儀表控制系統在海洋油氣田應用研究

徐從成

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司西江油田惠州25-8平臺 廣東 深圳 518067）

1 引言

儀表控制系統作為油氣田的神經中樞、檢測中心和安全屏障，其地位越來越不容忽視，利用好儀表控制系統成為海洋油氣田快速發展迫切需求。

2 儀表控制系統的發展歷程和方向

20世紀60年代，石油化工等企業主要使用模擬式儀表。傳統的模擬儀表控制功能單一，在一些復雜的工藝生產過程中常常采用大量的傳統模擬儀表實現過程控制功能，所以控制室內的儀表越來越多，儀表盤面越來越大，導致人機聯系差，操作不及時，也不利于人員對工藝過程的監控和操作。

為了使儀表控制系統能適應更復雜的控制功能，在中央控制室內采用單一的計算機實現直接數字控制（DDC）或者監督計算機控制（SCC），構成了集中型計算機控制系統。

然而，集中型計算機控制系統采用的是高度集中控制，所以危險性也高度集中，如果出現故障，將會導致生產停止甚至發生更危險的惡性事故。因此，如何把計算機的故障所造成的危害和經濟損失減小，使危險分散，成為儀表控制系統首要解決的問題。

經過儀表研究人員刻苦鉆研和實踐，在1975年Honeywell公司推出了世界上第一代集散控制系統（Distributed Control System，簡稱DCS），又稱分散控制系統，是以微處理器為基礎對生產過程進行集中管理和分散控制的分布式計算機控制系統。

隨著控制技術、計算機技術、網絡技術和軟件技術等的迅速發展，集散控制系統進入了第二代。

20世紀80年代，綜合信息管理系統的開發成功標志著DCS的迅速發展進入了第三代，新的系統在原有的過程控制層和過程管理層上增加了第三層---綜合信息管理層，更多的關心高層信息的傳輸、處理和共享。

為了打破“信息孤島”系統封閉的格局，就必須設計出一種適用與工業化環境、性能可靠、協議公開、成本較低的數字通信系統，開發出遵循同一通信標準的多功能現場智能儀表，使不同廠家的現場儀表可以在開放系統中實現互聯和互操作，這樣就消除了傳統DCS采用專用通信網絡所造成的系統封閉的缺陷，才能滿足用戶的需要?，F場總線控制系統就是在這種實際需求的驅動下應運而生的。

3 現場總線控制系統

現行總線實現雙向串行多節點數字通信系統，使自動控制系統與設備之間具有了通信能力，把現場的智能儀表等設備連接成網絡系統，徹底打破了儀表自動控制系統的信息孤島。

由現場總線組成的網絡集成式全分布控制系統，成為現場總線控制系統（Fieldbus Control System，簡稱FCS）。FCS是在計算機網絡技術、通信技術、微電子技術飛速發展的基礎上，與自動控制技術相結合的產物，是繼模擬式儀表控制系統、集中式數字儀表控制系統、DCS后的新一代控制系統，在石油化工企業的儀表自動控制系統中，得到廣泛的應用。

3.1 FCS的結構

FCS包括現場總線智能儀表、監控計算機、網絡通信設備和電纜，以及網絡管理、通信軟件和監控組態軟件。

3.1.1 現場總線智能儀表 現場總線智能儀表內部自帶了一個微處理器，具備了相互通信的能力，具有豐富的控制功能、靈活方便的操作手段，比模擬式儀表更有效的控制和管理生產過程。例如，海洋石油115設施上的Fisher—Rosemount公司的3051壓力、差壓、液位變送器以及溫度變送器、智能調節閥是FF現場總線的現場儀表，具有各種功能模塊，可實現多種控制策略和功能。

3.1.2 監控計算機 FCS需要一臺或多臺監控計算機，這類計算機結構緊湊、堅固耐用、工作可靠、抗干擾能力好，能滿足智能儀表的組態、診斷、運行和操作的要求。

3.1.3 網絡通信設備 網絡通信設備是現場總線之間及總線與節點之間連接的橋梁，現場總線與監控計算機之間一般用通信控制器或通訊接口卡連接，它可連接多個智能節點或多條通信鏈路。一臺帶有通信接口卡的PC機及若干現場智能儀表與通信電纜，就構成了最基本的FCS硬件系統。

3.1.4 監控系統軟件 監控系統軟件包括操作系統、網絡管理、通信和組態軟件。操作系統一般都是Windows操作系統。網絡管理軟件的作用是實現網絡各節點的安裝、刪除、測試，以及對網絡數據庫的創建、維護等。

3.2 FCS的優點

3.2.1 FCS實現了徹底的分散控制 傳統的模擬式儀表控制系統采用一對一的設備連接，而FCS采用了具有DCS系統中處于控制室內的控制模塊、各類智能儀表設備，智能儀表具有相互通信的能力，智能測量變送儀表可以與調節閥等執行器直接進行信息傳遞，使生產更加安全、穩定的運行。

3.2.2 FCS簡化了系統結構 FCS采用數字信號替代模擬信號，不再需要模/數、數/模轉換部件，可實現一條信號線上傳輸多個信號，可以為多個設備提供電源，簡化了系統結構，節省了連接電纜和安裝費用。

3.2.3 FCS實現了系統的開放性 FCS以網絡通信技術為基礎，而現在的網絡通信標準（國際標準IEC 61158）是統一的，各個廠家生產的控制系統的通信標準必須滿足此國際標準，才能受到用戶和各大企業的青睞，才能滿足市場競爭的需求，所以各個廠家的設備可以自由通信，用戶可以按自己的習慣、需求和考慮，不用限定廠家、機型，實現儀表控制系統的開放性。

3.2.4 FCS的互可操作性和互用性 互可操作性是指實現互連設備間、系統間的信息傳輸和溝通；互用性是指不同廠家的性能類似的設備產品能夠互相替代。

3.2.5 FCS采用全數字通信方式 FCS與傳統的儀表控制系統不同，它采用全數字通信方式，可以進行雙向通信，提高了通信速度、傳輸精度。

3.2.6 FCS節省硬件數量與投資，節省了安裝費用

FCS掛接的都是現場智能儀表，一根現場總線可以連接多臺現場智能儀表，能直接傳輸和執行多種測量、控制、報警和計算功能，減少了變送器數量，也不再需要模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉換與處理部件，從而節省了一大筆硬件費用、安裝費用和維護費用，提高了石油化工等企業的效益。

4 儀表控制系統在海洋油氣田的應用前景

海洋石油的生產平臺（DPP）或者油氣處理儲存裝置（FPSO）有許多系統，每個系統的設備的供銷商是不同的，其控制功能和實現方式也存在差異，那么怎樣才能把它們有效的結合起來？怎樣才能更好的利用它們的信息來實現監視和控制？已經成為儀表專業人員首要解決的問題。

雖然DCS已經霸占了儀表控制系統30多年，也在不斷的進步，但是它仍然有它的局限性。通過與現場總線控制系統的比較，現場總線控制系統的優點是顯而易見。隨著計算機技術、網絡通信技術飛速發展，DCS必將讓位于FCS。

FCS已經成為我們海洋石油儀表控制系統發展的主要方向，有一些新的設施DPP或者FPSO已經使用FCS，海洋石油115（FPSO）的上部模塊就已經采用了FCS，就目前使用情況來看，系統運行穩定，投產使用十多年以來，沒有出現過大的故障，大大降低了維護費用，從來沒有因為現場總線設備問題影響正常生產。

FCS的問世標志著儀表控制系統進入了一個新的歷史時期，不僅滿足了海洋油氣田快速發展的需要，也滿足了海洋油氣田技術不斷進步、更新的需要。

5 結語

儀表控制系統作為海洋油氣田生產裝置的“神經中樞與大腦”，逐漸向數字化、網絡化、智能化、微型化方向發展，而FCS的問世，大大降低了成本費用，并能夠大大的提高海洋油氣田生產裝置的平穩性和安全性，為海洋油氣田進一步向深水進軍提供了技術保證。

[1]吳勤勤.《控制儀表及裝置》，化學工業出版社，2002年6月.

[2]樂嘉謙，《儀表工手冊》，化學工業出版社，2003年7月.

[3]俞光昀，陳戰平，季菊輝.《計算機控制技術》，電子工業出版社，2002年6月.

[4]陸德民.《石油化工自動控制設計手冊》，化學工業出版社，2000年1月.