FCS技術在海洋工程設備監控上的應用

李 杰，薛 旻，陳亞杰，劉 赟

（711研究所，上海 201108）

0 引 言

進入 21世紀以來，隨著油氣開發投資規模的不斷擴大，我國的海洋工程產業得以大力發展，海洋工程裝備市場前景越來越廣闊[1]。通過引進、消化、吸收國外先進技術（如美國的Honeywell、Rockwell、日本的Yokogawa、歐洲的Siemens、ABB公司等），現代海洋工程裝備監控技術在性能和技術水平上都有了很大提高[2]，實現了系統產品在海洋平臺上的應用，系統集成技術已逐漸接近國際先進水平，部分國產監控系統也正在研發和推向市場。海洋工程裝備監控系統正朝著數字化、智能化、模塊化、網絡化、集成化的方向迅速發展，FCS技術是海洋工程裝備監控系統最有應用前景的技術之一。它傳輸速率高、抗干擾能力強、結構靈活、可靠性好。對海洋工程裝備領域的應用和發展將起著十分重要的作用。

1 FCS技術的優勢

當工業以太網技術得到廣泛應用后，對現場設備的控制提出了更高的要求，現場與外界信息溝通的范圍不斷擴大，這就需要把大量的現場信息送到外界，又需要遠程對現場進行診斷、維護和服務，實現從現場控制到監控、管理、決策等各層次的信息交換和集成。海上油氣生產是在海洋平臺或其他海上生產設施上進行，生產設施要經受各種惡劣氣候和風浪的襲擊，采出的油氣易燃易爆因而發生事故的可能性很大，平臺空間有限要求設備尺寸小且自動化程度高，特別是邊際油田通常采用無人值守井口平臺的模式。因此，對海洋工程監控系統的可靠性提出了極為嚴格的要求。FCS技術在這方面體現出了明顯的優勢。

1.1 高度的系統集成主動權

遵循公開統一的技術標準，可實現設備互操作性和互換性[3]。把遵守相同標準的不同廠家、不同品牌、功能相同的產品集成在同一個系統內，構成FCS，并可在同功能的產品之間進行相互替換，使用戶具有自控設備選擇、集成的主動權。

1.2 可靠的數字通信

現場設備具有數字通信功能。利用數字信號代替模擬信號，免去了D/A（數模轉換）與A/D（模數轉換）變換，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%，其傳輸抗干擾性強，測量精度高，大大提高了系統性能。

1.3 智能化與可維護性

FCS采用全數字化技術，數字智能現場裝置發送多變量信息[4]，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用雙向數字通信現場總線信號制，可以對現場裝置（包括變送器、執行機構等）進行遠程診斷、維護和組態。

1.4 高度分散性

現場設備智能化，實現徹底的分散控制，簡化了系統結構，提高了可靠性。海洋平臺空間相對狹小，FCS由于信息處理現場化，省去相當數量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件及I/O柜，同時也節省了大量電纜、I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。

1.5 適應性

大部分現場總線結構是線狀的，且采用兩線制實現供電和通信，易解決網絡供電、本安防爆等問題，具有較強抗干擾能力[5]。系統功能擴充、結構改型方便。

FCS技術改變了傳統的DCS（分布式控制系統）模式，開拓了總線控制的新時代。對于大型的、設備繁多的或者自動化要求高的系統，則更能體現出總線控制的優越性。

2 FCS技術的應用特點

以國外先進的FCS集成商Rockwell公司和Emerson公司的FCS架構為例，簡要說明該技術的應用特點。

2.1 Rockwell公司的FCS架構

圖1 Rockwell公司的FCS架構

圖1 為典型的FCS架構之一，其分為3個層次：基于Ethernet/IP協議的信息網、基于ControlNet協議的主干網和基于DeviceNet協議的設備網。

2.1.1 設備網

設備網包含現場I/O Module模塊、傳感器以及自動閥等執行機構，主要完成現場數據的采集、數字化及數據分析，并向同級的設備或上一級網絡提供數據，以及接收上一級的指令或者根據現場設備的數據驅動外圍的執行機構等。該設備網可以采用多種現場總線如DeviceNet 等，主要實現現場的數據信息傳輸功能。

2.1.2 主干網

主干網包含I/O Station、遠程I/O Station等，主要完成現場的數據監控、擴展網絡、提供與信息網和設備網的通信接口，并完成相應的通信以及驅動部分外圍的執行機構等功能，在這個層次上可以采用與設備網相同的總線協議。

2.1.3 信息網

信息網包含工控機、打印輸出及記錄設備、儀表顯示單元等。該網是FCS的核心部分。海洋工程裝備網絡監控系統運行在信息網中的管理微機上，其監測軟件可以實現對各現場信號進行集中的監測報警，對事件進行程序設定的自動處理并向外報告。信息網為高速以太網。監控系統的軟件采用網絡化設計，它建立在Ethernet/IP協議的基礎之上，具有良好的互聯性。FCS不但具有一般監控軟件的基本功能，如參數集中顯示、越限報警、參數/報警打印等，還具有聯網所帶來的特殊功能，包括任意監測裝備故障時的自動化切換、網絡故障監測、任意監測主機之間資源共享等。

2.2 Emerson公司FCS架構

圖2 Emerson公司的FCS架構

圖2 為Emerson公司典型的FCS架構，分為：基于Ethernet協議的信息網、基于Foundation Fieldbus、Profibus協議的設備網。

2.2.1 設備網

設備網包含：現場Remote-IO模塊、HART傳感器、無線傳感器等設備，可以采用多種現場總線如Foundation Fieldbus、Profibus等，主要實現現場的數據信息傳輸功能。

2.2.2 信息網

信息網的核心是Delta V軟件，主要完成系統管理、與外圍其他網絡聯網通信、主機參數綜合顯示、人機交互等功能。信息網為冗余高速以太網。

2.3 兩個系統的主要特點

海洋工程中需要監控的設備和調節的儀表控制回路較多，應用FCS技術的效果明顯。特別是FPSO（浮式生產儲油輪）和油田群的中心平臺，通常需要對鄰近的井口平臺群以及周邊的海上設施進行監控，因而需要監控的設備很多，情況也較為復雜。通過采用FCS技術，將重要的調節回路放到現場控制，只將部分信號送到過程控制系統供中央控制室監控，不僅能使設計、繪圖的工作簡化，布線及調試時間也大大縮短，在油田投產后，還會帶來一系列長遠利益，如方便檢修與維護，提高資產效率，降低運行成本等。在海洋工程設備監控方面應用FCS技術有下列主要特點：

1) 系統網絡化、設備標準化、系統組態靈活、可擴展性強、適用范圍廣；

2) 采用透明機制，從下層現場控制網絡通過網關連接到上層高速信息網絡，增強了實時性；

3) 統一的通信接口，降低了成本，減少了工作量，增加了網絡可靠性；

4) 網絡傳輸速率快，可達100Mbit/s。

5) 節點數量大；

6) 能夠提供更豐富的現場信息，更深入地掌握現場生產過程情況、設備儀表信息。

3 FCS技術在海洋工程上的典型應用

以某海洋平臺為例，介紹FCS技術在海洋工程上的典型應用。

圖3 為應用FCS技術的大型綜合平臺，該平臺系統分為設備層、控制層、監控層和生產管理層。

3.1 設備層

設備層包括儀表、執行機構、驅動器等，采用DEVICENET等現場總線，同時包括CANBUS和HART等總線設備和無線傳感器。信號檢測、智能設備診斷在這里實現。

3.2 控制層

控制層實現I/O過程控制，采用第三方PLC（可編程邏輯控制器）控制器，形成PCS（過程控制系統）、ESD（應急關斷系統）和F&G（火氣探測系統）。其中ESD系統由安全控制系統組成；另外還采用自有設備形成公用系統的部分監控，分別以監控分站、電能管理系統、串口服務器等設備實現公用部分的監控。

3.3 監控層

監控層實現對系統的監控，操作員能與系統進行人機對話，完成常規控制。除采用自有的監控軟件及延伸報警等設備外，也采用第三方的軟件和設備，如過程自動化應用服務器、工程師站、操作員站等設備。

3.4 生產管理層

生產管理層提供生產管理與性能監視功能。支持的管理功能有：資產管理、性能分析、報表及優化。

由于采用了FCS技術，使得控制系統電纜、橋架、本安安全柵與端子柜、I/O模塊等的使用量大大減少。如果應用普通的控制系統，中心平臺與井口平臺之間會有大量電纜穿越，而采用FCS技術，僅有幾根電纜穿越，節省了大量的電纜費用。同時，由于該技術回路測試簡易、方便，縮短了整個項目的調試時間，使得該平臺能夠提前投產，直接帶來了經濟效益。

4 結 語

目前，海洋工程裝備監控系統正向數字化、網絡化及全分散的方向發展，隨著FCS技術的不斷完善, 其應用范圍將逐漸擴大。作為最終用戶，希望選用順應技術發展潮流、運行成本低、可靠性高、管理維護容易、結構簡單、易擴充和具有高度系統集成主動權的控制系統。而FCS技術正好符合技術的發展，滿足用戶的需求，將在海洋工程裝備領域得到更加廣泛的應用。

[1] 張廣欽. 關于進軍海工裝備市場的思考與對策[J]. 上海造船，2011, (1): 55-61.

[2] 張樹軍. 海洋工程裝備——船舶工業未來發展之路[J]. 中國水運，2009, (9).

[3] 石長印. 論PLC、DCS、FCS 3大控制系統的特點和差異[J]. 中國修船，2007, (10).

[4] 王學超. 過程控制領域內應用現場總線若干問題探討[J]. 石油化工自動化，2003, (6).

[5] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社，1999.