海上平臺中控系統(tǒng)控制器超負(fù)荷優(yōu)化改造

趙海亞，陳文林，肖鵬

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

海上平臺中控系統(tǒng)控制器超負(fù)荷優(yōu)化改造

趙海亞，陳文林，肖鵬

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

介紹了海上平臺中控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并對中控系統(tǒng)控制器超負(fù)荷的問題進(jìn)行了深入的研究和分析，通過新增PRP-CCR冗余控制器對中控系統(tǒng)控制器優(yōu)化改造，達(dá)到了降低控制器負(fù)荷的目的，徹底解決了因中控系統(tǒng)超負(fù)荷而導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)，保證了平臺的正常安全生產(chǎn)，同時(shí)節(jié)約了改造成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

海上平臺 過程控制系統(tǒng) 控制器 超負(fù)荷

某氣田海上平臺的中央控制系統(tǒng)(簡稱中控系統(tǒng))主要包括： 過程控制系統(tǒng)(PCS)、緊急停車系統(tǒng)(ESD)和火氣監(jiān)控系統(tǒng)(F&G)，其中PCS采用DeltaV系統(tǒng)。該中控系統(tǒng)在歷年的維保過程中，發(fā)現(xiàn)位于中心控制室(CCR)控制機(jī)柜的PRP-CCR控制器負(fù)荷率為86%，空置率不足15%。PRP-CCR控制器是平臺中控系統(tǒng)的控制核心，處理器冗余數(shù)據(jù)交換會占據(jù)負(fù)載，中控系統(tǒng)存在因控制器負(fù)荷過高而導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對中控系統(tǒng)控制器超負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化改造顯得尤為必要且迫切。

1 海上平臺中控系統(tǒng)簡介

該中控系統(tǒng)中的PCS，ESD，F(xiàn)&G相互獨(dú)立，通過系統(tǒng)集成將其組合為1套完整的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面和數(shù)據(jù)的共享。其中，PCS主要包含控制處理器、操作員站、服務(wù)器(工程師站)、報(bào)警和報(bào)表打印機(jī)、數(shù)據(jù)高速通信網(wǎng)等。硬件組成包括MD Plus控制器、通信模塊、直流24 V/12 V電源模塊以及AI，AO，DI，DO卡。

1) 控制機(jī)柜。DeltaV系統(tǒng)有2套控制機(jī)柜，1套位于CCR控制機(jī)柜內(nèi)，另1套位于維修車間的遠(yuǎn)程I/O控制機(jī)柜(RIO)內(nèi)。

2) 控制網(wǎng)絡(luò)。DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)是以TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的冗余的局域網(wǎng)，由于以太網(wǎng)信號在傳輸過程中會衰減，該氣田維修車間的RIO與CCR控制機(jī)柜的控制器之間的采用光纖進(jìn)行通信。

3) ESD，F(xiàn)&G與PCS通過TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2 中控系統(tǒng)存在的問題及故障原因分析

2.1 中控系統(tǒng)存在的問題

在歷年的中控系統(tǒng)維保過程中，發(fā)現(xiàn)PRP-CCR控制器負(fù)荷使用率為86%，空置率不足15%，已經(jīng)超過了控制器允許的最大安全負(fù)荷率，如果再往PRP-CCR控制器里下裝新的組態(tài)數(shù)據(jù)，主從控制器冗余同步就會斷開，會影響中控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，中控系統(tǒng)存在控制器負(fù)荷過高而導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 故障原因分析

DeltaV控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 負(fù)載跟組態(tài)Module數(shù)據(jù)模塊的數(shù)量密切相關(guān)，跨控制器的數(shù)據(jù)通信并不影響控制器的運(yùn)行。

通過對該平臺的DeltaV控制系統(tǒng)的組態(tài)進(jìn)行仔細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，PRP-CCR控制器承擔(dān)了中控系統(tǒng)的大部分組態(tài)數(shù)據(jù)模塊的運(yùn)算，各個(gè)不同系統(tǒng)占用的數(shù)據(jù)模塊數(shù)量如下： PRP-CCR控制器的PCS數(shù)據(jù)模塊71個(gè)、與ESD系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)模塊478個(gè)、與F&G系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)模塊464個(gè)、OPC通信數(shù)據(jù)模塊158個(gè)、與其他PLC設(shè)備通信的數(shù)據(jù)模塊139個(gè)。從中可以明顯地看出，其中與ESD和F&G兩大系統(tǒng)通信的Module數(shù)據(jù)模塊數(shù)量最多。

3 降低負(fù)荷探索與分析

3.1 PRP-RIO控制器均衡負(fù)荷

相比PRP-CCR控制器，位于維修車間的PRP-RIO控制器的負(fù)荷使用率相對較小，其負(fù)荷使用率只有17%。

通過以上分析比較，2個(gè)控制器的負(fù)荷分配嚴(yán)重不均衡。要想解決PRP-CCR控制器超負(fù)荷的問題，就需將PRP-CCR控制器的負(fù)荷分解出去。

經(jīng)過仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)PRP-CCR控制器中有158個(gè)OPC通信的Module數(shù)據(jù)通信模塊是讀取另外1個(gè)平臺的工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)，只是在中控系統(tǒng)的操作畫面上顯示，該部分通信數(shù)據(jù)模塊對于平臺的正常生產(chǎn)影響不大。于是筆者嘗試將該部分OPC數(shù)據(jù)通信模塊從PRP-CCR控制器轉(zhuǎn)移至PRP-RIO控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，成功地將PRP-CCR控制器的負(fù)荷使用率從原來的86%降到了70%，PRP-CCR控制器的負(fù)荷使用率得到明顯降低。

如需進(jìn)一步降低PRP-CCR控制器的負(fù)荷，則需要轉(zhuǎn)移更多的數(shù)據(jù)模塊。PRP-RIO控制器至PRP-CCR控制器的通信距離較遠(yuǎn)，通過光纖轉(zhuǎn)為TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，在中控系統(tǒng)操作站讀取PRP-RIO數(shù)據(jù)需要先經(jīng)過PRP-CCR控制器，相當(dāng)于在數(shù)據(jù)傳輸過程中多了一級控制器。目前PRP-CCR控制器中余下的數(shù)據(jù)模塊中，F(xiàn)&G和ESD的數(shù)據(jù)模塊占據(jù)了80%。若將F&G和ESD的數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)移到PRP-RIO控制器處理運(yùn)行，則會增加以太網(wǎng)絡(luò)通信的負(fù)擔(dān)，降低處理速度；并且F&G和ESD屬于該氣田平臺的兩大關(guān)鍵系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)遷移下裝過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動，從而增大生產(chǎn)關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 新增PRP-CCR冗余控制器

根據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，想要降低控制器的負(fù)荷，提升中控系統(tǒng)的運(yùn)行控制質(zhì)量有以下兩種改造方案：

1) 升級DeltaV系統(tǒng)的控制器。通過購買最新版的、功能更強(qiáng)大的控制器，可以滿足運(yùn)行負(fù)荷的需求，成本約140萬元，但需停產(chǎn)進(jìn)行。

2) 新增1對冗余的控制器。在不升級控制系統(tǒng)的情況下，在原有的PRP-CCR控制器的基礎(chǔ)上，新增1對冗余的控制器來分解負(fù)載，降低原有PRP-CCR控制器的負(fù)荷使用率。該方式需要相同型號的控制器、電源、背板各2套，采購備件成本約10萬元人民幣，可以在不停產(chǎn)的情況下自主完成。

新增的冗余控制器與原有控制器一樣，均作為DeltaV系統(tǒng)中的1個(gè)節(jié)點(diǎn)，只需要增加普通的網(wǎng)線，通過CCR控制機(jī)柜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)直接接入DeltaV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，很好地保證了信息的傳輸速率以及控制器的反應(yīng)速度。

4 優(yōu)化改造過程

4.1 硬件安裝階段

在第一次將通信Module數(shù)據(jù)模塊從PRP-CCR控制器轉(zhuǎn)移至PRP-RIO控制器運(yùn)算之后，在后續(xù)的中控系統(tǒng)維護(hù)中發(fā)現(xiàn)： 雖然PRP-CCR控制器的負(fù)荷使用率降到了70%，但是在向PRP-CCR控制器繼續(xù)下裝數(shù)據(jù)的時(shí)候，PRP-CCR的主從控制器的冗余同步還是會斷開，說明控制器的負(fù)荷使用率依然較高，必須進(jìn)一步降低控制器的負(fù)荷使用率。因此，按照優(yōu)化改造思路的第二種改造方案，在原有控制器的基礎(chǔ)上，新增了1對冗余的控制器來分解負(fù)荷，以降低原有控制器的負(fù)荷使用率。

4.2 Module數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)移

在平臺不停產(chǎn)的情況下，轉(zhuǎn)移Module數(shù)據(jù)模塊需要重新分配控制器和下裝操作，在轉(zhuǎn)移過程中參數(shù)可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾動的情況，尤其是各種工藝參數(shù)與生產(chǎn)關(guān)系較為密切，可能會導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)該氣田的生產(chǎn)情況，經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評估分析認(rèn)為：

1) 在轉(zhuǎn)移ESD數(shù)據(jù)模塊過程中，信號的狀態(tài)會發(fā)生更改，這對氣田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)。由于ESD與工藝生產(chǎn)關(guān)系密切，因而盡量不要轉(zhuǎn)移ESD中的數(shù)據(jù)模塊。

2) 相比之下F&G系統(tǒng)所有輸出信號都可以進(jìn)行硬件臨時(shí)旁通，在下裝過程中即使信號狀態(tài)發(fā)生更改也不會對安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成影響，所以決定將F&G系統(tǒng)的464個(gè)Module數(shù)據(jù)模塊從PRP-CCR控制器轉(zhuǎn)移至新增的冗余控制器里運(yùn)行。

將F&G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)移至新增的PRP-CCR冗余控制器后，PRP-CCR控制器負(fù)荷使用率由70%下降至51%。

5 優(yōu)化改造效果

在優(yōu)化改造完成后，PRP-CCR控制器的負(fù)荷使用率由原來的86%降到了51%，將原PRP-CCR控制器的部分負(fù)載分配給了PRP-RIO和冗余的PRP-CCR控制器運(yùn)算處理，對中控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際操作和監(jiān)控測試，結(jié)果與預(yù)期一致。調(diào)整后3個(gè)控制器的負(fù)荷使用率見表1所列。

表1 控制器的負(fù)荷使用率

經(jīng)過調(diào)整、優(yōu)化PRP-CCR控制器的負(fù)荷，操作人員發(fā)現(xiàn)DCS操作畫面刷新速度明顯得到提高。并且中控系統(tǒng)的優(yōu)化改造，為該氣田平臺后期增加新的數(shù)據(jù)模塊，提供更加寬裕的擴(kuò)展空間。

6 結(jié)束語

通過該優(yōu)化改造，使中控系統(tǒng)控制器的負(fù)載處于合理的運(yùn)行狀態(tài)，確保了中控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免了因控制器超負(fù)荷引起的生產(chǎn)關(guān)停，不僅保證了海上平臺的正常穩(wěn)定生產(chǎn)，又鍛煉和提升了現(xiàn)場維修作業(yè)人員的技能水平，同時(shí)節(jié)約了中控系統(tǒng)軟硬件費(fèi)用和現(xiàn)場服務(wù)費(fèi)約100萬元人民幣，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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趙海亞(1980—)，男，畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中海石油(中國)有限公司湛江分公司，主要從事儀表維修工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)03-0074-02

稿件收到日期： 2017-02-05，修改稿收到日期： 2017-04-05。