環網交換機通訊技術在邊際油田開發中的應用

環網交換機通訊技術在邊際油田開發中的應用

呂瑞升

1，何金平2（1. 中海油能源發展股份有限公司邊際油田開發項目組，天津 300457；2. 中海油能源發展采油服務公司，天津300457）

本文過介紹環網交換機通訊技術，實現遠程無人駐守井口平臺與依托平臺之間的信號傳輸及控制，

環網交換機 光纖 VLAN技術

1 中心平臺中控系統介紹

中控系統包括過程控制系統（PCS）、應急關斷（ESD）系統和火氣探測（F&G）系統3套控制系統，并通過系統集成手段設計成一個整體，實現分散控制，集中管理的目的。

過程控制系統（PCS）完成對平臺的生產和公用流程的溫，壓，流，液數據進行采集和監測，并監控泵的狀態以及重要閥門的狀態，在監控數據出現異常時啟動報警信號。

設置應急關斷系統（ESD）的主要目的是為了保護平臺人員和設施的安全，防止環境污染，將事故的損失限制到最低。應急關斷系統的設計應滿足故障安全型系統的要求，同時應確保某一級別的關斷指令只能啟動本級別和所有較低級別的關斷，而不能引起較高級別的關斷。

設置火氣探測系統（FGS））的主要目的是及時、準確地探測到可能發生或已經發生的火情或可燃氣體泄漏，及時采取相應的安全措施（如報警、關斷、消防等），以保護平臺人員和設備的安全。

2 無人駐守井口平臺控制系統介紹

鑒于無人駐守井口平臺的特殊性，并不需要在其上設置中控系統，該平臺上面的控制功能將通過網絡交換機來實現。由于目前無人駐守井口平臺和依托平臺的開采方式采用“三一”模式，即一座平臺（無人駐守井口平臺），一條海管管線和一條海底電纜。無人駐守井口平臺需要的控制參數包括：

1) 過程控制系統（PCS）通過網絡和海纜的光纖引入中心平臺的中控系統進行統一監控管理；

2) 緊急關斷系統（ESD）通過網絡和海纜的光纖引入中心平臺的中控系統進行統一監控管理；

3) 火氣探測系統（FGS）通過網絡和海纜的光纖引入中心平臺的中控系統進行統一監控管理；

4) 無人駐守井口平臺房間內設置電話，電話通過網絡和海纜的光纖接入中心平臺的 PABX系統中，實現平臺之間的電話通信聯系；

5) 無人駐守井口平臺房間內設置揚聲器，揚聲器通過網絡和海纜的光纖接入歧口中心平臺的PAGA系統中，實現平臺生產調度、火氣報警、緊急指令發布功能；

6) 無人駐守井口平臺房間內設置網絡接口，網絡接口通過網絡和海纜的光纖接入中心平臺的LAN系統中，實現兩平臺之間的信息傳輸及處理；

7) 無人駐守井口平臺上設置若干攝像頭，攝像頭信號通過網絡和海纜的光纖接入中心平臺的CCTV系統中，實現兩平臺之間的重點設備的生產安全及危險區域進行實時監控。

3 環網TN1U系統切換原理

3.1 環網交換機框架圖

環網交換機框架圖見圖1。

3.2 環形網絡切換原理

環形拓撲為所有的電路提供多種路由的能力。如果某一個公共部件有故障，比如TN1U群路部件或者CMUX部件，信息自動變更路由到備用通道，切換時間小于3 ms。圖1和圖2舉例說明當光纖產生故障時信息是如何變更路由和經過節點。

圖1 環網交換機框架圖

正常情況下，某個TU-1（業務）被指定在站A和B之間通信。通常兩個站之間的最短途徑被指定為優先路徑。通信量沿著兩個路徑傳送但只有一個方向被接收。通道切換發生在一對CMUXE部件內。雖然效果上有兩個CMUXE部件（一個接左TN1U群路部件，一個接右TN1U群路部件），但以上顯示的CMUX部件是作為一個部件。

當發生故障時，通信量（信息）將自動變更路由到備用（Standby）路徑。業務信息經過在備用路徑上的所有節點，同時保持所有的電路通信。TU經過節點的延時根據使用的群路部件 TN1U的類型的不同而不同（STM-1或者STM-4），每節點的延時為16 μs到20 μs。當排除異常情況后，系統自動恢復回優先路徑。

4 無人駐守井口平臺各系統接入方案

4.1 無人駐守井口平臺各系統接入方案示意圖

無人駐守井口平臺各系統接入方案見圖4。

4.2 管理型環網交換機技術參數

1) 支持POE 供電和千兆級聯的10 端口網管型工業以太網交換機8 個10/100BaseTX RJ45端口，支持 802.3af / 802.3at；

2) 最多支持 2 個千兆以太網光纖端口；

3) 最多支持 2 10/100/1000BaseTX 雙絞線端口；

4) 1 個 54VDC，160W（8 端口供電支持802.3af標準或 4 端口供電支持 802.3at 標準）；

5) 1個 54VDC，160W（8 端口供電支持802.3at標準）；

6) 基于 VLAN（802.1Q）的網絡通信隔離和安全。

圖2正常配置情況

圖3光纖故障情況下的保護切換

圖4無人駐守井口平臺各系統接入方案示意圖

中心平臺及無人平臺分別布置兩臺管理型環網交換機，合計4臺環網交換機，每臺交換機上有兩個用于組環的端口，交換機之間通過手拉手形式構成了環形的網絡拓撲，通過光纖組成環網，環網的優點是某一根光纖出現故障，可以自動跳到另一條光纜進行通訊。

無人駐守井口平臺的 PCS、ESD、FGS、電話系統、揚聲器、攝像頭等系統必須具備網絡接口，可通過網線直接接入管理型環網交換機。

中心平臺的中控系統、電話系統、揚聲器、CCTV等系統需具備網絡接口，可通過網線直接接入管理型環網交換機，如不具備，需通過改造增設網絡接口。

虛擬局域網（Virtual Local Area Network，簡寫 VLAN）是一種建構于局域網交換技術(LAN Switch)的網絡管理的技術。VLAN是一種將局域網設備從邏輯上劃分成一個個網段，從而實現虛擬工作組的新興數據交換技術。對于平臺內各系統IP地址不在同一網段的情況，環網交換機具備VLAN技術，可以把同一物理局域網內的不同系統邏輯地劃分成不同的廣播域，由于是從邏輯上劃分，而不是從物理上劃分，所以同一個VLAN內的各個工作站沒有限制在同一個物理范圍中，即這些工作站可以在不同物理 LAN網段。由VLAN的特點可知，一個VLAN內部的廣播和單播流量都不會轉發到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設備投資、簡化網絡管理、提高網絡的安全性。

4.3 專用設備（DTT卡）的可靠性

4.3.1 緊急關斷DTT專用卡

圖5 DTT-XMT單元前面板

鑒于安全系統的重要性，安全系統應設計成獨立于控制和報警系統，使其不受控制和報警系統故障的影響。[2]傳輸緊急關斷等干接點信號，設備的可靠性必須非常高，不能有任何的誤動作，否則會影響生產，甚至導致油田停產，這就要求專用的卡件電路中每個回路的設計必須完全獨立并隔離，DTT卡件中傳輸干接點信號的4個電路設計完全獨立并隔離，接收端在收到，也只有收到一個完整的正確的 96－bit幀時才發出一個預定的動作信號。圖表96中顯示了各種傳輸誤碼率的誤動作概率。在正常傳輸下，誤動作的概率優于10-72，這是實際應用時的最低點，同時， 甚至在連續的0.1誤碼率（最壞情況），誤動作概率也只有 10-16，也就是300,000年一次。

圖6 誤動作概率

4.3.2 DTT卡的傳輸編碼及延時

從DTT－XMT傳來的輸入信號是連續的同步比特流。比特流含有緊鄰的96－BIT結構，除此外，將會提前中止出一個空閑的幀來加快高優先級幀（新的遠動信號）的傳輸。從圖中可看出，96位編碼中：16位的頭編碼，24位的地址編碼，12位的關斷數據，8位測試碼，4位報警碼，32位的循環冗余校驗 CRC（Cyclic Redundancy Check）編碼。這樣在傳輸上徹底避免了由于數據的誤碼和錯碼造成的誤關斷。

一般兩平臺之間的關斷信號主要延時來自設備本身的延時（信號在海底光纜的傳輸速度為5 μs/km，可不考慮，見圖8），專用設備卡件的端到端延時為3 ms，能夠完成最嚴格的關斷信號延時要求。

總之，隨著海上平臺工藝設施安全保護要求的不斷提高，一些海上油氣田開始采用高完整性壓力保護系統（HIIPS）來保護生產設施和人員安全[3]。對于緊急關斷信號的穩定性及安全性的要求也越來越高，這也給各生產廠商提出了更高的要求，一般安全系統的 SIL等級也要求達到SIL2甚至SIL3的等級。

5 結束語

簡易井口平臺設施少，儀控系統盡量設置簡單，但對于無人駐守井口平臺一般依托現有設施進行遙控、監測和關斷，儀控系統簡單而又要求可靠，實現自動化生產，提高了平臺的自持能力，減少人員登平臺的次數[4]。環網交換機在控制方面發揮了重要的作用。對于環網交換技術的應用，達到了自動化系統的設計應使運行過程中出現的一個故障不會導致其他故障的產生，并且其產生的危險性會降到盡可能低的程度的要求[5]。通過以上方案的闡述，在邊際油田開發方面，控制方案的優化及應用將對目前形勢下的降本增效提供有力的實踐意義，同時為海上石油開發中通訊網絡的設計積累經驗及借鑒。

圖7 BC96 碼

圖8 DTT延時邏輯圖

[1] 中國海洋石油總公司. Q/HS 3024-2012 海上無人駐守井口平臺設計規定[S]. 2013.

[2] 海洋石油工程設計指南編委會. 海洋石油工程電氣儀控通信設計[M]. 北京: 石油工業出版社, 2007.

[3] 徐正海等. 海上平臺儀控系統發展現狀[M]. 2013.

[4] 海洋石油工程設計指南編委會. 海洋石油工程邊際油氣田開發技術第 13冊[S]. 北京: 石油工業出版社, 2010.

[5] 中國船級社. 海上移動平臺入級規范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

The Communication Technology of Ring Network Applicated in Marginal Oil Fields Development

Lyu Ruisheng1, He Jinping2

(1. CNOOC Energy Technology & Services-Marginal Oil Fields Development Project Group, Tianjin 300457, China;

2. CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

This article introduces the ring network- switch communication technology. The technology realizes signal transmission and control between the remote unmanned wellhead platform and relying platform. It is better than that of the optimal terminal machine in cost and is feasible in technical which plays a certain practical application role in communication technology for the marginal oilfield.

ring network switch; optical fiber; VLAN technology

TN915.05

A

1003-4862（2017）02-0074-04

0 引言

2016-08-12

呂瑞升（1980-），男，工學學士，工程師。研究方向：船舶及海洋工程發電、配電系統。

E-mail: lvrsh@cnooc.com.cn制系統是海上油氣田開發工程中的關鍵環節之一，它是海上油氣田各種開發設施的大腦和安全衛士。只有儀表控制系統發揮良好的功能才能保障海上油氣田得以順利的開發[2]。

在成本費用上優于光端機，技術上可行，為今后邊際油田在通訊技術方面起到了一定的實踐應用意義。

海上采油平臺的生產過程離不開自動化控制系統，該系統是整個平臺開采、生產和集輸及消防安全正常運行的保證。隨著海洋石油事業的不斷發展，根據開采規模的不同，海洋石油平臺向著兩極發展。一方面，將所有的油氣生產及處理、人員生活區都集中在一個平臺上，即形成一個中心平臺（CEP），另一方面，對于邊際油田的開采開發，由于井數少、平臺設施簡化，無動力設施、油氣處理設施。正常生產條件下，平臺上無人進行生產操作，特殊情況下，如檢修、應急故障處理、調查，以及定期巡檢期間，可以登平臺，但不得在平臺住宿，即所謂的無人駐守井口平臺[1]。這就需要不同的控制方案對不同規模的進行控制，控制系統的選型也隨之不同。儀表控