海上無人平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

盧常勝

摘 要：海洋石油開采具有成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)難、油藏散的特點(diǎn)，為了克服這些不利因素，一種值得學(xué)習(xí)的方法就是：在一座母平臺(tái)的周邊建設(shè)多個(gè)無人平臺(tái)，形成一個(gè)平臺(tái)群。而自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)形式對無人平臺(tái)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有決定性作用，因此討論無人平臺(tái)自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：無人平臺(tái)；過程控制；設(shè)備保護(hù)

1 概述

現(xiàn)代海上石油開采往往是以作業(yè)區(qū)為單位進(jìn)行組織構(gòu)架，即一個(gè)母平臺(tái)周圍會(huì)有多個(gè)子平臺(tái)或無人平臺(tái)。無人平臺(tái)與母平臺(tái)之間通過海底管線進(jìn)行原油傳輸，通過海底電纜、光纖進(jìn)行電力及控制信息的傳送。

母平臺(tái)和無人平臺(tái)上各有一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，分別對母平臺(tái)和無人平臺(tái)生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)母平臺(tái)和無人平臺(tái)的控制系統(tǒng)之間又有相互的聯(lián)系。第一，母平臺(tái)控制系統(tǒng)接收無人平臺(tái)的I、IIB和因火氣原因產(chǎn)生的IIA級關(guān)斷信號并引起對應(yīng)工藝流程的生產(chǎn)關(guān)斷；第二，母平臺(tái)控制系統(tǒng)監(jiān)視無人平臺(tái)的生產(chǎn)、ESD和火氣系統(tǒng)狀態(tài)；第三，當(dāng)母平臺(tái)發(fā)生I、IIB和IIA級關(guān)斷時(shí)，將發(fā)出信號至無人平臺(tái)觸發(fā)IIW級關(guān)斷信號來關(guān)斷無人平臺(tái)工藝流程。

2 控制系統(tǒng)概述

中控系統(tǒng)的功能由ABB公司的IndustrialIT AC800M+S800I/O產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的組成主要包括過程控制系統(tǒng)、設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)和操作站。過程控制系統(tǒng)采用AC800M PM861A 冗余控制器；設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)采用AC800M PM865冗余控制器；操作站采用研祥公司操作站。包括液晶顯示器，Windows操作軟件，Intel Pentium 處理器。整個(gè)系統(tǒng)采用10M/100M以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一通訊和管理。

平臺(tái)的中控室內(nèi)配置了兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)。第一套為過程控制系統(tǒng)（PCS），第二套為設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)（FPS），包括緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）、火氣探測和消防系統(tǒng)（F&G）。過程控制系統(tǒng)用于對工藝過程的數(shù)據(jù)采集和控制；ESD和F&G系統(tǒng)用于平臺(tái)的緊急關(guān)斷以及對火氣的探測和自動(dòng)/手動(dòng)消防。這兩套系統(tǒng)使用相同的操作員站來進(jìn)行PCS的監(jiān)控，ESD系統(tǒng)的強(qiáng)制和旁路以及F&G系統(tǒng)的火區(qū)監(jiān)控。這兩套系統(tǒng)使用相同的打印機(jī)打印報(bào)警記錄。通訊采用“以太網(wǎng)/TCP/IP上層通訊協(xié)議”的方式來實(shí)現(xiàn)，使用SDH設(shè)備進(jìn)行無人平臺(tái)與母平臺(tái)之間的通訊。

為了保證過程控制系統(tǒng)（PCS）連續(xù)可靠的運(yùn)行，過程控制系統(tǒng)的CPU模塊、通訊模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)通訊總線等均采用1：1冗余。ESD和F&G系統(tǒng)的CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)通訊總線和I/O也采用1：1冗余。所有探頭采用點(diǎn)對點(diǎn)形式接入ESD和F&G系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 過程控制系統(tǒng)

3.1 過程控制系統(tǒng)的功能

（1）對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)流程，在線修改控制參數(shù)，主要工藝流程和主要設(shè)備參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)，以聲光形式顯示平臺(tái)生產(chǎn)和安全的異常狀態(tài)。（2）臺(tái)風(fēng)情況下的自動(dòng)海水置換。（3）油井的自動(dòng)倒井計(jì)量。（4）電潛泵的數(shù)據(jù)監(jiān)視。（5）對異常情況進(jìn)行聲光報(bào)警，保護(hù)人員和設(shè)備的安全。（6）可在線設(shè)定、修改工藝參數(shù)。（7）無人平臺(tái)與母平臺(tái)之間的雙向通訊。（8）可以即時(shí)記錄、存儲(chǔ)和打印相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)。（9）具有手動(dòng)和自動(dòng)操作功能并可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)操作的無攏動(dòng)切換。（10）定期打印生產(chǎn)報(bào)表。（11）系統(tǒng)自診斷功能。

3.2 系統(tǒng)配置

過程控制系統(tǒng)采用AC800M+S800I/O，其主要包括處理器模塊、I/O模塊和電源模塊。AC800M的處理器模塊為兩個(gè)PM861A和TP830的組合。PM861A包括1個(gè)48MHz的MPC860處理器和16 Mbytes RAM。它包括2個(gè)以太網(wǎng)口和2個(gè)RS232通訊口。AC800M具有自動(dòng)和手動(dòng)過程控制功能，包括確認(rèn)、位置檢定、工藝計(jì)量、邏輯和連續(xù)控制、系統(tǒng)監(jiān)測功能。

S800 I/O系列，每塊I/O板的故障狀態(tài)均在I/O板上和操作站上有顯示，另外，會(huì)產(chǎn)生1個(gè)系統(tǒng)故障狀態(tài)的報(bào)警信號。在系統(tǒng)正常工作期間可更換板，新的I/O板在過程數(shù)據(jù)庫里預(yù)定義，也可進(jìn)行在線插拔，新插入的I/O板可在10S鐘內(nèi)正常工作。S800 I/O板的幾種類型如表所示。

4 緊急關(guān)斷系統(tǒng)

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：某一級別的關(guān)斷均不能引起較高級別的關(guān)斷，只能啟動(dòng)本級別和所有較低級別的關(guān)斷。緊急關(guān)斷一旦產(chǎn)生，操作人員在確認(rèn)故障排除后才能手動(dòng)復(fù)位。平臺(tái)緊急關(guān)斷系統(tǒng)分為LEVEL I、LEVEL IIB、LEVEL IIA和LEVEL III，其具體涵義如下：

LEVEL I：這級關(guān)斷叫棄平臺(tái)關(guān)斷，關(guān)斷級別最高。在遇到無法抗拒的情況系統(tǒng)才會(huì)強(qiáng)迫關(guān)斷。這級關(guān)斷只能通過緊急手動(dòng)站來實(shí)現(xiàn)。本關(guān)斷一旦觸發(fā)除應(yīng)急發(fā)電機(jī)、消防系統(tǒng)、吊機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)外的所有系統(tǒng)都將被強(qiáng)行關(guān)斷，而消防系統(tǒng)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)在延時(shí)10 min后也將被關(guān)斷，同時(shí)啟動(dòng)PA系統(tǒng)。

LEVEL IIB：這個(gè)關(guān)斷由平臺(tái)單個(gè)火焰探測器動(dòng)作，易熔塞回路低低壓或手動(dòng)報(bào)警站動(dòng)作產(chǎn)生，該級關(guān)斷除執(zhí)行本級關(guān)斷的特殊功能外，還將引起LEVEL IIA和LEVEL III級關(guān)斷，同時(shí)平臺(tái)狀態(tài)燈黃燈和綠燈閃爍。

LEVEL IIA：該級關(guān)斷由主電源、閉排罐液位異常、儀表風(fēng)等公用系統(tǒng)故障、海管入口壓力異常、生產(chǎn)區(qū)可燃?xì)怏w嚴(yán)重泄漏、中控室、配電間、應(yīng)急發(fā)電機(jī)房、主變壓器間和ESP控制房CO2釋放該級關(guān)斷除觸發(fā)本級關(guān)斷的特殊功能外，將引起本平臺(tái)LEVEL III級關(guān)斷。

LEVEL III：本關(guān)斷為單元關(guān)斷，由單臺(tái)設(shè)備或單井故障引起。本關(guān)斷只關(guān)斷故障設(shè)備和單井，而不影響其它設(shè)備的正常工作。

5 火氣探測報(bào)警系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)配置

火氣探測系統(tǒng)采用兩個(gè)PM865和TP830組合的AC800M，PM860包括1個(gè)96 MHz的PM860處理器和32Mbytes RAM。用于設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)的I/O板有以下幾種類型：

5.2 平臺(tái)上火氣探測的主要元件

（1）感煙探頭。煙感探頭主要布置在控制間、配電間、生活樓房間和走廊。可選擇美國APOLLO公司制造的SERIES 60煙探頭。（2）感溫探頭。感溫探頭主要布置在控制間、配電間、生活樓房間和走廊、電瓶間，可選擇英國ALOLLO公司制造的55000-100感溫探頭。（3）三頻紅外火焰探頭。主要安裝在井口區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)域、發(fā)電機(jī)房、鉆臺(tái)等重要區(qū)域，可選擇美國DET-TRONICS公司的X3301型IR3式火焰探頭。（4）可燃?xì)怏w探測器。可燃?xì)怏w探測器主要布置在井口區(qū)和生產(chǎn)區(qū)以及風(fēng)道入口，可選擇德國DRAGER公司產(chǎn)品。（5）氫氣探測器。氫氣探測器主要布置在有可能產(chǎn)生氫氣的地方，如電池間，可選擇德國DRAGER公司制造的Polytron FX催化燃燒傳感器。（6）易熔塞。井口區(qū)布置有易熔塞回路。當(dāng)易熔塞周圍環(huán)境溫度超過設(shè)定值時(shí)，易熔塞破裂，氣環(huán)路漏氣，壓力開關(guān)動(dòng)作，引起ESD LEVEL IIB 級判斷。

6 結(jié)束語

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)無人平臺(tái)的自動(dòng)控制，其控制系統(tǒng)至少應(yīng)由兩部分組成，即過程控制系統(tǒng)（PCS）和設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)（FPS）。過程控制系統(tǒng)的主要作用是：對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)流程，在線修改控制參數(shù)，主要工藝流程和主要設(shè)備參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)，以聲光形式顯示平臺(tái)生產(chǎn)和安全的異常狀態(tài)；設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)的主要作用是：當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常，如壓力高高、溫度過高、液位過高、流量過大、發(fā)生火災(zāi)等，自動(dòng)采取措施進(jìn)行調(diào)整，或關(guān)斷設(shè)備用以保護(hù)設(shè)備不受破壞和人員不受傷害。

當(dāng)然，對于現(xiàn)在自動(dòng)控制還應(yīng)該包括自動(dòng)畫面攝像系統(tǒng)（CCTV）。它使得用戶能夠?qū)崟r(shí)觀測到主要區(qū)域的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，這些主要區(qū)域包括井口區(qū)、中控室、配電房、海面、和直升機(jī)甲板。其原理是，安裝于無人平臺(tái)現(xiàn)場的攝像機(jī)拍攝現(xiàn)場畫面，經(jīng)過編碼器壓縮編碼后，通過SDH傳送至母平臺(tái)，再通過解碼器解碼，最后送至硬盤錄像機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]王建輝.自動(dòng)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]韓一石.現(xiàn)代光纖通信技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]馮博琴，吳寧.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4]中海油研究院.海洋石油工程開發(fā)手冊[Z].