一種基于多重網絡應用的海上平臺三地控制模式設計

馮楊鋒，羅飛箭，戚 蒿，尹燕波，王 松，尉星望，張 歡

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口）

1 背景

1.1 海上平臺的網絡資源情況

中國南海的海上平臺距離陸地較遠，網絡傳輸主要基于衛(wèi)星通訊技術、微波通訊技術、散射通訊技術進行[1]。

通過衛(wèi)星通訊技術搭建的衛(wèi)星網絡，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、和費用昂貴的特點。在實際應用中，考慮到衛(wèi)星帶寬帶來的費用問題，一般架設帶寬在128K-8M 以內的衛(wèi)星網絡，用于工業(yè)控制。

1.2 案例基礎情況介紹

1.2.1 設備設施情況

本案例中，新建的一套水下生產系統(tǒng)，位于A 平臺附近，其水下控制系統(tǒng)控制站(下稱：MCS 系統(tǒng))和數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)(下稱：PMS 系統(tǒng))部署在A 平臺[2]。B平臺上新建油氣接收處理系統(tǒng)，用于接收來自A 平臺附件水下生產系統(tǒng)生產出來的凝析油和天然氣，B 平臺上新增一套工業(yè)控制系統(tǒng)。C 終端位于陸地，用于接收B 平臺處理合格的凝析油，同時也是A 平臺和B平臺的遠程控制中心。

1.2.2 網絡覆蓋情況

本案例中，衛(wèi)星網絡覆蓋A 平臺、B 平臺和C 終端。基于微波、散射通訊技術，以C 終端為交互點，覆蓋有一體化的辦公網絡。網絡覆蓋情況詳見圖1。

圖1 A 平臺、B 平臺和C 終端的網絡覆蓋情況

1.2.3 系統(tǒng)功能及控制要求

考慮到水下生產系統(tǒng)存在的流動性保障問題[3]，從技術上要求，MCS 系統(tǒng)的操作站和PMS 系統(tǒng)的操作站需一同進行部署,并在三地實現(xiàn)操控。

2 傳統(tǒng)基于衛(wèi)星網絡的三地控制網絡拓撲

2.1 拓撲結構

在南海固定式海上平臺的通用網絡拓撲結構中，一般只考慮單個平臺的控制和該平臺在終端的遠程控制模式[4]。而且，在淺水的固定式平臺上，油氣生產處理工藝較為簡單，無需部署PMS 系統(tǒng)，僅僅只需要考慮工業(yè)控制系統(tǒng)的網絡傳輸即可。但是，在本案例中，MCS 系統(tǒng)的操作站和PMS 系統(tǒng)的操作站需一同進行部署。因此最初的通訊設計方案是，將MCS 系統(tǒng)和PMS 系統(tǒng)一同部署在衛(wèi)星網絡中。網絡拓撲結構見圖2。給PMS 系統(tǒng)使用。

氫氣在標準狀態(tài)下密度為0.089 9 g/L，是相對分子質量最小的物質，主要用作還原劑。三氧化鉬熔點為795 ℃，沸點為1 155 ℃，在800～1 000 ℃蒸氣中主要以聚合分子(MoO3)3的形式存在，溫度高于600 ℃顯著升華，與氣態(tài)水結合生成MoO3 (H2O)3[1]，適當增加一段還原氫氣中的氣態(tài)水含量，能有效促進三氧化鉬揮發(fā)[2]。

圖2 傳統(tǒng)基于衛(wèi)星網絡的三地控制網絡拓撲

最后，基于衛(wèi)星網絡，在B 平臺和C 終端部署PMS 遠程站，即可通過遠程桌面的訪問方式，訪問PMS 系統(tǒng)服務器，獲得遠程控制權，實現(xiàn)在B 平臺和C 終端控制PMS 系統(tǒng)，使用其功能，實現(xiàn)PMS 三地控制。

2.3 存在的問題

2.3.1 衛(wèi)星帶寬需求大

MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)均部署在衛(wèi)星網絡內，雖然通訊穩(wěn)定性可以達到最高，但是兩個系統(tǒng)對衛(wèi)星帶寬的需求較大。經評估，兩個系統(tǒng)的帶寬需求超過4兆。

2.3.2 使用MCS 系統(tǒng)作為數(shù)據中轉站

MCS 系統(tǒng)作為工業(yè)控制系統(tǒng)，本身數(shù)據服務能力較弱。當PMS 系統(tǒng)從MCS 請求大量數(shù)據時，容易導致MCS 系統(tǒng)出現(xiàn)異常卡滯或宕機的情況，不利于水下生產系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3 基于多重網絡應用的三地控制網絡拓撲

2.2 數(shù)據流向

2.2.1 MCS 系統(tǒng)

對于MCS 系統(tǒng)而言，基于衛(wèi)星網絡，在B 平臺和C 終端部署MCS 遠程站，即可通過遠程桌面的訪問方式，訪問MCS 系統(tǒng)服務器，獲得遠程控制權和數(shù)據流，實現(xiàn)在B 平臺和C 終端控制水下控制系統(tǒng)，實現(xiàn)MCS 三地控制。

2.2.2 PMS 系統(tǒng)

對于PMS 系統(tǒng)而言，它是一個分析的系統(tǒng)，它需要獲得以下3 部分數(shù)據：

(1) MCS 系統(tǒng)的全部數(shù)據：通過TCP/IP 協(xié)議，將MCS 系統(tǒng)的數(shù)據全部傳輸給PMS 系統(tǒng)使用。

(2) A 平臺部分生產數(shù)據：通過RS485 協(xié)議將少量數(shù)據傳輸給MCS 系統(tǒng)，再由MCS 系統(tǒng)傳輸給PMS系統(tǒng)使用。

(3) B 平臺接收端的生產數(shù)據：通過衛(wèi)星網絡，從B 平臺新增的中控系統(tǒng)，使用OPC 協(xié)議將部分需要的生產數(shù)據回傳到MCS 系統(tǒng)，再由MCS 系統(tǒng)傳輸

3.1 操作需求與安全性分析

3.1.1 MCS 系統(tǒng)

MCS 系統(tǒng)主要功能是負責控制水下生產系統(tǒng)中的設備，屬于工業(yè)控制系統(tǒng)范疇。在操作上，要求有高可靠性、高穩(wěn)定性、安全性。無論是正常工況，還是臺風遙控工況[4]，部署遠程控制網絡，都應該優(yōu)先選用衛(wèi)星網絡進行系統(tǒng)部署，以確保油氣生產可以安全穩(wěn)定地進行。

3.1.2 PMS 系統(tǒng)

PMS 系統(tǒng)是基于數(shù)字孿生技術的虛擬仿真系統(tǒng)，不屬于工業(yè)控制的范疇。在使用PMS 的在線預警功能時，需要保證PMS 系統(tǒng)的正常運行和使用。但同時考慮到，水合物的形成是一個漸變的過程，而且實際的生產數(shù)據在MCS 系統(tǒng)上也有顯示。故在采用遠程登錄的方式使用PMS 系統(tǒng)時，因短時間的通訊中斷造成的系統(tǒng)異常，是可以接受的。

在使用PMS 系統(tǒng)計劃預測功能時，需要截取一段時間的生產數(shù)據作為數(shù)據輸入，然后由系統(tǒng)進行自動運算和推演，此過程由本地服務器完成，故短時間的通訊中斷造成的系統(tǒng)異常，也是可以接受的。另外，在正常工況下，雖然可以實現(xiàn)遠程操作，但是實際上A平臺上也是有操作人員的，該部分人員可以作為最后的操作保障。

在臺風遙控模式下，水下生產系統(tǒng)需要盡量維持穩(wěn)定，當水下生產系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，MCS 系統(tǒng)直接執(zhí)行關停保護，防止問題擴大。所以在該工況下，PMS 系統(tǒng)的實時監(jiān)測和計劃預測功能意義不大，故對PMS 系統(tǒng)功能不做要求。

3.2 MCS 系統(tǒng)的三地部署方案

在衛(wèi)星網絡鏈路中部署MCS 系統(tǒng)，部署的過程中，所有交換機、路由器，均采用直連的模式，禁止路由轉發(fā)功能，固定端口帶寬，提高拓撲可靠性。拓撲結構見圖3。

圖3 MCS 系統(tǒng)基于衛(wèi)星網絡進行三地部署的拓撲結構

3.3 PMS 系統(tǒng)的三地部署方案

基于微波、散射通訊鏈路，將PMS 系統(tǒng)部署在辦公網絡內。來自A 平臺原中控系統(tǒng)服務器的數(shù)據、MCS系統(tǒng)服務器數(shù)據和B 平臺新建中控系統(tǒng)服務器數(shù)據，經過單向的光閘，進行硬件隔離后，由A 平臺的數(shù)據中心中集中采集儲存。PMS 系統(tǒng)通過辦公網絡，從數(shù)據中心讀取用于分析的數(shù)據，并通過辦公網絡，與B 平臺的PMS 系統(tǒng)遠程操作站、C 終端的PMS 系統(tǒng)遠程操作站相連接。詳細的拓撲結構見圖4。

圖4 PMS 系統(tǒng)基于辦公網絡進行三地部署的拓撲結構

3.4 多重網絡綜合應用的優(yōu)勢

3.4.1 減少衛(wèi)星帶寬占用，辦公網絡資源利用率提高

將PMS 系統(tǒng)部署在辦公網絡內，可以減少對衛(wèi)星帶寬的占用。同時，可以利用辦公網絡40M～100M 的大網絡帶寬進行大數(shù)據量的傳輸，釋放PMS 系統(tǒng)的性能。

3.4.2 MCS 系統(tǒng)不再作為數(shù)據中轉站，系統(tǒng)穩(wěn)定性高

通過利用原來A 平臺上部署在辦公網絡內的數(shù)據中心，作為數(shù)據中轉站，可以實現(xiàn)數(shù)據的高效采集。A 平臺原中控系統(tǒng)服務器、MCS 系統(tǒng)服務器和B 平臺新建中控系統(tǒng)服務器只需要定時向光閘發(fā)送約定的數(shù)據即可。這是計劃性的事件，有利于服務器的穩(wěn)定運行。

3.4.3 MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)實現(xiàn)硬件隔離，穩(wěn)定性高

通過增加單向光閘，MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)實現(xiàn)硬件隔離。屬于工業(yè)控制范疇的MCS 系統(tǒng)得到了安全保護，自身安全性沒有降低，解決了MCS 系統(tǒng)的額外授權問題。另外，在MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)之間，增加了數(shù)據中心服務器作為中轉，實現(xiàn)了數(shù)據的有效調度，確保了多個系統(tǒng)互聯(lián)之間的穩(wěn)定性。

3.4.4 用最經濟最靈活的方式實現(xiàn)了三地控制

最大限度利用A 平臺原有網絡硬件資源，將單向光閘、數(shù)據中心的作用發(fā)揮出來，實現(xiàn)新系統(tǒng)的接入。以數(shù)據中心作為數(shù)據中轉站，極大地提升了數(shù)據再利用的靈活性。將PMS 系統(tǒng)通過辦公網絡部署，長遠考慮了占用衛(wèi)星通訊資源帶來的租賃費用，有效降低了后期的運維費用。

4 結論

本文主要圍繞南海A 平臺、B 平臺和C 終端三地的網絡拓撲的設計案例進行研究，分析基于衛(wèi)星網絡、微波網絡和散射網絡進行系統(tǒng)部署的優(yōu)劣，最終得出將MCS 控制系統(tǒng)部署在衛(wèi)星網絡、PMS 系統(tǒng)部署在辦公網絡的最優(yōu)方案。該方案實現(xiàn)在A 平臺、B平臺和C 終端三地多系統(tǒng)的控制，為后期水下油氣生產系統(tǒng)控制站就地部署，接收站建設在遠端的這種開發(fā)方案提供了成熟可靠的控制解決方案，在保障生產安全平穩(wěn)運行的同時，整合資源能力，突破空間屏障，提升了系統(tǒng)間的智能化水平。