環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通訊技術(shù)在邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通訊技術(shù)在邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用

呂瑞升

1，何金平2（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司邊際油田開發(fā)項(xiàng)目組，天津 300457；2. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300457）

本文過介紹環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人駐守井口平臺(tái)與依托平臺(tái)之間的信號(hào)傳輸及控制，

環(huán)網(wǎng)交換機(jī) 光纖 VLAN技術(shù)

1 中心平臺(tái)中控系統(tǒng)介紹

中控系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷（ESD）系統(tǒng)和火氣探測(cè)（F&G）系統(tǒng)3套控制系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)集成手段設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理的目的。

過程控制系統(tǒng)（PCS）完成對(duì)平臺(tái)的生產(chǎn)和公用流程的溫，壓，流，液數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，并監(jiān)控泵的狀態(tài)以及重要閥門的狀態(tài)，在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)。

設(shè)置應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）的主要目的是為了保護(hù)平臺(tái)人員和設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，將事故的損失限制到最低。應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足故障安全型系統(tǒng)的要求，同時(shí)應(yīng)確保某一級(jí)別的關(guān)斷指令只能啟動(dòng)本級(jí)別和所有較低級(jí)別的關(guān)斷，而不能引起較高級(jí)別的關(guān)斷。

設(shè)置火氣探測(cè)系統(tǒng)（FGS））的主要目的是及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)到可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火情或可燃?xì)怏w泄漏，及時(shí)采取相應(yīng)的安全措施（如報(bào)警、關(guān)斷、消防等），以保護(hù)平臺(tái)人員和設(shè)備的安全。

2 無人駐守井口平臺(tái)控制系統(tǒng)介紹

鑒于無人駐守井口平臺(tái)的特殊性，并不需要在其上設(shè)置中控系統(tǒng)，該平臺(tái)上面的控制功能將通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于目前無人駐守井口平臺(tái)和依托平臺(tái)的開采方式采用“三一”模式，即一座平臺(tái)（無人駐守井口平臺(tái)），一條海管管線和一條海底電纜。無人駐守井口平臺(tái)需要的控制參數(shù)包括：

1) 過程控制系統(tǒng)（PCS）通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖引入中心平臺(tái)的中控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理；

2) 緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖引入中心平臺(tái)的中控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理；

3) 火氣探測(cè)系統(tǒng)（FGS）通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖引入中心平臺(tái)的中控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理；

4) 無人駐守井口平臺(tái)房間內(nèi)設(shè)置電話，電話通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入中心平臺(tái)的 PABX系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之間的電話通信聯(lián)系；

5) 無人駐守井口平臺(tái)房間內(nèi)設(shè)置揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入歧口中心平臺(tái)的PAGA系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)生產(chǎn)調(diào)度、火氣報(bào)警、緊急指令發(fā)布功能；

6) 無人駐守井口平臺(tái)房間內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)接口通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入中心平臺(tái)的LAN系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩平臺(tái)之間的信息傳輸及處理；

7) 無人駐守井口平臺(tái)上設(shè)置若干攝像頭，攝像頭信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入中心平臺(tái)的CCTV系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩平臺(tái)之間的重點(diǎn)設(shè)備的生產(chǎn)安全及危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 環(huán)網(wǎng)TN1U系統(tǒng)切換原理

3.1 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)框架圖

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)框架圖見圖1。

3.2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)切換原理

環(huán)形拓?fù)錇樗械碾娐诽峁┒喾N路由的能力。如果某一個(gè)公共部件有故障，比如TN1U群路部件或者CMUX部件，信息自動(dòng)變更路由到備用通道，切換時(shí)間小于3 ms。圖1和圖2舉例說明當(dāng)光纖產(chǎn)生故障時(shí)信息是如何變更路由和經(jīng)過節(jié)點(diǎn)。

圖1 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)框架圖

正常情況下，某個(gè)TU-1（業(yè)務(wù)）被指定在站A和B之間通信。通常兩個(gè)站之間的最短途徑被指定為優(yōu)先路徑。通信量沿著兩個(gè)路徑傳送但只有一個(gè)方向被接收。通道切換發(fā)生在一對(duì)CMUXE部件內(nèi)。雖然效果上有兩個(gè)CMUXE部件（一個(gè)接左TN1U群路部件，一個(gè)接右TN1U群路部件），但以上顯示的CMUX部件是作為一個(gè)部件。

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通信量（信息）將自動(dòng)變更路由到備用（Standby）路徑。業(yè)務(wù)信息經(jīng)過在備用路徑上的所有節(jié)點(diǎn)，同時(shí)保持所有的電路通信。TU經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的延時(shí)根據(jù)使用的群路部件 TN1U的類型的不同而不同（STM-1或者STM-4），每節(jié)點(diǎn)的延時(shí)為16 μs到20 μs。當(dāng)排除異常情況后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)回優(yōu)先路徑。

4 無人駐守井口平臺(tái)各系統(tǒng)接入方案

4.1 無人駐守井口平臺(tái)各系統(tǒng)接入方案示意圖

無人駐守井口平臺(tái)各系統(tǒng)接入方案見圖4。

4.2 管理型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)參數(shù)

1) 支持POE 供電和千兆級(jí)聯(lián)的10 端口網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)8 個(gè)10/100BaseTX RJ45端口，支持 802.3af / 802.3at；

2) 最多支持 2 個(gè)千兆以太網(wǎng)光纖端口；

3) 最多支持 2 10/100/1000BaseTX 雙絞線端口；

4) 1 個(gè) 54VDC，160W（8 端口供電支持802.3af標(biāo)準(zhǔn)或 4 端口供電支持 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)）；

5) 1個(gè) 54VDC，160W（8 端口供電支持802.3at標(biāo)準(zhǔn)）；

6) 基于 VLAN（802.1Q）的網(wǎng)絡(luò)通信隔離和安全。

圖2正常配置情況

圖3光纖故障情況下的保護(hù)切換

圖4無人駐守井口平臺(tái)各系統(tǒng)接入方案示意圖

中心平臺(tái)及無人平臺(tái)分別布置兩臺(tái)管理型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，合計(jì)4臺(tái)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)上有兩個(gè)用于組環(huán)的端口，交換機(jī)之間通過手拉手形式構(gòu)成了環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄟ^光纖組成環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是某一根光纖出現(xiàn)故障，可以自動(dòng)跳到另一條光纜進(jìn)行通訊。

無人駐守井口平臺(tái)的 PCS、ESD、FGS、電話系統(tǒng)、揚(yáng)聲器、攝像頭等系統(tǒng)必須具備網(wǎng)絡(luò)接口，可通過網(wǎng)線直接接入管理型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。

中心平臺(tái)的中控系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、揚(yáng)聲器、CCTV等系統(tǒng)需具備網(wǎng)絡(luò)接口，可通過網(wǎng)線直接接入管理型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，如不具備，需通過改造增設(shè)網(wǎng)絡(luò)接口。

虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，簡(jiǎn)寫 VLAN）是一種建構(gòu)于局域網(wǎng)交換技術(shù)(LAN Switch)的網(wǎng)絡(luò)管理的技術(shù)。VLAN是一種將局域網(wǎng)設(shè)備從邏輯上劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的新興數(shù)據(jù)交換技術(shù)。對(duì)于平臺(tái)內(nèi)各系統(tǒng)IP地址不在同一網(wǎng)段的情況，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)具備VLAN技術(shù)，可以把同一物理局域網(wǎng)內(nèi)的不同系統(tǒng)邏輯地劃分成不同的廣播域，由于是從邏輯上劃分，而不是從物理上劃分，所以同一個(gè)VLAN內(nèi)的各個(gè)工作站沒有限制在同一個(gè)物理范圍中，即這些工作站可以在不同物理 LAN網(wǎng)段。由VLAN的特點(diǎn)可知，一個(gè)VLAN內(nèi)部的廣播和單播流量都不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設(shè)備投資、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4.3 專用設(shè)備（DTT卡）的可靠性

4.3.1 緊急關(guān)斷DTT專用卡

圖5 DTT-XMT單元前面板

鑒于安全系統(tǒng)的重要性，安全系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成獨(dú)立于控制和報(bào)警系統(tǒng)，使其不受控制和報(bào)警系統(tǒng)故障的影響。[2]傳輸緊急關(guān)斷等干接點(diǎn)信號(hào)，設(shè)備的可靠性必須非常高，不能有任何的誤動(dòng)作，否則會(huì)影響生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致油田停產(chǎn)，這就要求專用的卡件電路中每個(gè)回路的設(shè)計(jì)必須完全獨(dú)立并隔離，DTT卡件中傳輸干接點(diǎn)信號(hào)的4個(gè)電路設(shè)計(jì)完全獨(dú)立并隔離，接收端在收到，也只有收到一個(gè)完整的正確的 96－bit幀時(shí)才發(fā)出一個(gè)預(yù)定的動(dòng)作信號(hào)。圖表96中顯示了各種傳輸誤碼率的誤動(dòng)作概率。在正常傳輸下，誤動(dòng)作的概率優(yōu)于10-72，這是實(shí)際應(yīng)用時(shí)的最低點(diǎn)，同時(shí)， 甚至在連續(xù)的0.1誤碼率（最壞情況），誤動(dòng)作概率也只有 10-16，也就是300,000年一次。

圖6 誤動(dòng)作概率

4.3.2 DTT卡的傳輸編碼及延時(shí)

從DTT－XMT傳來的輸入信號(hào)是連續(xù)的同步比特流。比特流含有緊鄰的96－BIT結(jié)構(gòu)，除此外，將會(huì)提前中止出一個(gè)空閑的幀來加快高優(yōu)先級(jí)幀（新的遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)）的傳輸。從圖中可看出，96位編碼中：16位的頭編碼，24位的地址編碼，12位的關(guān)斷數(shù)據(jù)，8位測(cè)試碼，4位報(bào)警碼，32位的循環(huán)冗余校驗(yàn) CRC（Cyclic Redundancy Check）編碼。這樣在傳輸上徹底避免了由于數(shù)據(jù)的誤碼和錯(cuò)碼造成的誤關(guān)斷。

一般兩平臺(tái)之間的關(guān)斷信號(hào)主要延時(shí)來自設(shè)備本身的延時(shí)（信號(hào)在海底光纜的傳輸速度為5 μs/km，可不考慮，見圖8），專用設(shè)備卡件的端到端延時(shí)為3 ms，能夠完成最嚴(yán)格的關(guān)斷信號(hào)延時(shí)要求。

總之，隨著海上平臺(tái)工藝設(shè)施安全保護(hù)要求的不斷提高，一些海上油氣田開始采用高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（HIIPS）來保護(hù)生產(chǎn)設(shè)施和人員安全[3]。對(duì)于緊急關(guān)斷信號(hào)的穩(wěn)定性及安全性的要求也越來越高，這也給各生產(chǎn)廠商提出了更高的要求，一般安全系統(tǒng)的 SIL等級(jí)也要求達(dá)到SIL2甚至SIL3的等級(jí)。

5 結(jié)束語

簡(jiǎn)易井口平臺(tái)設(shè)施少，儀控系統(tǒng)盡量設(shè)置簡(jiǎn)單，但對(duì)于無人駐守井口平臺(tái)一般依托現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行遙控、監(jiān)測(cè)和關(guān)斷，儀控系統(tǒng)簡(jiǎn)單而又要求可靠，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了平臺(tái)的自持能力，減少人員登平臺(tái)的次數(shù)[4]。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)在控制方面發(fā)揮了重要的作用。對(duì)于環(huán)網(wǎng)交換技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到了自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一個(gè)故障不會(huì)導(dǎo)致其他故障的產(chǎn)生，并且其產(chǎn)生的危險(xiǎn)性會(huì)降到盡可能低的程度的要求[5]。通過以上方案的闡述，在邊際油田開發(fā)方面，控制方案的優(yōu)化及應(yīng)用將對(duì)目前形勢(shì)下的降本增效提供有力的實(shí)踐意義，同時(shí)為海上石油開發(fā)中通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)及借鑒。

圖7 BC96 碼

圖8 DTT延時(shí)邏輯圖

[1] 中國(guó)海洋石油總公司. Q/HS 3024-2012 海上無人駐守井口平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)定[S]. 2013.

[2] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì). 海洋石油工程電氣儀控通信設(shè)計(jì)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[3] 徐正海等. 海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[M]. 2013.

[4] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì). 海洋石油工程邊際油氣田開發(fā)技術(shù)第 13冊(cè)[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2010.

[5] 中國(guó)船級(jí)社. 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

The Communication Technology of Ring Network Applicated in Marginal Oil Fields Development

Lyu Ruisheng1, He Jinping2

(1. CNOOC Energy Technology & Services-Marginal Oil Fields Development Project Group, Tianjin 300457, China;

2. CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

This article introduces the ring network- switch communication technology. The technology realizes signal transmission and control between the remote unmanned wellhead platform and relying platform. It is better than that of the optimal terminal machine in cost and is feasible in technical which plays a certain practical application role in communication technology for the marginal oilfield.

ring network switch; optical fiber; VLAN technology

TN915.05

A

1003-4862（2017）02-0074-04

0 引言

2016-08-12

呂瑞升（1980-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師。研究方向：船舶及海洋工程發(fā)電、配電系統(tǒng)。

E-mail: lvrsh@cnooc.com.cn制系統(tǒng)是海上油氣田開發(fā)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它是海上油氣田各種開發(fā)設(shè)施的大腦和安全衛(wèi)士。只有儀表控制系統(tǒng)發(fā)揮良好的功能才能保障海上油氣田得以順利的開發(fā)[2]。

在成本費(fèi)用上優(yōu)于光端機(jī)，技術(shù)上可行，為今后邊際油田在通訊技術(shù)方面起到了一定的實(shí)踐應(yīng)用意義。

海上采油平臺(tái)的生產(chǎn)過程離不開自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)開采、生產(chǎn)和集輸及消防安全正常運(yùn)行的保證。隨著海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，根據(jù)開采規(guī)模的不同，海洋石油平臺(tái)向著兩極發(fā)展。一方面，將所有的油氣生產(chǎn)及處理、人員生活區(qū)都集中在一個(gè)平臺(tái)上，即形成一個(gè)中心平臺(tái)（CEP），另一方面，對(duì)于邊際油田的開采開發(fā)，由于井?dāng)?shù)少、平臺(tái)設(shè)施簡(jiǎn)化，無動(dòng)力設(shè)施、油氣處理設(shè)施。正常生產(chǎn)條件下，平臺(tái)上無人進(jìn)行生產(chǎn)操作，特殊情況下，如檢修、應(yīng)急故障處理、調(diào)查，以及定期巡檢期間，可以登平臺(tái)，但不得在平臺(tái)住宿，即所謂的無人駐守井口平臺(tái)[1]。這就需要不同的控制方案對(duì)不同規(guī)模的進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的選型也隨之不同。儀表控