it might have been damaged due to the accident [1,2].
The BOP stack is between the Lower Marine Riser Package (LMRP) connector and wellhead connector in the seafloor [3–6]. The traditional electro-hydraulic control system transmits electrical command signals using pairs of wires. The large quantity of wires makes the armored umbilical cables and electrical interface heavy and bulky with increasing depth of water [7]. The multiplex electro-hydraulic control systems have been developed in recent years, which employ multi-conductor armored subsea umbilical cables to transmit coded commands that activate solenoid operated pilot valves in the subsea pods [8,9]. An intelligent Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) platform, which provides economical and user-friendly solutions to the subsea BOP stack management, is the kernel of the multiplex electro-hydraulic control system.
|
lowast; Corresponding author. Tel.: 86 0546 8392303; fax: 86 0546 8393620. E-mail addresses: liuyhupc@126.com, liuyhupc@163.com (Y.H. Liu). |
In recent years, various SCADA systems have been developed. Large numbers of Programmable Logic Controller (PLC) based SCADA systems are used in wastewater treatment plant, cryogenic pumping facility, water pumping control system, fuzzy proportion integration differentiation controller and petroleum industry [10–14]. Chaudhuri et al. [15] developed a PLC based automation system to control the water flow in the secondary cooling zones of the strand. The automation system configuration was also given. Aydogmus [13] presented a SCADA control via PLC for a fluid level control system with a fuzzy controller. Bayindir and Cetinceviz [16] described the water pumping control system that was designed for production plants and implemented in an experimental setup in a laboratory by using PLC and industrial wireless local area network technologies. Some new approaches are used for the PLC software design. Kandare et al. [17] presented a model-based approach to the PLC software development by introducing a new procedural modeling language called ProcGraph. In addition, PC-based SCADA systems are used in the electric power system, desalination plant and laboratory testing system [18–20]. And Web-based and mobile-phone-based SCADA systems are also developed [21,22].
However, most of the SCADA systems described above are nonredundant, which cannot provide high reliability. The redundancy systems are usually developed based on the chip-level processors, such as Field Programmable Gate Array (FPGA) [23,24] or Single Chip Microcomputer (SCM) [25,26], but not the system-level processors, such as PLC or PC. The redundancy systems based on chip-level processors are difficult to develop, which require professionals to develop the control hardware and software.
|
0019-0578/$ – see front matter copy; 2011 ISA. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved. |
For the subsea BOP system, both of the high reliability and easy development are needed. Therefore, PLC based triple modular redundancy system GE Fanuc Genius Modular Redundancy (GMR) is chosen to provide supervisory control and data acquisition due to the fact that the system can provide the tolerance against single hardware component failures. The subsea BOP system can be developed easily based on the off-the-shelf GMR system, and the potential errors can be corrected easily and rapidly by using the off-the-shelf software.
This work focuses on the extremely high reliability of subsea BOP stack
全文共34575字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于PLC的SCADA自动水下防喷器堆控制系统的开发
蔡保平，刘永红*，曾增凯，王飞，田小洁，张艳珍
中国石油大学机械与电子工程学院，山东东营257061
摘要
基于现成的三重模块化冗余系统开发了一种用于水下防喷器堆的极其可靠的远程控制系统。 为了满足高可靠性要求，使用各种冗余技术，例如控制器冗余，总线冗余和网络冗余来设计系统硬件架构。 控制逻辑，人机界面图形设计和冗余数据库是使用现成的软件开发的。 在实验室进行了一系列实验以测试海底防喷器烟囱控制系统。测试结果表明，测试的海底防喷器功能可以成功执行。 对于可编程逻辑控制器，离散输入组和模拟输入组的故障，控制系统可以在人机界面中给出正确的报警。
copy;2011 ISA。 由Elsevier Ltd.出版。保留所有权利。
关键词：自动化控制；人机界面设计；基于PLC的SCADA；海底井喷预防
1.简介
海底防喷器（BOP）堆在为10 000英尺超深水区域钻井活动提供安全工作条件方面发挥着极其重要的作用。 海底防喷器组的堆芯故障可能导致灾难性事故，例如深海石油钻井平台深水地平线在2010年4月20日发生爆炸，并在2010年4月20日在路易斯安那州沿海溢油。人们认为，在深水地平线钻机上，海底爆炸前后，BOP没有隔离井。 海底防喷器组在爆炸前可能有故障，或者可能因事故而损坏[1,2]。
防喷器组位于海底下部海洋上升管封装（LMRP）连接器和井口连接器之间[3-6]。 传统的电液控制系统使用成对的电线传输电子命令信号。 大量的电线使得铠装脐带电缆和电气接口重且体积大，随着水深的增加[7]。 多路电液控制系统近年来已经发展起来，它们采用多导体铠装海底脐带电缆来传输编码指令，以激活海底荚中的电磁操作先导阀[8,9]。 一个智能化的监控和数据采集（SCADA）平台，为海底BOP堆栈管理提供经济和用户友好的解决方案，是多路电液控制系统的核心。
近年来，各种SCADA系统得到了发展。在污水处理厂，低温抽水设施，抽水控制系统，模糊比例积分分离控制器和石油工业中使用大量基于可编程逻辑控制器（PLC）的SCADA系统[10-14]。 Chaudhuri等人。 [15]开发了一个基于PLC的自动化系统来控制钢绞线二次冷却区的水流量。还给出了自动化系统配置。 Aydogmus [13]通过PLC提出了一个带有模糊控制器的液位控制系统的SCADA控制。 Bayindir和Cetinceviz [16]描述了为生产工厂设计的水泵控制系统，并通过使用PLC和工业无线局域网技术在实验室的实验装置中实施。一些新的方法用于PLC软件设计。坎达雷等人。 [17]通过引入一种称为ProcGraph的新程序建模语言，提出了一种基于模型的PLC软件开发方法。另外，基于PC的SCADA系统被用于电力系统，海水淡化厂和实验室测试系统[18-20]。而且基于网络和移动电话的SCADA系统也被开发出来[21,22]。
但是，上述大多数SCADA系统都是非冗余的，不能提供高可靠性。 冗余系统通常是基于芯片级处理器开发的，例如现场可编程门阵列（FPGA）[23,24]或单片机（SCM）[25,26]，但不是系统级处理器，例如作为PLC或PC。 基于芯片级处理器的冗余系统很难开发，需要专业人员开发控制硬件和软件。
对于海底防喷器系统，需要高可靠性和易于开发。 因此，基于PLC的三重模块化冗余系统GE Fanuc Genius模块化冗余（GMR）被选择用于提供监督控制和数据采集，因为系统可以提供对单个硬件组件故障的容错。 海底防喷器系统可以基于现成的GMR系统轻松开发，并且通过使用现成的软件可以容易且快速地纠正潜在的错误。
本文着重研究了使用硬件冗余技术，软件冗余技术和一系列投票算法设计的海底防喷器组的极高可靠性。 本文结构如下。 第2节描述了海底防喷器控制系统的硬件架构。 第3节描述了三重模块化冗余输入和输出表决算法。 第4节描述了控制系统的软件方法。 在第5节中，在实验室进行了一系列海底防喷器操作实验，并给出了结果和讨论。 第6节总结了这篇论文。
2.硬件架构
2.1． 整体系统架
多路复用控制系统是基于微处理器的，通常利用PLC将表面上发起的命令传输到控制盒中的海底电子模块（SEM）。 海底防喷器控制系统包括表面部件，连接脐带缆和海底部件。
如图1所示，位于钻井平台上的表面部件由中央控制单元（CCU），司钻面板，工具推进器面板和液压动力单元（HPU）组成。
CCU是多路控制系统的核心，它为工具推进器的面板，司钻面板，HPU和SEM提供了一个通用的通信接口点。 通过冗余以太网，工作站和数据库冗余服务器连接到由三个90-70系列PLC组成的三重GMR系统。 VPN服务器中配置了虚拟专用网络（VPN），授权人员可以远程访问工程部门的BOP控制流程[27]。
司钻的面板和工具推进器的面板具有相同的架构和功能，除了司钻的面板位于钻台中，但工具推进器的面板位于远离钻台的非危险区域。 两个面板中的人机界面（HMI）触摸屏使用以太网连接到CCU。 按钮面板使用Genius总线连接到CCU。 触摸屏中显示了BOP堆栈的所有警报，趋势和参数。 钻机和工具推进器可以通过触摸屏或按钮面板完全控制海底防喷器系统。
电信号在光纤中继器（FOR）中转换为光信号，这些光纤中继器是用于Genius现场总线网络的电/光信号接口转换器。 光学信号通过两个完整独立的海底脐带电缆传输到海底黄色SEM和蓝色SEM。 除了三对多模光缆之外，每条脐带电缆还有两对电线，用于为SEM提供冗余电源。
为了满足更高的可靠性要求，使用各种冗余技术。 这些技术包括控制器冗余，总线冗余，网络冗余，SEM冗余，服务器冗余，电源冗余等。
2.2． 三重冗余控制器
由三个90-70系列PLC（美国GE Fanuc自动化公司）和四套Genius总线组成的三重GMR系统是如图2所示。PLC主机架通过两组独立的双Genius总线连接到位于工具推进器面板，司钻面板和液压动力单元上的Genius分布式输入/输出（I / O）子系统，以及12个Genius总线控制器（GBC）。同样，PLC扩展机架1通过两套独立的三重Genius总线和18 GBC连接到位于蓝色和黄色SEM中的Genius分布式I / O子系统。 PLC扩展机架1通过一根18根双绞线并行I / O电缆连接到CPU，其一端连接到PLC主机架中总线变送器模块（BTM）的下部连接器，另一端连接到顶部连接器安装在PLC扩展机架1的插槽1中的总线接收器模块（BRM）上。每个PLC分别监视和控制Genius分布式I / O子系统，以实现输入现场设备和H模块输出信号的三重或双重冗余。
图1海底防喷器组堆叠多路控制系统的结构（如下）
图2.三重冗余控制器的系统配置。（如下）
2.3．双冗余以太网
计算机和三重PLC之间的双冗余以太网通信网络由冗余实现。物理连接以太网[28]。 冗余由两台快速以太网交换机，每台计算机中的两块快速以太网卡，每台PLC主机架中的两个以太网模块（ETH）以及连接的以太网电缆完成，如图3所示。以太网的这些双重物理连接提供 完整性和独立性。 除了以太网的物理连接冗余之外，IP网络冗余性非常重要。 可以通过在不同网络或不同网段上设置不同的IP地址来实现。 主要网络地址设置为192.168.1.x，次要网络地址设置为192.168.2.x.
CCU中的计算机和服务器，工具推进器的面板和司钻面板通常通过主以太网网络与PLC通信。 当以太网模块，以太网交换机，以太网卡或电缆发生故障时，通信将自动切换到辅助以太网。 这确保了以太网通信的高度安全性。
VPN服务器通过各自的以太网卡和核心交换机连接到CCU中的工作站。 IP地址设置为192.168.0.x. VPN服务器通过第二个以太网卡连接到公共网络。 经授权的人员可以通过VPN远程访问工程部门的BOP控制流程。
2.4．冗余的海底电子模块
每个海底防喷器系统都有两个完整的控制吊舱。每个吊舱都能够在BOP上执行所有必要的功能。虽然这些系统可能被认为是多余的，但与一个吊舱相关的任何主要问题都会导致系统被检索到地面进行维修。
SEM放置在厚钢球形容器中以保护其免受来自外部水压的压力，所述外部水压是一个大气干燥氮气吹扫壳体。黄色和蓝色的外壳安装在黄色吊舱和蓝色吊舱的顶部，在10 000英尺的海底工作。黄色的SEM和蓝色的SEM是完全独立的。他们分别控制黄色豆荚和蓝色豆荚。当一个SEM或其吊舱出现故障时，另一个将被用于操作所有的海底功能，并且不会受到残疾人的影响。
黄色SEM和蓝色SEM的结构完全相同，由离散输入/输出和模拟输入的子系统组成，如图4所示。离散输出子系统由8个H块冗余离散输出组组成，适用于需要故障安全和容错输出的应用。输出组生成输出信号需求，该控制器通过在CCU中的三个PLC提供的数据中投2选3选项来控制海底吊舱中的224个电磁操纵的导阀。 离散输入子系统和模拟输入子系统都由三个输入组组成。 每个输入组由单独Genius总线上的三路输入Genius模块组成。 来自海底传感器的离散和模拟信号在输入组中投票。 由所有三个PLC独立执行PLC逻辑接收相同的投票结果。
图3.双冗余以太网的架构。
图4.蓝色/黄色海底电子模块的系统配置。
表格1 海底防喷器组的离散输出表决
3.投票算法
3.1. 离散输出投票
离散输出（DO）组用于控制海底吊舱内的224个电磁操作导阀。例如，采用蓝色吊舱的“关闭年度上限”的操作。当操作员发送#39;Close upper annual#39;命令时，三个PLC将编码命令发送到H块冗余离散输出组。输出表决在输出组执行。如果投票结果为1，则每年的国际油价上涨成功。如果投票结果为0，则操作失败，并再次在黄色吊舱中操作。
所有输出块的双工缺省值都设置为1.海底BOP堆栈的离散输出投票见表1 [29]。当所有三个PLC在线时，至少两个数据表格必须匹配。块组设置投票结果以匹配至少两个PLC命令的状态。如果一个，两个或三个PLC处于脱机状态，则将使用双工默认值1来替换其中一个PLC，并且系统仍会执行2选3的投票。
这些确保即使在严重危险的情况下也能关闭较高的年度防喷器。
3.2。 离散输入投票
离散输入（DI）组主要用于监视离散信号，如压力开关（PS）信号。 不像GMR
输出表决，这是在输出块组完成的，输入表决由PLC中的GMR软件执行。 以蓝色吊舱中的#39;关闭井口连接器#39;的PS信号为例。 如果PS信号的投票结果为1，表示井口连接器已成功关闭。 如果投票结果为0，则表示操作失败。
所有输出块的全双工状态和默认状态都设置为0.海底防喷器组离散输入投票见表2 [29]。 当存在两个或三个离散输入时，投票结果与离散输出相似。 但是，如果两个或三个输入失败，投票结果为0，这意味着井口连接器未成功关闭，操作必须再次在黄色吊舱中执行。这确保了井口连接器的高度安全性。
表格二海底防喷器组的离散输入投票。
表格三 模拟输入表决，用于BOP堆栈的后面
3.3． 模拟输入表决
模拟输入（AI）组用于监视模拟信号，如温度和压力信号。 类似于离散输入表决，模拟输入表决也由PLC中的GMR软件执行。 例如采集蓄能器的压力信号。 双工状态设置为“平均”，默认状态设置为-10。 表3 [29]给出了海底防喷器组的离散投入表决。
对于有三个模拟输入可用的三输入组，GMR软件会比较三个对应的模拟输入阀。 它选择中间值作为投票结果。 如果其中一个模拟输入失败，则将平均值选为投票结果。 如果只有一个输入，则该值是投票结果。 如果所有输入都失败，则投票结果将被设置为-10，这意味着输入组发生故障并且压力读数不准确。
4.软件方法
4.1 控制逻辑
为了开发海底防喷器系统的控制逻辑，应首先完成GMR配置和PLC配置。 硬件配置和表决算法在GMR系统软件Genius Modular Redundancy Phase IV v。3.00中配置。 结果文件夹被导入到Proficy Machine Edition目标中。 在Proficy Machine Edition中，PLC配置已创建。 控制逻辑的开发
在Proficy Machine Edition Logic Developer（v.5.90，Build 4699）[30]中使用梯形图语言，并且所有的逻辑都被下载到CCU中的GMR系统的三个PLC中。
PLC逻辑扫描的步骤如图5所示。在输入扫描期间，GMR PLC从每个输入模块获取最新值。输入扫描后，GMR系统软件在GMR功能块中执行输入表决，并将结果放入离散量和模拟量输入表的特殊映射区域。从那里，它们可以被应用程序使用。输入差异报告和自动测试也在GMR功能块[29]中执行。
应用程序根据收到的输入确定输出的所需状态。它由HPU块，海底BOP堆栈块，紧急断开序列（EDS）块，pod块，立管/分流块，管道块和回读块组成。每个模块由多个控制逻辑组成。所有七个功能块都按顺序执行。
输出差异报告和自动测试在执行应用程序后在GMR功能块中执行。在输出扫描中，PLC监控每个Genius输出子系统投票输出的状态。然后，新的扫描将开始。
由于每个BOP功能的控制逻辑是相似的，因此例如采用“Close pipe ram”的功能。关闭管道滑枕的逻辑流程图如图6所示。在正常操作过程中，两个吊舱都要打开电源，只有一个吊舱要液压选择。当PLC接收到司钻面板或工具推进器面板发出的命令信号#39;#39;Close pipe ram#39;#39;时
全文共8972字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10704]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
