渤海明珠號FPSO DCS控制系統升級改造研究

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

FPSO是對開采的石油進行油氣水三相分離，并兼具動力發電、供熱、原油產品的儲存和外輸、人員居住與生產指揮系統于一體的綜合性大型海上石油生產設施。渤海明珠號FPSO于1993年建成，先后服役于綏中36-1油田、蓬萊19-3油田和渤中25-1油田。明珠號FPSO的工藝流程的監控和管理主要由艾默生公司的RS3型DCS系統負責，在很大程度上實現了生產過程的自動化。

渤海明珠號的RS3控制系統(系統ID:0003-0000-3115)，自1993年投運，2002年做過一次RS3軟件版本升級(從V15升級到P1)和硬件擴展，系統至今軟件版本一直運行在P1版。根據服役的蓬萊19-3油田需要，經過一次升級改造，系統結構變為中控加遠程模式，遠程機柜安裝在LER(現場設備間，位于船艉)。中控IO接口和卡件分為冗余與非冗余模式，系統由UPS 110VAC電源供電。

1 現狀及存在的問題

1)RS3控制系統屬于艾默生控制系統系列中較早期的產品，已經連續工作了20多年，隨著設備使用年限的增長，可靠性逐漸降低，使得今后中控系統的生產穩定性難以保障。

2)維護該系統正常運行的成本逐年增高。部分原始電子器件供應商已經限量或停止生產(例如磁帶機、硬盤), 從而導致RS3的備件價格逐年上漲，甚至停止供應(國家要求相關產品在進關時需要提供相關的3C認證，由于RS3的某些備件由于是很老的產品，不能申請3C認證，所以無法進關)。

3)RS3難以操作和維護，需要專業的RS3控制系統工程師維護，維護門檻很高，培訓或培養維護和操作該系統的工程師較為困難。

4)操作站和軟件版本等軟硬件配置都比較低，RS3控制系統MTCC操作員站內部電子單元的元器件已經老化，故障率升高，經常發生死機的現象[1]。

5)其中一臺MTCC操作員站(共兩臺)已經出現故障，無法啟動，廠家工程師檢查也未解決該故障，初步診斷為CPU，SCSI卡和硬盤故障。

6)其中一套控制器(共兩套)已經出現故障，根據CPU 卡件顯示故障紅燈，初步診斷為CPU故障；一套NV Memory 卡件顯示故障紅燈，初步診斷為NV Memory 卡件故障，現在處于帶病運行狀態。

7)隨著計算機和自動化技術的發展，RS3控制系統逐步被新產品所取代，作為老一代DCS代表的RS3控制系統在報表、流程圖、可視化、易操作性等諸多方面均無法滿足日益提高的監控和管理要求。

RS3控制系統是非常經典的DCS系統，近20年來的運行情況也得到了充分的肯定。但是從發展的角度來看，作為老一代DCS代表的RS3控制系統已經無法滿足日益升級的監控和管理要求。RS3控制系統操作環境、數據總線和網絡通信為封閉的系統，在平臺開放性方面功能較弱。RS3控制系統逐步被主導產品所取代，備件供應困難、價格昂貴、維護成本高。RS3控制系統受到內部功能和結構的限制，擴展性能較差。明珠號如需到下一個油田服役，RS3控制系統將成為整個工藝流程控制的短板和隱患。綜上所述，對明珠號RS3型DCS系統進行軟硬件升級很有必要。

2 系統升級改造

2.1 系統升級選擇

當前海洋石油設施上的DCS系統的使用呈現多樣化的趨勢，比如海洋石油112采用的是FOXBORO公司的I/A Series系統，海洋石油113采用的HONEYWELL公司的PKS系統，渤海世紀號采用的是ABB公司的Advant controller 450系統[2]。考慮到渤海明珠號FPSO已經到達其生命周期的末期，如果簡單地對現有系統進行推倒重建，無疑將造成資源浪費。推倒重建不僅需要購買新系統的投資，還將涉及到重建新系統所需要的相關工程投資(比如人力，物力及財力等)，將使整個升級改造項目工作量大增，經濟性降低。為了使現有DCS系統軟、硬件資源得到充分利用，首先應考慮做操作站的改造，其次是考慮做控制器的升級改造，最終選擇做I/O級的改造。在充分利用好現有資源的同時，能夠讓升級改造后的系統保持整體性和一致性的方案才是最優的。

艾默生公司后續推出的DELTA V控制系統在延續了RS3控制系統優點的同時，還緊跟計算機和自動化技術的發展，融入了一些最新的自動化科技，使整個系統具備主流DCS系統的優勢特性，如：支持各種現場總線，基于工業以太網，易于擴展，可在線升級，同時內嵌各種復雜控制算法和先進控制系統。DELTA V控制系統不但自身具有許多優秀特性，最重要的是它能夠從RS3控制系統無縫升級，最大限度地保留原DCS系統的硬件，從而實現升級改造工作量最小化、改造投資最小化。

2.2 中控室的布局改造

由于改造明珠號FPSO上的空間有限，特別是中央控制室，布局緊湊，DCS系統改造必須結合中央控制室內空間的的實際情況，否則就只能是紙上談兵。

根據明珠號F&G系統和ESD系統也需要升級改造的實際情況，對中控三大控制系統的升級改造可以根據需要將中控室的機柜挪位或拆除。優化中控室的布局，充分利用有限空間。將原有DCS機柜拆除，進行重新布局，拆除兩臺RS3 CPU 機柜， 同時將ESD 機柜搬移到與PCS機柜并排擺放。

兩臺新機柜：一臺(2 100 H×600 W×800 D)用于更換高頻電話機柜； 一臺(2 100 H×800 W×800 D)用于更換外輸流量計PLC控制系統機柜，即將原柜內的所有元件移至新機柜內。PCS機柜為艾默生提供的升級后的兩臺新機柜，內部集成DELTA V控制系統和網絡設備。

為節約成本，ESD系統機柜不做改造，只是將位于PCS機柜的ESD繼電器和相應端子移到新PCS機柜內。F&G新機柜分為2 000 H×1 200 W×800 D和2 000 H×800 W×800 D 兩種規格。

1 200 W機柜內部集成DELTA V控制系統 SIS系統，用于點對點接入設備；800 W機柜用于接線柜，同時面板安裝原GD 探頭的Flame Detection System+Relay Module二次儀表設備；F&G可尋址盤柜用于連接原12條可尋址鏈路，內部集成處理器、通信卡件、端子等，同時內部集成后備電源，其容量滿足系統失電后可尋址盤仍能持續15～30 min運行；位于現場的遠程機柜外觀完好，不做更換，只將內部RS3控制系統升級和更換相應元件；為升級后F&G與PCS系統將提供新的110 VAC～24 VDC電源，在滿負載時仍預留20%～40%的余量。

2.3 控制網絡與通信方式選擇

RS3控制系統改造完成后，要求新系統具有開放性、通用性和良好的擴展性。首先得將現有RS3控制系統的PEERWAY通信協議通過專用網絡接口(包括硬件與驅動軟件)轉換成標準的以太網通信協議，與F&G系統以及ESD系統在控制、操作、通信等方面完全兼容。在確保這些數據的完整性及高度可靠性的前提下，實現I/O數據、控制器數據、中間計算數據、操作數據的共享，快速實時數據交換[3-4]。最后，使得新的DCS控制系統在整個網絡框架下，與F&G系統及ESD系統各司其職，高可靠性地協同完成所有的生產過程控制。 因此整個系統各節點之間選擇合適的通信方式顯得尤為重要。

1)HMI與DELTA V控制系統之間的通信。DOR作為RS3控制系統的HMI軟件，雖然可以瀏覽DELTA V控制系統的畫面，但在功能上與DELTA V控制系統有著較大的差別。例如，由于工具欄和報警欄的不同，DOR無法打開DELTA V控制系統的報警列表和操作記錄，也不能看到DELTA V控制系統的實時報警條造車網版權所有，這樣對于在DOR上直接瀏覽DELTA V控制系統畫面顯然不方便，為此，HMI(人機界面)系統需要將RS3原有的MTCC操作站全部替換為Windows平臺上的DELTA V控制系統操作站[5-6]。

2)DELTA V控制系統與Tricon ESD之間的通信。渤海明珠號FPSO上的ESD系統采用的是TRICONEX公司的Tricon三重冗余容錯控制系統，以實現對全船的安全保護、安全緊急停車和事故記憶等任務。Tricon系統的I/O卡件均采用冗余結構，每個輸入/輸出點的信號都采用三重選舉電路處理，因而安全性和可靠性極高。鑒于本套系統依然工作正常，且經廠家檢測，依然具有足夠高的穩定性和可靠性，不需要對其進行替換。

Tricon ESD系統需要將各個測量點的報警信息和控制流程傳送到DELTA V控制系統的操作界面上監視，這些信息都是停車或工藝流程診斷的重要依據。作為一種簡單而又可靠的通信方式，Modbus通信成為了DELTA V控制系統與Tricon ESD系統之間通信的首選：DELTA V控制系統作為Modbus主站，Tricon ESD作為從站，實現兩者間通信[7]。

2.4 I/O點配置

根據現有I/O點，配置如表1。

當明珠號確定下一個目標油田后，根據目標油田所需要的工藝處理流程，可能需要增減設備，則可以在現有I/O配置表上增減新的I/O點。

2.5 操作站升級

1)采用目前主流服務器和工作站計算機。一臺PLUS站+兩臺操作員站。

2)PLUS站采用性能可靠的DELL或Thinksever服務器，雙電源、雙硬盤，預裝Windows Server 2008操作系統，PLUS具有對DELTA V控制的全部權限。

3)操作員站采用主流工作站計算機，每臺操作員站為雙顯示器配置，有利于操作人員全面及時的對生產監控，操作員站預裝Windows 7操作系統。

表1 I/O點配置

4)配個多個用戶組，并給每個用戶組劃分不同的操作權限。各級別用戶憑借用戶名和密碼進行登錄。

5)配套提供專用操作臺和椅子。

2.6 軟件版本升級

將目前RS3控制系統升級為DELTA V控制系統V11.3版本，目前該版本為海油平臺廣泛使用版本，穩定可靠。系統具有以下特點。

1)新的V11.3版本DELTA V控制系統 畫面顏色更加細膩，圖素更全面、形象，操作界面日趨完美，改進的人機界面便于用戶迅速發現報警，及時處理生產裝置中出現的故障；

2)新的V11.3版本的軟件更加完善了系統的功能，用戶可以選擇自動配置功能塊下載到每個分區，每個分區功能塊的數量從64增加到96個。每個分區可以設置4個單獨的宏周期， 用戶可以根據控制和監視設備不同的響應周期需求，進行專門的設置。可以為用戶帶來極大的便利；

3)改進的功能能夠紀錄每個采集點的完整文字狀態描述，為用戶分析過程故障提供便利；

4)操作功能、組態進行優化，有效減輕系統負載，加快系統運行速度。

3.7 建立于其它系統的聯系

整個中控系統升級后，PCS系統(DCS系統)、ESD系統、F&G火氣系統，各個系統全部集成在同一冗余EtherNet網絡。PCS 系統分為3個節點，與ESD 系統仍沿用冗余Modbus 協議，采集ESD 系統的信號狀態、報警信息， 同時也實現對ESD 系統的控制操作。遠程PCS 機柜(No.3節點)采用冗余光纖接入中控主系統網絡。F&G 系統分為主DELTA V控制系統 SIS系統和可尋址系統：SIS系統用于接入除可尋址設備之外的點對點設備，可尋址系統用連接12條可址鏈路設備，并采用冗余Modbus 協議與主SIS系統通信，進行數據交互。操作站采用1臺PLUS 站，2臺雙屏模式的操作員站，同時分配不同的控制權限，憑借用戶名和密碼進行登錄，并配備一臺針式報警打印機。手動操作盤將集成F&G 系統手動操作、復位、旁通、手動測試等的所有手動功能。升級改造后，明珠號中控系統的結構示意見圖1。

圖1 明珠號中控系統最終結構示意

3 結束語

渤海明珠號FPSO現停靠在山海關船廠碼頭，處于停產擱置狀態。對一個服役目標油田而言，有針對性的設備改造具有現實意義。DCS系統作為生產工藝流程的大腦，升級改造工作將是重中之重。本文針對渤海明珠號FPSO的PCS系統——RS3控制系統的特點和現狀，以及F&G系統、ESD系統的現狀，對整個中控系統的升級改造問題進行探索研究，并充分考慮升級改造工作的可行性及經濟性，可供明珠號FPSO將來中控系統的升級改造參考。

[1] Rosemount Inc.RS3 Operator Station Software Release

Notes [M].Rosemount Inc.,1998.

[2] 高 娟,王世榮.化工儀表與自動控制[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3] Rosemount Inc.RS3 Control Block Configuration Manual [M].Rosemount Inc.,1996.

[4] Rosemount Inc.RS3 Service Manual Volume 1,2,3,4 [M].Rosemount Inc.,1994.

[5] 馬國華.監控組態軟件及其應用[M].北京：清華大學出版社，2001.

[6] 王先培.測控總線與儀器通信技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7] 華 镕.從Modbus到透明就緒:施耐德電氣工業網絡的協議、設計、安裝和應用[M].北京：機械工業出版社，2009.