借助冗余技術提高埕島油田測控系統可靠性

張 輝 中國石化勝利油田分公司海洋采油廠

借助冗余技術提高埕島油田測控系統可靠性

張 輝 中國石化勝利油田分公司海洋采油廠

冗余系統是指為增加測控系統的可靠性，采用兩套或兩套以上相同、相對獨立的配置設計而連接組成的系統。系統通過提供關鍵組件冗余的方法，組成具備容錯能力的系統結構，當系統發生故障時，冗余配置的部件主動接入并自動承擔故障部件的工作，以此減少系統的故障時間。海上自動化測控系統使用的冗余系統包括電源冗余、網絡冗余、服務器操作站冗余、CPU冗余和I/O模塊冗余等。冗余方案采用雙UPS供電，正常情況下這2個電源均衡負載，同時為整個系統提供電力，當1臺電源發生故障時，另1臺電源可承擔所有負載，實現了AC、DC雙冗余。測控系統中PCS系統和SIS系統均采用雙CPU配置，通過遠程模板經網絡連接，兩者信息共享、互相診斷，一旦主CPU發生故障，從CPU將自動接管，保證系統可靠性。

埕島油田；冗余技術；測控系統；配置

埕島油田分布在渤海灣南邊極淺海的部分海域。正式開發埕島油田是從1993年開始，至今已有了20多年的歷史，埕島油田自動化測控系統始建于1997年，2000年正式投產，經過不斷擴充，現已建成了包括1座陸地監控中心、3座中心平臺站和70余座衛星平臺站的大型灘海油田SCADA系統。埕島油田測控系統分為過程控制系統（PCS）和安全控制系統（SIS）。PCS系統對平臺油氣水集輸處理實現整個過程參數測量、高低限報警、液位壓力參數自動調節；SIS系統完成安全參數的監控及極限報警的關斷。海上生產受天氣和環境的影響巨大，在惡劣環境下，該系統作為操作員“手”和“眼”的延伸，成為生產和安全唯一可以依賴的手段[1]。因此，開展對埕島油田海上平臺監控系統選型研究，對提高埕島油田無人值守平臺測控系統可靠性具有重要意義。

1 測控系統分析

1.1 數據采集和控制準確性

安全控制系統主要采集和控制安全生產的參數（如管線壓力、容器液面，容器壓力等），對參數進行監測、判斷，通過與預設的極限值比對并按照相應的連鎖邏輯關系進行ESD關斷控制輸出，因此，對數據采集和控制的實時性、準確性、穩定性提出較高的要求，不準確的數據采集以及錯誤的邏輯輸出都將導致嚴重的安全事故。

1.2PLC系統失效或故障

埕島海上平臺自動化測控系統選用通用邏輯控制系統（PLC系統），該系統實現了平臺的油水井實時數據檢測、機泵的啟停控制、參數超限報警、液位壓力調節、緊急關斷、火災和可燃氣體報警等功能，系統需處理的數據量多、功能復雜，當PLC系統失效或者故障時將導致平臺失去監控而存在嚴重的安全隱患。

1.3 上位機軟件故障

上位監控軟件為操作人員提供友好的人機接口；實現對生產現場的自動化控制；為服務器與PLC系統之間的數據通訊，搭建PLC硬件與軟件的橋梁。上位機軟件出現故障也將導致平臺失去監控而存在嚴重的安全隱患。

1.4 設計冗余系統的必要性

冗余系統（Redundant System）是指為增加測控系統的可靠性，采用兩套或兩套以上相同、相對獨立的配置設計而連接組成的系統。系統通過提供關鍵組件冗余的方法，組成具備容錯能力的系統結構，當系統發生故障時，冗余配置的部件主動接入并自動承擔故障部件的工作，以此減少系統故障時間。冗余系統的使用會增加設計和施工的難度，增加用戶投資和后期運行維護的成本，但是可以提高整個系統的平均無故障時間，縮短了平均修復時間。因此，采取冗余系統是提高測控系統可靠性的有效方法之一[2]。

2 冗余系統的實現

2.1 構成及功能

海上自動化測控系統使用的冗余系統包括電源冗余、網絡冗余、服務器操作站冗余、CPU冗余和I/O模塊冗余等。

海上平臺測控系統的冗余方案采用雙UPS供電，正常情況下這2個電源均衡負載，同時為整個系統提供電力，當1臺電源發生故障時，另1臺電源可承擔所有負載，實現了AC、DC雙冗余。

測控系統中PCS系統和SIS系統均采用雙CPU配置，通過遠程模板經網絡連接，兩者信息共享、互相診斷，一旦主CPU故障，從CPU將自動接管，保證系統可靠性。同時為了保證數據采集速度，中心平臺的PCS系統和SIS系統采用以太網通訊的方式，分別接入2臺交換機上。

服務器和操作站都采用雙網卡設計，每個網卡連接到不同的交換機中。兩個交換機之間通過跨接專用線纜連接，在主通道出現故障的情況下，自動切換到其他通道實現通訊的不間斷。

SIS系統的數據采集和控制，采用了I/O模板的冗余設計，也就是說現場的數據信號同時進入2塊相同輸入模板，控制輸出信號也由2塊模板同時控制輸出。

2.2 硬件選型和配置方案

（1）上位機監控冗余系統。上位機監控系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由工程師站、操作站、冗余服務器、冗余交換機等設備組成。服務器軟件選擇Honeywell Experion PKS完成數據的集中管理、報警、參數控制、狀態顯示及報表打印等功能；通訊軟件選擇Rockwell公司的RSLinx Gateway通訊軟件。

（2）下位機PLC冗余系統。采用美國Rockwell公司Allen-Bradley ControlLogix 1756系列產品組成冗余控制系統，系統有2個完全相同的1756-A7機架。每個機架中包含1塊1756-L61控制器，負責完成信號的采集和邏輯的控制等功能；1塊1756-RM冗余模板，負責實現兩機架中1756-L61控制器之間的冗余控制和數據同步；1塊1756-EN2T通訊模板，負責控制器和上位機服務器之間的通訊，采用以太網通訊；1塊1756-CN2R通訊模板，負責實現通訊器和I/O模塊之間的通訊。2個機架間的冗余模板采用光纖連接。

（3）模擬量信號冗余輸入。模擬量輸入現場的數據信號需要同時輸入2塊輸入模板，需將4～20 mA電流信號轉換成電壓信號，再將2塊輸入模板并聯接入儀表檢測回路中。由于模擬量采用了雙通道數據采集方式，因此，在程序中需對采集到的兩組數據進行比對處理，以判定采集數據的準確性。首先對每個檢測到的數據要進行有效性的確認。這需要對檢測通道的故障、錯誤等工作狀態進行判斷，一旦確認某個通道的工作狀態出現異常，則將該通道檢測數據丟棄，并采用另一個狀態良好的通道檢測得到的數據作為該監控點的現場檢測數據。當確認兩個通道的工作狀態均處于正常狀態，則可確認兩個通道檢測數據均為有效。此時，就需要對兩個通道的采集數據進行差值比較。若兩者之間差值小于設置的偏差界限時，可判斷兩個信號都是真實的，可任取其一作為現場檢測數據；若兩者之間差值大于設置的偏差界限時，有可能就是兩個檢測回路中的某一個回路出現了問題。此時，就需要與前次正常數據進行比較，選取其中差值較小的一路信號數據作為本次的現場檢測數據。

（4）數字量信號冗余輸入。直接將2塊數字量輸入模板并聯接入檢測回路中，與模擬量采集相同，數字量采集也是采用雙通道數據采集，因此在程序中也需對采集到的兩組數據進行對比處理，以判定采集數據的準確性。針對數字量，只需將兩組采集到的數據進行簡單的“或”邏輯運算，當兩路獨立的模板輸入的信號一致為“0”時，可確定現場輸入信號真實、有效（注：安全控制系統采用的是反邏輯，即正常時邏輯輸入為“1”，故障或報警時邏輯輸入為“0”。）；同時，對兩組數字量輸入數據進行實時“異或”對比，一旦得到異或結果為“1”，則可判斷數字量雙重冗余輸入錯誤。

（5）數字量輸出。數字量信號的雙重冗余輸出與雙重冗余輸入類似，直接將2塊數字量輸出模板并聯接入控制回路中，只要有一路輸出觸點接通即可控制相應的設備動作[3]。

3 結語

埕島油田海上平臺冗余技術的應用，提高了海上自動化測控系統的穩定性，雖然在項目建設時增加了一定的投資和后期運行成本，但在運行的過程中減少了事故發生概率，增強了生產現場安全性和可靠性，經實踐檢驗證明取得了極大的社會效益和經濟效益。

[1]黃少偉，謝騰騰．提高埕島油田無人值守平臺測控系統可靠性初探[J]．電子設計工程，2012，11（20）：64-67.

[2]管豐年．生產過程控制系統的可靠性措施[J]．石油化工自動化，2005，24（3）：5-8.

[3]張泉城．埕島中心三號平臺自控系統[J]．油氣田地面工程，2014，33（2）：69-70.

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.001