借助冗余技術(shù)提高埕島油田測(cè)控系統(tǒng)可靠性

張 輝 中國(guó)石化勝利油田分公司海洋采油廠

借助冗余技術(shù)提高埕島油田測(cè)控系統(tǒng)可靠性

張 輝 中國(guó)石化勝利油田分公司海洋采油廠

冗余系統(tǒng)是指為增加測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，采用兩套或兩套以上相同、相對(duì)獨(dú)立的配置設(shè)計(jì)而連接組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過提供關(guān)鍵組件冗余的方法，組成具備容錯(cuò)能力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件主動(dòng)接入并自動(dòng)承擔(dān)故障部件的工作，以此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間。海上自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)使用的冗余系統(tǒng)包括電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、服務(wù)器操作站冗余、CPU冗余和I/O模塊冗余等。冗余方案采用雙UPS供電，正常情況下這2個(gè)電源均衡負(fù)載，同時(shí)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力，當(dāng)1臺(tái)電源發(fā)生故障時(shí)，另1臺(tái)電源可承擔(dān)所有負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了AC、DC雙冗余。測(cè)控系統(tǒng)中PCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)均采用雙CPU配置，通過遠(yuǎn)程模板經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接，兩者信息共享、互相診斷，一旦主CPU發(fā)生故障，從CPU將自動(dòng)接管，保證系統(tǒng)可靠性。

埕島油田；冗余技術(shù)；測(cè)控系統(tǒng)；配置

埕島油田分布在渤海灣南邊極淺海的部分海域。正式開發(fā)埕島油田是從1993年開始，至今已有了20多年的歷史，埕島油田自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)始建于1997年，2000年正式投產(chǎn)，經(jīng)過不斷擴(kuò)充，現(xiàn)已建成了包括1座陸地監(jiān)控中心、3座中心平臺(tái)站和70余座衛(wèi)星平臺(tái)站的大型灘海油田SCADA系統(tǒng)。埕島油田測(cè)控系統(tǒng)分為過程控制系統(tǒng)（PCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS）。PCS系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)油氣水集輸處理實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程參數(shù)測(cè)量、高低限報(bào)警、液位壓力參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)；SIS系統(tǒng)完成安全參數(shù)的監(jiān)控及極限報(bào)警的關(guān)斷。海上生產(chǎn)受天氣和環(huán)境的影響巨大，在惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)作為操作員“手”和“眼”的延伸，成為生產(chǎn)和安全唯一可以依賴的手段[1]。因此，開展對(duì)埕島油田海上平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)選型研究，對(duì)提高埕島油田無(wú)人值守平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 測(cè)控系統(tǒng)分析

1.1 數(shù)據(jù)采集和控制準(zhǔn)確性

安全控制系統(tǒng)主要采集和控制安全生產(chǎn)的參數(shù)（如管線壓力、容器液面，容器壓力等），對(duì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、判斷，通過與預(yù)設(shè)的極限值比對(duì)并按照相應(yīng)的連鎖邏輯關(guān)系進(jìn)行ESD關(guān)斷控制輸出，因此，對(duì)數(shù)據(jù)采集和控制的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性提出較高的要求，不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集以及錯(cuò)誤的邏輯輸出都將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

1.2PLC系統(tǒng)失效或故障

埕島海上平臺(tái)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)選用通用邏輯控制系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)），該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的油水井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、機(jī)泵的啟停控制、參數(shù)超限報(bào)警、液位壓力調(diào)節(jié)、緊急關(guān)斷、火災(zāi)和可燃?xì)怏w報(bào)警等功能，系統(tǒng)需處理的數(shù)據(jù)量多、功能復(fù)雜，當(dāng)PLC系統(tǒng)失效或者故障時(shí)將導(dǎo)致平臺(tái)失去監(jiān)控而存在嚴(yán)重的安全隱患。

1.3 上位機(jī)軟件故障

上位監(jiān)控軟件為操作人員提供友好的人機(jī)接口；實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制；為服務(wù)器與PLC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，搭建PLC硬件與軟件的橋梁。上位機(jī)軟件出現(xiàn)故障也將導(dǎo)致平臺(tái)失去監(jiān)控而存在嚴(yán)重的安全隱患。

1.4 設(shè)計(jì)冗余系統(tǒng)的必要性

冗余系統(tǒng)（Redundant System）是指為增加測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，采用兩套或兩套以上相同、相對(duì)獨(dú)立的配置設(shè)計(jì)而連接組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過提供關(guān)鍵組件冗余的方法，組成具備容錯(cuò)能力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件主動(dòng)接入并自動(dòng)承擔(dān)故障部件的工作，以此減少系統(tǒng)故障時(shí)間。冗余系統(tǒng)的使用會(huì)增加設(shè)計(jì)和施工的難度，增加用戶投資和后期運(yùn)行維護(hù)的成本，但是可以提高整個(gè)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間，縮短了平均修復(fù)時(shí)間。因此，采取冗余系統(tǒng)是提高測(cè)控系統(tǒng)可靠性的有效方法之一[2]。

2 冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 構(gòu)成及功能

海上自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)使用的冗余系統(tǒng)包括電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、服務(wù)器操作站冗余、CPU冗余和I/O模塊冗余等。

海上平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的冗余方案采用雙UPS供電，正常情況下這2個(gè)電源均衡負(fù)載，同時(shí)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力，當(dāng)1臺(tái)電源發(fā)生故障時(shí)，另1臺(tái)電源可承擔(dān)所有負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了AC、DC雙冗余。

測(cè)控系統(tǒng)中PCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)均采用雙CPU配置，通過遠(yuǎn)程模板經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接，兩者信息共享、互相診斷，一旦主CPU故障，從CPU將自動(dòng)接管，保證系統(tǒng)可靠性。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)采集速度，中心平臺(tái)的PCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊的方式，分別接入2臺(tái)交換機(jī)上。

服務(wù)器和操作站都采用雙網(wǎng)卡設(shè)計(jì)，每個(gè)網(wǎng)卡連接到不同的交換機(jī)中。兩個(gè)交換機(jī)之間通過跨接專用線纜連接，在主通道出現(xiàn)故障的情況下，自動(dòng)切換到其他通道實(shí)現(xiàn)通訊的不間斷。

SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制，采用了I/O模板的冗余設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入2塊相同輸入模板，控制輸出信號(hào)也由2塊模板同時(shí)控制輸出。

2.2 硬件選型和配置方案

（1）上位機(jī)監(jiān)控冗余系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由工程師站、操作站、冗余服務(wù)器、冗余交換機(jī)等設(shè)備組成。服務(wù)器軟件選擇Honeywell Experion PKS完成數(shù)據(jù)的集中管理、報(bào)警、參數(shù)控制、狀態(tài)顯示及報(bào)表打印等功能；通訊軟件選擇Rockwell公司的RSLinx Gateway通訊軟件。

（2）下位機(jī)PLC冗余系統(tǒng)。采用美國(guó)Rockwell公司Allen-Bradley ControlLogix 1756系列產(chǎn)品組成冗余控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有2個(gè)完全相同的1756-A7機(jī)架。每個(gè)機(jī)架中包含1塊1756-L61控制器，負(fù)責(zé)完成信號(hào)的采集和邏輯的控制等功能；1塊1756-RM冗余模板，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)兩機(jī)架中1756-L61控制器之間的冗余控制和數(shù)據(jù)同步；1塊1756-EN2T通訊模板，負(fù)責(zé)控制器和上位機(jī)服務(wù)器之間的通訊，采用以太網(wǎng)通訊；1塊1756-CN2R通訊模板，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通訊器和I/O模塊之間的通訊。2個(gè)機(jī)架間的冗余模板采用光纖連接。

（3）模擬量信號(hào)冗余輸入。模擬量輸入現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)需要同時(shí)輸入2塊輸入模板，需將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將2塊輸入模板并聯(lián)接入儀表檢測(cè)回路中。由于模擬量采用了雙通道數(shù)據(jù)采集方式，因此，在程序中需對(duì)采集到的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)處理，以判定采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。首先對(duì)每個(gè)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)要進(jìn)行有效性的確認(rèn)。這需要對(duì)檢測(cè)通道的故障、錯(cuò)誤等工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，一旦確認(rèn)某個(gè)通道的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，則將該通道檢測(cè)數(shù)據(jù)丟棄，并采用另一個(gè)狀態(tài)良好的通道檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)作為該監(jiān)控點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)確認(rèn)兩個(gè)通道的工作狀態(tài)均處于正常狀態(tài)，則可確認(rèn)兩個(gè)通道檢測(cè)數(shù)據(jù)均為有效。此時(shí)，就需要對(duì)兩個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行差值比較。若兩者之間差值小于設(shè)置的偏差界限時(shí)，可判斷兩個(gè)信號(hào)都是真實(shí)的，可任取其一作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)；若兩者之間差值大于設(shè)置的偏差界限時(shí)，有可能就是兩個(gè)檢測(cè)回路中的某一個(gè)回路出現(xiàn)了問題。此時(shí)，就需要與前次正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選取其中差值較小的一路信號(hào)數(shù)據(jù)作為本次的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)字量信號(hào)冗余輸入。直接將2塊數(shù)字量輸入模板并聯(lián)接入檢測(cè)回路中，與模擬量采集相同，數(shù)字量采集也是采用雙通道數(shù)據(jù)采集，因此在程序中也需對(duì)采集到的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，以判定采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。針對(duì)數(shù)字量，只需將兩組采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的“或”邏輯運(yùn)算，當(dāng)兩路獨(dú)立的模板輸入的信號(hào)一致為“0”時(shí)，可確定現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)真實(shí)、有效（注：安全控制系統(tǒng)采用的是反邏輯，即正常時(shí)邏輯輸入為“1”，故障或報(bào)警時(shí)邏輯輸入為“0”。）；同時(shí)，對(duì)兩組數(shù)字量輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)“異或”對(duì)比，一旦得到異或結(jié)果為“1”，則可判斷數(shù)字量雙重冗余輸入錯(cuò)誤。

（5）數(shù)字量輸出。數(shù)字量信號(hào)的雙重冗余輸出與雙重冗余輸入類似，直接將2塊數(shù)字量輸出模板并聯(lián)接入控制回路中，只要有一路輸出觸點(diǎn)接通即可控制相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

埕島油田海上平臺(tái)冗余技術(shù)的應(yīng)用，提高了海上自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，雖然在項(xiàng)目建設(shè)時(shí)增加了一定的投資和后期運(yùn)行成本，但在運(yùn)行的過程中減少了事故發(fā)生概率，增強(qiáng)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全性和可靠性，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)證明取得了極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黃少偉，謝騰騰．提高埕島油田無(wú)人值守平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)可靠性初探[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012，11（20）：64-67.

[2]管豐年．生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的可靠性措施[J]．石油化工自動(dòng)化，2005，24（3）：5-8.

[3]張泉城．埕島中心三號(hào)平臺(tái)自控系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2014，33（2）：69-70.

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.001