海洋石油平臺控制系統(tǒng)概況與分析

高志剛

中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京 100010

在當(dāng)前能源需求日益增加的情況下，海洋石油成為石油產(chǎn)業(yè)的一股新生力量。而中央控制系統(tǒng)在海上石油平臺生產(chǎn)過程中，占有至關(guān)重要的地位，它起著調(diào)節(jié)和監(jiān)測各種工藝參數(shù)，保證工藝流程正常運行，協(xié)調(diào)和控制各個系統(tǒng)間關(guān)系的作用。海上石油工業(yè)以其特有的行業(yè)特點，在保證生產(chǎn)和提高原油產(chǎn)量的同時，也必須更好地保護平臺操作人員、生產(chǎn)設(shè)備和周圍的海洋環(huán)境，這為海洋石油平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計和可靠性提出了更高的要求。

中央控制系統(tǒng)和現(xiàn)代計算機科技的發(fā)展結(jié)合的非常緊密，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，海洋石油平臺的中央控制系統(tǒng)經(jīng)歷了簡單控制、繼電器控制和DCS、PLC的集成控制，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了高級先進控制、實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程通訊等現(xiàn)代化的控制水平。本文將著重通過分析現(xiàn)代海洋石油平臺控制的組成和功能，實現(xiàn)設(shè)計時能夠選擇更優(yōu)化方案。

1 中央控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

中央控控制系統(tǒng)在功能上要求完成工藝流程監(jiān)控、緊急事故狀態(tài)下的安全保護以及發(fā)生火災(zāi)或者天然氣泄漏情況下的報警及保護功能，因此，中央控制系統(tǒng)一般由3個系統(tǒng)組成：過程控制系統(tǒng)（PCS）、緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣探測報警系統(tǒng)（F&G）。

1.1 過程控制系統(tǒng)（PCS）

過程控制系統(tǒng)是基于DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，控制器具有強大的運算處理能力，通過對現(xiàn)場的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)的采集和處理，在操作站上進行顯示和報警，利用PID回路調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制閥門的自動調(diào)節(jié)。輸入/輸出系統(tǒng)主要由普通的4mA～20mA模擬量輸入輸出卡以及具有開關(guān)觸點的數(shù)字量輸入/輸出卡件組成。通訊模塊具有和第三方設(shè)備進行接口的功能，可以將第三方設(shè)備控制系統(tǒng)上的信息通過通訊接口和中央控制系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)中央控制系統(tǒng)對第三方設(shè)備的監(jiān)控，如過程控制系統(tǒng)和主發(fā)電機、天然氣壓縮機控制盤等都可以通過與通訊接口相連，實現(xiàn)在中央控制系統(tǒng)上顯示現(xiàn)場控制盤和現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)。通訊協(xié)議一般有RS485 Modbus, Profibus PA/DP, ControlNet, EtherNet、DeviceNet等。

1.2 緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）

緊急關(guān)斷系統(tǒng)是基于PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，控制器具有強大的邏輯處理能力。緊急關(guān)斷系統(tǒng)為海洋石油平臺上的人員和設(shè)備提供保護功能，能夠連續(xù)監(jiān)測工藝過程和公用系統(tǒng)，可以啟動相應(yīng)的報警和邏輯保護功能。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)備要求有高可靠性，其中控制器、輸入/輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)卡件都需要有TUV認(rèn)證，滿足SIL3或者AK6的要求。TUV是國際上最早對安全控制系統(tǒng)進行級別劃分，并對其進行檢驗和認(rèn)證的機構(gòu)，在國際上具有一定的權(quán)威性，IEC61508和ANSI84都對安全控制系統(tǒng)的級別進行劃分。

海上平臺的安全控制系統(tǒng)要求有很高的可靠性和可用性，其要求相當(dāng)于SIL3級。普通的冗余系統(tǒng)無法達(dá)到SIL3級或TUV的AK6級的要求，只有容錯的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括1OO2D （二選一表決自診斷系統(tǒng)）、2OO4D（四選二表決自診斷系統(tǒng)）和TMR（三選二表決系統(tǒng)）可以達(dá)到這樣的要求。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號都是硬線連接，重要的維修和啟動旁通功能、ESD手動按鈕和復(fù)位按鈕可以安裝在操作臺上。

平臺上的緊急關(guān)斷系統(tǒng)一般分為4級：一級關(guān)斷為棄平臺關(guān)斷，是最高級關(guān)斷；二級關(guān)斷為火災(zāi)及可燃?xì)鈿怏w嚴(yán)重泄漏關(guān)斷；三級關(guān)斷為生產(chǎn)/工藝關(guān)斷；四級關(guān)斷為單元關(guān)斷。其中，高級別的關(guān)斷可以引起低級別的關(guān)斷，但是低級別的關(guān)斷不能引起高級別的關(guān)斷。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計遵循“故障安全型”原則，在正常生產(chǎn)情況下，輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)都是處于“閉合”狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生故障，需要緊急停車時，輸入信號“斷開”，通過邏輯運算，相應(yīng)的輸出信號“斷開”處于失電狀態(tài)，保證現(xiàn)場的安全。

1.3 火氣探測報警系統(tǒng)（F&G）

火氣探測報警系統(tǒng)利用火焰、氣體探測元件對平臺上可能存在的火焰和危險氣體進行自動檢測，并對意外的危險源進行預(yù)報警，在危險的情況下，通過手動和自動方式啟動平臺的安全消防系統(tǒng)，為平臺操作人員和生產(chǎn)設(shè)施提供安全保障。

火氣探測報警系統(tǒng)的設(shè)計要滿足NFPA72的要求，其控制器和輸入輸出卡件要求滿足SIL2的要求，可以設(shè)計成點對點的直接硬線連接方式也可以設(shè)計成可尋址回路方式。

火氣探測報警設(shè)備包括有天然氣探測器、火焰探測器、煙霧報警器、手動報警站、手動釋放站以及聲光報警單元等。

1.4 操作站和工程師站

操作站和工程師站是進行系統(tǒng)監(jiān)控和顯示的重要設(shè)備。現(xiàn)場操作人員通過操作站完成現(xiàn)場各種參數(shù)的監(jiān)控，對各個系統(tǒng)進行內(nèi)部監(jiān)視，工程師站可以完成系統(tǒng)組態(tài)修改、下裝軟件的功能。操作站和工程師站通過不同層次的密碼保護，使相應(yīng)資格的人員可以進入不同的控制層次。

中央控制系統(tǒng)的各個硬件系統(tǒng)之間通過專用的控制網(wǎng)絡(luò)如工業(yè)100M/10M Ethernet連接。

2 中央控制系統(tǒng)的軟件配置

中央控制系統(tǒng)的軟件包括操作系統(tǒng)軟件和控制系統(tǒng)軟件，而控制系統(tǒng)軟件主要包括下面幾個部分：

1）組態(tài)軟件：完成邏輯處理、計算等功能，經(jīng)過編程之后下裝到控制器中完成控制功能。

2）人機界面軟件：顯示流程畫面、火氣探測設(shè)備平面布置等，能夠完成歷史數(shù)據(jù)顯示、趨勢顯示、報警清單等和操作、監(jiān)視相關(guān)的所有信息。

3）計算軟件：按照系統(tǒng)要求，完成相應(yīng)的計算功能。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)專用軟件中包括因果邏輯編程軟件。

3 海洋石油平臺控制系統(tǒng)發(fā)展思路

伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是控制器和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，海洋石油平臺控制系統(tǒng)的技術(shù)也是日新月異，新技術(shù)、新思想層出不窮，以后的設(shè)計將重點發(fā)展和跟蹤國內(nèi)外控制系統(tǒng)的最新趨勢，主要包括下列內(nèi)容：

1）平臺群之間控制系統(tǒng)連接和數(shù)據(jù)通訊；

2）安全控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用；

3）SIL安全級別在控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表設(shè)計中的應(yīng)用；

4）水下井口控制系統(tǒng)設(shè)計；

5）FPSO工藝處理控制系統(tǒng)設(shè)計；

6）信息和職能化實現(xiàn)控制系統(tǒng)對現(xiàn)場資產(chǎn)管理；

7）控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和整體解決方案。

通過對海洋石油平臺控制系統(tǒng)技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，將為海洋石油工程提供更加有力的支持，滿足日益增加的安全控制、自動控制、智能化管理的要求。