國產中控系統在海洋石油工程中的應用趨勢

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國產中控系統在海洋石油工程中的應用趨勢

0引言

隨著海工裝備作為戰略性新興產業被納入國家“十二五”規劃,以及海洋油氣成為國家能源戰略的重要部分,可以預見我國海洋石油工程產業在未來十年將迎來蓬勃發展期。中控系統作為海上油氣田開發工程中的關鍵環節，是海上油氣田各種開發設施的大腦和安全衛士。中控系統不僅檢測和控制海上油氣田各項生產、公用設備的正常運行，還對各種意外事故進行實時監測。一旦出現危險狀況，系統將在第一時間進行報警并經過系統邏輯自動進行控制處理，以便將不安全的因素控制在最小的范圍內，從而保障海上油氣田的生產安全，確保人員、設施的安全。只有中控系統發揮良好，才能保障海上油氣田得以順利地開發。

1中控系統的構成

海洋石油工程的中控系統包括集散控制系統(distributed control system,DCS)和安全儀表系統(safety instrument system,SIS)兩大部分，其中SIS又包括緊急關斷系統(emergency shutdown system,ESD)和火氣系統(fire alarm and gas detctor system,FGS)。DCS和SIS兩大系統是獨立的，互不依賴，但共享操作員站、打印機和通信設備。中控系統如圖1所示。

圖1　中控系統示意圖

1.1集散控制系統(DCS)

集散控制系統又叫分布式控制系統，是一種集計算機技術、通信技術以及控制技術于一體，實現對工業生產過程集中監視、操作、管理的計算機控制系統[1]。DCS主要由工程師站、操作員站、打印機、DCS主控制器、從控制器以及現場表組成,如圖2所示。操作員站主要實現人機界面的功能。DCS控制站是集散控制系統的核心，系統主要控制功能由它來實現。

圖2　DCS結構圖

1.2安全儀表系統(SIS)

海洋石油工程中的SIS由FGS和ESD兩部分組成[2]。SIS一般處于靜態運行的狀態，只有在確定存在危險狀況的條件下，才會采取ESD緊急關斷，使人員和設備處于安全狀態。

1.2.1火氣系統(FGS)

FGS能夠準確及時地探測到可能發生或己經發生的火情或者可燃氣及有毒氣體的泄漏,以及時采取必要的安全措施(如報警、應急關斷、消防等)來保護人員及生產設備的安全?；饸庀到y接受現場探測儀表的信號并判斷,一旦確認發生危險或者逾時未確認,會立即發出火氣報警信號,同時啟動相應的ESD關斷[3]。

1.2.2應急關斷系統(ESD)

海洋石油工程中，相對集中的平臺工作人員和生產設備處于易燃易爆的危險環境中,因此對系統安全控制要求特別高。為了保護平臺人員和設施的安全,防止海洋污染,必須減少事故并將可能的事故損失降到最低。海上油氣田通常都設置專門的ESD。一旦發生危險事故,ESD將自動執行相應的應急關斷邏輯,避免事故的擴大化或災難性事故的發生,以保障海上油氣田人員和生產設備的安全，減少損失。

2海洋石油工程中控系統設計標準

1975年美國Honeywell公司推出TDC-2000控制系統。經過幾十年的發展，控制技術日趨成熟，并且形成了標準體系。中控系統的設計和開發需要遵循國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)和國際電信聯盟(ITU)制定的相關標準，以及國際標準化組織確認并公布的其他國際組織制定的相關標準[4]。其中，海洋石油工程中對中控系統的標準要求可以歸納為以下三個層次。

第一層次，有關海洋石油工程中控系統安全重要儀表和控制系統在設計、建造和運行各階段如何滿足中控系統設計安全要求的標準，其作為中控系統的頂層標準，具體有以下主要標準。

(1) IEC 61508。該標準基于安全相關系統的可靠性，是安全相關系統功能安全的基礎標準。其不僅要求設備的完整性，同時針對設計、操作、測試和維護都有要求。

(2) ISA S84.01 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries，流程工業安全儀表系統的應用。該標準也是有關安全儀表系統的規范，沿用了IEC 61508標準，并保留了DIN V 19250標準，另外與IEC 61508標準在組織和技術方面都存在差異。我國石油天然氣行業標準SY/T 10045-2003《工業生產過程中安全儀表系統的應用》等同采用了ISA S84.01-1996。

(3) IEC 61511 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process industry Sector,功能安全——流程工業的安全儀表系統。該標準是IEC 61508標準在流程工業領域的應用，給出了安全儀表系統的規范、設計、安裝、運行和維護要求。

(4) IEEE 802系列標準，美國電氣和電子工程師學會局域網標準委員會制定的有關局域網使用標準。IEEE 802規范定義了網卡如何訪問傳輸介質(如光纜、雙絞線、無線等)以及如何在傳輸介質上傳輸數據的方法，定義了傳輸信息的網絡設備之間連接建立、維護和拆除的途徑。遵循IEEE 802標準的產品包括網卡、橋接器、路由器以及其他一些用來建立局域網絡的組件。

第二層次，有關海洋石油工程中控系統在安全重要儀表和控制系統設計等方面的標準，是頂層標準中安全要求的細化，具體有以下主要標準。

(1) API RP 14C Analysis，Design，Installation and Testing of Basic Surface Safety Systems for Offshore Production Platforms，海上平臺上部設施安全系統分析、設計、安裝和測試。該標準是關于平臺上部設施安全系統的分析、設計、安裝和測試的一個推薦性規范。該規范提出的安全分析概念和推薦做法是現在海上平臺上部設施安全系統分析設計的基礎。石油天然氣行業標準SY/T-2000等同采用了API RP 14C-1994。

(2)ISA-S5.1，儀表符號和標志。該標準的目的是為檢測和控制所用的儀表和儀表系統建立一個統一的命名方法。為此，提出一個包括符號和標志代號的命名系統。

(3)IEC 61131.3，編程語言。該標準是 IEC 61131第三部分，是關于編程語言的設計標準。

(4)ISO 7398 Open System Interconnection a Model，開放系統互聯模型。該標準是有關異構計算機系統之間互聯的標準，它將互聯模式定義為七個規程層次。各國際組織IEC、EIA、IEEE和CCITT等在七層網絡基礎上皆相應制定出相關標準。

第三層次：有關設備鑒定、安裝和維修規程的標準，例如以下部分標準。

(1) NFPA 72 Installation, Maintenance, and Use of Protective Signaling System，保護信號系統的安裝、維護和使用。該標準是有關安全信號系統及報警方面的規范。

(2)API RP 554。該標準覆蓋了被選擇設備的性能要求和注意事項，規范和安裝，以及過程儀表和控制系統的測試；此外，該標準也覆蓋石油行業的控制中心。這個標準并不作為一種購買的規則，但為最低要求提出了建議，也為最低的設計和規范提供了一個指導。

3國產中控系統

目前，國內比較有代表性的中控系統廠家有：和利時、上海新華、浙江中控、國電智深等。通過調研；數據分析，目前新一代國產中控系統與進口產品比較，綜合性能相差無幾。各類全封閉設計模件具有免維護性能，總的I/O點數應用也達到國外水平，軟件可以在WINDOWS環境下運行，組態軟件全中文環境，易于理解和掌握，修改方便，中控界面友好，應用功能基本包括了海洋石油工程的全部需求。下面以和利時和浙江中控為代表介紹國產中控系統，根據中控系統的設計標準和海洋石油工程對中控系統的特殊要求，分析國產中控應用到海洋石油工程中的可行性[5-10]。

3.1和利時中控系統

3.1.1技術革新與應用

和利時新一代的中控系統采用了目前世界上先進的現場總線技術，支持多種主流總線，智能化儀表可以方便地和系統相連，可在智能現場儀表設備、控制系統、企業資源管理系統之間進行無縫信息流傳送，能方便地實現工廠智能化、管控一體化。公司核心中控系統產品已成功應用在百萬千瓦超超臨界大型火電站、千萬噸煉油裝置、百萬千瓦核電站等重大工程中，PLC與驅動產品相繼獲得CE、UL認證。

3.1.2系統設計標準

和利時中控系統的設計完全遵循國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)和國際電信聯盟(ITU)制定的標準，以及國際標準化組織確認并公布的其他國際組織制定的標準國際組織規定的規范和標準。對于海洋石油工程的特殊要求，和利時的技術部門也制定了相應的解決方案，目前已基本滿足海洋石油工程對中控系統設計要求的標準。無論是在技術方面，還是標準方面，和利時中控系統都滿足海洋石油工程的要求，應用到海洋石油工程是可行的。

3.2浙江中控系統

3.2.1自主創新與應用

浙江中控新一代產品廣泛應用于化工、煉油、石化、冶金、電力等流程工業，以及智能交通、水處理及教育領域等公共事業部門；公司在6 300多家企業實施了9 400多個項目，在千萬噸級煉油等國家重大工程領域打破了國外壟斷。所以浙江中控有經驗、有能力承擔重大工程。

3.2.2系統設計標準

浙江中控根據中控系統所要求的標準和規范，制定了一套自己的企業標準，具有針對性，完全符合中控系統的設計要求規范和標準；此外，還領銜制定了(ethernet for plant automation,EPA)國際標準。該標準在工業領域得到廣泛應用。浙江中控通過完善企業標準，滿足對于海洋石油工程中的特殊要求。中控產品可以達到海洋石油工程的標準要求，有實力承擔海洋石油工程項目。

3.3國產中控系統技術參數

隨著國產中控系統的不斷發展壯大，性能參數也在不斷地提升。目前和利時和浙江中控的系統規模以及技術指標如表1所示。

4國產中控系統的優勢

在可靠性方面，國產中控系統經過這些年的穩健發展，不斷吸收國外先進技術，在性能、功能和質量等方面全已與國際水平接軌。近幾年國產中控以和利時與浙江中控產品為代表，成功投入重大項目運行后，系統的硬、軟件運行狀況良好，消除了國內很多企業的擔憂；而且根據資料顯示，各種事故并不多于進口中控系統。由此，國產中控產品已取得質的飛躍，具備與主流進口中控系統相當的競爭實力。

在響應方面，由于國外公司對于核心技術管理嚴格，中控系統核心部件出現問題時，往往需要到總部去調換，費時費力，響應緩慢。國內產品在這方面明顯優于國外。

在開放性方面，國產中控系統容易實現一體化。例如國電莊河電廠EDPF-NT成功實現主輔控在內的一體化中控系統，減少不同系統間的數據通信及交換，幾乎不存在與外系統兼容性問題，具有生產維護統一、方便等優點。

在價格方面，國產中控系統服務費用大大低于進口中控系統，總體維護費用也低于國外中控系統；而且國產中控品牌提升有利于打破進口中控系統對市場的壟斷局面，降低了投資成本。

5結束語

國內中控系統經過這些年的飛速發展，根據ARC最新發布的《分布式控制系統全球市場調研》顯示[11]，它們已經從中小型終端市場進入高端市場。雖然到目前為止，國產中控系統尚未應用到海洋石油工程，但其產品性能完全滿足海洋石油工程對中控系統的各項要求，而且國內廠家的服務態度和到位及時性都明顯高于國外廠家。因此，憑借國產中控的優勢和國家大力倡導的核心技術國產化，國產中控系統應用到海洋石油工程中是必然趨勢。

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Application Trend of Domestic Central Control Systems in Offshore Oil Engineering

許建軍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452)

摘要：海洋石油工程的中央控制系統具有高可靠、高穩定性等技術要求，國外的中控系統始終作為主流產品壟斷我國海洋石油工程。為了改變這一現狀，提出了中控系統的國產化要求。根據海洋石油工程對中控系統的特殊要求，對國產和利時和浙江中控的中控系統進行了調研，從國際標準和系統性能參數等方面分析了國產中控系統能否滿足海洋石油工程的要求，并與國外產品進行了對比。對比結果說明，國產中控系統在海洋石油工程中的應用已具備可行性。

關鍵詞：海洋石油設計標準國產化性能分析DCS安全儀表系統(SIS)緊急關斷系統(ESD)火氣系統(FGS)

Abstract：The offshore oil engineering has technical requirements of the high reliability, stability, etc., the central control systems of offshore oil engineering in our country are always monopolized by foreign mainstream products. In order to change this situation, localization of the central control systems is put forward. According to the special requirements of the central control system of offshore oil engineering, the central control systems of HollySys and Zhejiang SUPCON are investigated. Whether home-made central control systems can meet the technical requirements of offshore oil engineering or not is analysed based on the aspects of international standards, systematic performance parameters and so on. Comparing the home-made systems and foreign products, it is concluded that the feasibility of applying domestic central control systems in offshore oil engineering has been possessed.

Keywords:Offshore oilDesign standardDomesticPerformance analysisDistributed control system(DCS)Safety instrument system(SIS)Emergency shutdown system(ESD)Fire alarm and gas detector system(FGS)

中圖分類號：TH7;TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604002

修改稿收到日期：2015-05-06。

作者許建軍(1971-)，男，1994年畢業于西安石油學院電子儀器與測量技術專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事數字油田方向的研究。