基于光纖通信的總線技術在海上平臺的應用

劉愛明，陳建玲，封 園，許曉英

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

海上平臺中央控制系統（CCS）是平臺的大腦，通常由過程控制系統（PCS）、應急關斷系統（ESD） 和火災可燃氣探測報警系統（FGS） 組成。CCS 是保障平臺安全生產運行的核心，其常規架構以集散式控制系統為基礎，現場接線量大、模塊功能單一、機柜數量多，耗費大量的施工、人力和材料成本。基于光纖通信的總線技術（O-FCS）的應用，提供了全新的解決方案，在保證系統可靠性的基礎上，可以降低整體投資、縮短工期、減少人力投入，便于后期操作和維護。

多功能集成模塊（MIM）替代了傳統的輸入輸出卡件，并可全部放置于現場防爆接線箱進行布線，僅將控制器機柜和操作站等監控設備布置于中控室內，現場儀表閥門的信號通過一對一接線形式接入現場接線箱的多功能集成模塊，MIM 與光纖轉換器通訊將現場儀表閥門的電信號轉換為光信號，再通過冗余的光纖將信號傳輸到控制器機柜進行統一監控操作。與傳統集散式控制系統相比，系統的接線工作量、機柜數量、卡件數量等明顯減少，在海上平臺控制系統的應用上有很大的前景。

1 控制系統現狀

目前，海上平臺普遍應用的控制系統為第三代以集散式控制系統（DCS）為基礎的控制系統，控制系統網絡架構示意圖如圖1所示，其架構通常為：設備層、控制層及信息層[1-2]。

圖1 控制系統網絡架構示意圖

1）設備層主要由先進的過程控制儀表（傳感器、執行器等）組成，是控制系統的最底層，海上平臺目前主要包括測量溫度、流量、壓力、液位4大參數的儀表以及閥門。

2）控制層主要由邏輯控制器組成，用于管理所有輸入/輸出系統、控制策略的執行及通訊網絡的維護，同時報警和事件的時間標簽由控制器執行，以確保精確的事件順序記錄。

3）信息層主要是將設備層采集的所有生產數據通過控制層進行處理后傳至控制管理網絡，用于對生產過程實施監控。

平臺控制系統的接線復雜、控制盤柜多、現場工作量大，耗費大量的施工、人力和材料成本。以常規海上井口平臺的控制系統為例，單個PCS系統控制柜的現場接線點位接近1 000 個，機柜數量10～15 個，接線的復雜程度和數量導致系統調試的工期長、工作量大。系統調試和改造維修時，工作人員需要花費大量的時間進行理線、校準和接線等工作，影響了工作效率，也容易發生接線錯誤或接線故障等問題。

針對DCS 接線復雜、維修改造工作困難等問題，國外控制系統廠家開發了自定義I/O 模塊的電子布線技術，單卡卡件對應單通道模式，卡件通道類型可以實現自定義類型，一定程度上解決了傳統控制系統面臨的困難[3-5]。

O-FCS 技術的應用，實現了卡件多通道集成、多功能集成，在電子布線技術的基礎上提供了全新的解決方案，在保證系統可靠性的基礎上，可以降低整體投資、縮短工期、減少人力投入，便于后期操作和維護。

2 基于光纖通信的總線技術

2.1 O-FCS的系統組成

圖2為基于O-FCS技術的控制系統架構，主要由現場儀表、MIM、光纜、控制器柜以及上位機等組成。MIM是O-FCS技術的關鍵部件，單通道配置，可支持現場任何類型的I/O信號，比如AI/AO/DI/DO/RTD等，MIM嵌入到通用的端子模塊及底板中，將I/O信號經過現場接線箱內的光電轉換，然后通過光信號傳至中控室控制柜的控制器實現監控。

圖2 基于O-FCS技術的控制系統架構

O-FCS 技術為基礎的控制系統通過光纖實現現場接線箱信號與控制室控制柜的通信，替換傳統的4～20 mA 模擬電信號或0～5 V 數字電信號的電纜接線方式[6]，減少了通信距離導致的信號衰減、信號干擾、信號丟失的問題，保障了通信傳遞過程的安全性，減少了故障點的數量[7-8]。

區別于常規的單一I/O 模塊，MIM 是一種靈活的集成型I/O 形式，是通過應用特性化模塊來實現的，它可以對通道的信號類型進行自定義；同時，MIM 的應用實現了端子排的集成，通過通道與獨立接線端子的組塊，可以實現靈活的系統配置，替代I/O 模塊+端子排的功能。MIM 支持在任意位置連接各種信號類型的現場接線，無需集線柜或交叉布線，節省電纜，減少工作量及潛在的故障點。

2.2 技術對比

傳統的布線方式通過線纜將現場設備的信號接至現場接線箱，然后從接線箱送到控制室機柜的端子排，然后通過柜間線連接至相應類型的卡件，從而完成現場信號的傳輸過程，如果出現后期設計變更或者布線錯誤，將會導致時間和人力成本的追加，嚴重時會導致整個項目進度的滯后。

基于O-FCS 技術的控制系統只需將現場設備信號接至現場防爆接線箱的MIM 模塊，再由光電轉換卡采用冗余的光纖連接至控制室控制器即可完成接線工作，減少了接線箱至控制室及柜間電纜及橋架的連接。如果出現設計變更或者布線錯誤，只需要將對應的MIM 卡上的點位類型進行重新編輯，節省人力和工期。

基于O-FCS 技術與DCS 控制系統的技術對比如表1所示。

表1 基于O-FCS技術與DCS控制系統的技術對比

通過表1 可以看出，O-FCS 技術將傳統16 個接線點縮減到4個，大量節省了由現場接線箱至控制系統的電纜；傳統卡件多設計為8、16、32 通道，O-FCS 技術使用MIM，無需考慮特定類型和特定順序，設置通道隔離，比傳統I/O 卡件的可靠性更高；O-FCS 技術可將原來的系統柜接線箱取消，只需布置1 套機柜布置控制器和服務器即可，為平臺節約空間；O-FCS 技術節省了傳統控制系統接線的人工時，提高了工作效率。

3 工程項目的應用情況

3.1 平臺原控制系統現狀

渤海某海域C 平臺投產穩定運行15 年，控制系統采用的是DeltaV 系統，平臺原系統存在多個問題及隱患。

1）該平臺經過多次調整改造，控制系統已無剩余點位，且系統較老不具備擴容條件，無法滿足新項目接入的點位需求。

2）控制系統控制器、I/O卡件等配件老化，系統的完整性、穩定性大大降低。系統控制器于2013 年停產，電源模塊于2009 年1 月停產，出現故障后無法買到與現有版本兼容的控制器。

3）DeltaV 軟件超過市場生命周期，無法與現有新技術、新產品兼容。C 平臺與該油田的B 平臺控制系統共用一套數據庫，B 平臺控制系統升級后，C 平臺控制系統將會無法進行組態及程序在線工作，直接加大了維護維修難度，系統一旦發生故障將無法及時修復，對平臺的安全平穩運行造成很大威脅。

為了能夠盡可能地減少停產時間，減少改造工作量，快速完成控制系統的升級改造，采用OFCS技術的控制系統替換平臺原控制系統。

3.2 具體方案實施

針對該平臺的改造工作，項目組提前進行了技術方案的調研與準備工作，主要包括確認平臺控制系統網絡現狀、控制系統I/O 點位、平臺安裝改造空間、施工改造流程順序、關斷邏輯、系統調試等。

完成施工方案前的技術準備工作后，陸續開展相關的施工方案的設計，主要包括以下內容。

1）陸上準備工作。該項目屬于生產平臺控制系統的改造，要求盡可能減少改造停產導致的產量損失，設備采購、設備集成、軟硬件模擬測試以及出廠測試工作盡可能在陸上準備工作中完成。

2）平臺上準備工作。與平臺技術人員共同確認現場施工的條件，制定冷工、熱工、信號旁通作業程序，新老控制系統的監控系統同時進行監控，設備間新增的控制器機柜、MIM 接線箱停產前安裝到位，現場施工條件確認后開始控制系統機柜空間清理以及光纖鋪設。根據新系統的耗電能量，需要新增24 VDC 電源，安裝相應容量的開關電源。

3）控制系統安裝調試。順序開展模擬仿真測試、新系統安裝通電測試、服務器連接測試以及現場驗收測試，測試完成后進行控制網絡連接、因果邏輯確認、接線核實，最后按照旁通計劃調整自動閥為手動狀態，順序接線。

4）聯合調試及驗收。針對控制的設備進行聯合調試，按照從重要到次要的順序，首先對關鍵大型設備進行調試，保證可以正常運行。驗收合格后，確保運行無誤，并對所有測試作好記錄，按照現場測試表檢測通過后，投入生產。

該項目停產前后共用10 天時間完成了所有的改造工作，最后停產時間僅24 h 就完成了改造工作。若按照傳統技術海上施工調試時間近1 個月，停產需要近一周時間。可見，采用O-FCS 技術最大化縮短了停產時間。

4 結束語

通過應用O-FCS 技術的控制系統，縮短了海上平臺的改造工期，減少了停產導致的原油產量損失。通過實際項目中的穩定運行，表明基于O-FCS技術的控制系統可以滿足海上平臺的實際需求。未來通過技術的發展以及安全等級的突破，在火災可燃氣系統和關斷系統中實現應用后，O-FCS技術將會進一步助力海上油田的安全和生產。