海洋石油化工儀表中的自動化控制探析

文/李卓威（中海油能源發展裝備技術有限公司南海工程分公司）

一、前言

全球海洋油氣資源豐富，據粗略統計，海洋石油探明儲量約380億噸，海洋天然氣資源約140萬億立方米，其中30%分布在大陸坡的深水、超深水域。歷經近50年的開發，陸地與淺海區域的探明油氣資源越來越少，為滿足市場需求，主流石油公司已經轉戰深海區域。深海石油勘探開發存在資源生產難度高、外界條件限制大、設備設施投入高、安全風險系數大等困難。通過應用石油化工自動化儀表可以精準應對深海石油勘探、開發所面臨的困難，提升深海石油生產效益和安全系數。近年來，自動化控制技術愈趨成熟、應用愈加廣泛，其與生俱來的技術紅利將在深海資源開發領域繼續釋放不可限量的潛力。

二、海洋石油化工儀表自動化控制技術特征

在自動化控制技術發展的背景下，將其應用在海洋石油化工儀表中可以進一步促進生產，海洋石油生產風險高、投入多，要降低生產風險，提升生產精度，只有應用自動化控制技術，方可實現海洋石油化工生產技術的突破[1]。自動化控制儀表和自控系統是化工儀表自動化控制技術實現的關鍵。智能儀表在化工生產工藝流程中無須人工操作，可自動運行并自行對生產工藝流程進行監測和控制。自控系統通過將自控儀表進行有機整合并實施自動控制。該項技術有效緩解人工操作延遲、記錄誤差等問題，較大程度上避免人員誤操作的可能，實現進一步優化成本結構，釋放現場操作人工成本。應用自動化控制技術可大幅提高生產系統的安全性。因其具有可編程性這一先天優勢，應用區域及功能等方面延展的潛力非常大，能夠應對控制日漸復雜的生產過程的需求。自控系統還具有全局監督及數據記憶的功能，通過計算機配置，自動記錄生產過程中智能儀表反饋的數據信息，通過人工進行后臺數據分析，對于傳統儀表無法解決或無法察覺的問題，可以通過智能儀表及時發現并妥善解決。同時對于生產過程中存在的故障隱患進行監督并對故障點進行精準定位，有效減少故障排查時間，極大限制故障影響范圍，有效避免危情發生。自動化控制技術的應用，不僅實現生產工藝流程的自動控制，而且在生產故障發生的最初能夠及時報警，保證生產流程的安全，并根據危險等級對相關生產流程區域進行關停、隔離，有效減少安全事故的發生，大幅提高海洋石油生產安全系數，對于保證海洋石油產業整體效益意義重大。

三、海洋石油化工儀表控制的類型

（一）傳統控制型

傳統控制型是最基本的儀表類型，傳統控制型的石油化工儀表在實際應用中雖然總體效果較佳，但是存在監控不集中、分散性較強、觀測精度易受外界影響等劣勢，近年來海洋石油資源開發規模的逐漸擴大，對自動化監控、精度、時效等方面的要求相應提高，傳統儀表的劣勢日漸凸顯。隨著社會經濟水平的不斷發展，市場對石油生產量的需求也逐漸增高，傳統控制型已經落后于實際生產要求且難以滿足更大規模的石油生產，因此必須要針對傳統控制型儀表的精度不夠、穩定性較弱、監控分散等短板進行技術上的革新。加大研發投入，提升智能化水平和自動化水平，深入研究自動化控制技術以及開發自動化監控系統，進一步提升海洋石油生產總體水平勢在必行。

（二）集散式控制型

與陸地石油油田開發相比，海洋石油油田需要克服海洋環境的影響，臺風、巨浪威脅生產人員的生命，潮濕、鹽霧影響生產設備的壽命。正因海洋環境的特殊，海上油氣開發的投資成本一般是陸地油氣開發投資的三到五倍，成本主要集中在海洋石油開發設備、裝備的設計與制造上，在海洋要使用特殊的儀器設備，石油化工儀表便是其中之一。隨著技術發展，集散式控制型的石油化工智能儀表得以衍生，有效提升了生產效益。集散控制型智能儀表以微處理器為核心，通過計算機實現集中管理，具有可靠性高、系統結構合理等特點，雖然處理的信息量較小，但其中一部分系統出現故障并不會影響全局。當管理計算機故障時，不同系統仍可以進行獨立控制。由于數據已進行預處理，因此需要處理的數據量降低，減輕微型機的負荷，進而提高系統的控制效率。智能儀表繼承了傳統控制儀表系統的優勢，也突破了傳統控制系統的局限，大幅提升了海洋石油化工儀表控制的自動化水平，推動了海洋石油化工儀表控制系統的智能化發展。在集散式控制系統的應用下，雖然解決了傳統控制系統的問題，但是仍存在一定局限，智能儀表雖然可以通過系統呈現生產流程中的各項數據，但是無法保證數據的連續性，在實際中往往要邊生產邊測量，也就是采用分段控制的模式[2]。在海洋石油生產中，由于設備種類繁多，實際應用中存在兼容問題。比如，集散控制型智能儀表無法和加強型智能設備實現完美的聯合應用，雖然精度、效率均有提升，但是存在數據中斷的情況，因此無法實現連續監控。如果在生產中強制將兩者進行聯合使用，將會造成生產資源的浪費，加劇生產流程的復雜程度，無法完全實現自動控制的根本目的。

（三）現場總線控制型

現場總線控制系統是一種通過開放式通信網絡實現全分布控制的系統，將各種作為網絡節點的智能設備通過總線進行有機聯系成網絡系統，再通過系統配置構建自動化控制系統，實現顯示、調控、監控、報警、記錄、優化配置及管控集成化的綜合自動化功能。總線控制型儀表更加智能化，且體積更小，便于操作，在實際應用中開放性的特征也更加明顯。在石油化工儀表控制系統中，總線儀表在元器件選擇上都經過了層層篩選，在軟件上采用成熟的嵌入式操作系統，運行平穩，響應及時，完全可以適用海洋石油生產要求。總線智能儀表由電機驅動的儀表盤、高亮的LED符號片、液晶彩屏、按鍵、蜂鳴器、實時時鐘組成，在操作過程中，其處理器運行十分迅速，可以完成多任務掃描，儀表運行過程中作業連續，可以滿足海上石油規模化生產[3]。總線控制型的海洋石油化工儀表可靠性極強，在設備功能與操作技術上更加智能化、成熟。相較于集散控制型自動化系統，總線系統僅需一對信號電纜便可連接多臺智能儀表、通過數字通訊技術實現雙向通訊和多數據傳輸、采用分散虛擬控制站實現現場儀表設備的自行控制。由于總線系統的構建基于開放、標準化的原則，因此徹底修正了由集散控制型系統專用網絡的封閉所造成的缺陷。通過現場總線型控制系統應用，加強石油生產的智能化，保證安全生產系數，提高石油生產效率，優化石油生產質量，提升海洋石油生產企業的綜合效益。

四、自動化控制技術在海洋石油化工儀表中的應用

（一）集散型控制系統的應用

海洋石油行業目前廣泛使用集散型控制系統，在生產工藝流程中進行自動監控，對生產流程中各環節實時監控，及時獲取最新生產參數資料，員工據此數據進行分析后通過后臺系統及時調整各環節的參數配置，對生產過程中某環節進行針對性調整，實現優化生產、提高質量與效率。生產管理人員利用集散型控制系統的遠程管理，結合智能儀表和自控系統的自動化，通過分散控制、集中操作，實現優化生產管理結構，提高管理水平和效率，降低管理成本，大幅降低員工工作強度，減少人為誤操作的可能。集散型控制系統將應用在各生產流程的智能儀表所反饋的數據信號，利用冗余技術和報警策略進行自診斷處理，對生產設備和流程故障進行判斷和處理。同時，通過系統配置進行聯鎖故障報警、緊急停車等動作，當故障出現立即警報，危情發生自動停車，實現故障第一時間處理，危情第一時間遏制，將危害影響范圍控制在最小，將損失程度控制在最低，防止發生嚴重的安全事故，保護海洋石油產業的整體效益。

（二）檢測智能儀表的自動化應用

海洋石油生產流程中各環節的生產數據，由智能儀表檢測采集后以電信號形式通過電纜傳輸回控制系統再進行處理與呈現。智能儀表的應用，解決了當遭遇惡劣環境條件下無法進行現場檢測、記錄的痛點，通過對控制系統實時呈現的生產數據進行生產狀態分析，及時對生產流程進行調整，不受傳統儀表局限，促進了海洋石油生產的穩定與安全。

（三）人機交互應用

在海洋石油化工儀表的應用中結合自動化控制技術可以實現人機交互，從而幫助生產人員監控生產全過程，通過計算機技術將人機聯系在一切，同時融合電子通信技術、智能化處理技術、視頻監控技術等先進技術，實現各種生產設備和生產人員的實時交流、人機互動。在傳統海洋石油生產中，傳統石油化工儀表控制系統是采用“一對一”的生產控制模式，但是利用自動控制技術可以實現“一對多”的控制模式。在應用時，通過中央控制室的顯示屏將實時生產信息傳遞給生產人員，對生產流程進行遠程化操作，保證生產動態獲取的實時性和準確性。有效提高生產效益，減少人員投入，保證海洋石油有序生產和人員安全。

（四）自動化監控功能應用

海洋石油生產風險高，不確定因素多，海洋石油生產人員生命安全相比陸地油田要經受更大的考驗，因此應用自動化監控技術十分必要。通過智能儀表和自控系統的結合，實現對生產流程的實時監測和遠程管控，對生產過程中的風險進行動態化把控。

應用自動化監控技術，保證了海洋石油化工生產安全，有效控制生產過程中的安全風險，全面提升生產質量與安全系數。

五、結語

自動化控制技術在海洋石油產業中起著重要的作用，通過自動化監控及主動故障處理等技術，提高石油生產效率，加強生產整體的可靠性和安全性，優化生產管理結構，提高管理水平和效率，降低崗位員工作業強度，減少人為誤操作的可能等。

自動化控制技術是海洋石油產業升級的關鍵，儀表和自控系統是自動化控制技術的基礎，儀表的智能化、多功能化發展和自控系統的網絡化、現代化發展都至關重要，兩者優化對石油產業的提質增效有著立竿見影的效果，因此加強研發、優化設計，促進自動控制水平再提高，以此帶動海洋石油產業再升級，讓海洋石油產業成為我國經濟騰飛的生力軍。