海上平臺中控系統控制器超負荷優化改造

趙海亞，陳文林，肖鵬

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

海上平臺中控系統控制器超負荷優化改造

趙海亞，陳文林，肖鵬

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

介紹了海上平臺中控系統的應用情況，并對中控系統控制器超負荷的問題進行了深入的研究和分析，通過新增PRP-CCR冗余控制器對中控系統控制器優化改造，達到了降低控制器負荷的目的，徹底解決了因中控系統超負荷而導致生產關停的風險，保證了平臺的正常安全生產，同時節約了改造成本，具有顯著的經濟效益。

海上平臺 過程控制系統 控制器 超負荷

某氣田海上平臺的中央控制系統(簡稱中控系統)主要包括： 過程控制系統(PCS)、緊急停車系統(ESD)和火氣監控系統(F&G)，其中PCS采用DeltaV系統。該中控系統在歷年的維保過程中，發現位于中心控制室(CCR)控制機柜的PRP-CCR控制器負荷率為86%，空置率不足15%。PRP-CCR控制器是平臺中控系統的控制核心，處理器冗余數據交換會占據負載，中控系統存在因控制器負荷過高而導致生產關停的潛在風險，對中控系統控制器超負荷進行優化改造顯得尤為必要且迫切。

1 海上平臺中控系統簡介

該中控系統中的PCS，ESD，F&G相互獨立，通過系統集成將其組合為1套完整的控制系統，實現人機界面和數據的共享。其中，PCS主要包含控制處理器、操作員站、服務器(工程師站)、報警和報表打印機、數據高速通信網等。硬件組成包括MD Plus控制器、通信模塊、直流24 V/12 V電源模塊以及AI，AO，DI，DO卡。

1) 控制機柜。DeltaV系統有2套控制機柜，1套位于CCR控制機柜內，另1套位于維修車間的遠程I/O控制機柜(RIO)內。

2) 控制網絡。DeltaV系統的控制網絡是以TCP/IP以太網絡為基礎的冗余的局域網，由于以太網信號在傳輸過程中會衰減，該氣田維修車間的RIO與CCR控制機柜的控制器之間的采用光纖進行通信。

3) ESD，F&G與PCS通過TCP/IP以太網絡進行通信。

2 中控系統存在的問題及故障原因分析

2.1 中控系統存在的問題

在歷年的中控系統維保過程中，發現PRP-CCR控制器負荷使用率為86%，空置率不足15%，已經超過了控制器允許的最大安全負荷率，如果再往PRP-CCR控制器里下裝新的組態數據，主從控制器冗余同步就會斷開，會影響中控系統的穩定性和安全性，中控系統存在控制器負荷過高而導致生產關停的潛在風險。

2.2 故障原因分析

DeltaV控制系統的特點： 負載跟組態Module數據模塊的數量密切相關，跨控制器的數據通信并不影響控制器的運行。

通過對該平臺的DeltaV控制系統的組態進行仔細的研究發現，PRP-CCR控制器承擔了中控系統的大部分組態數據模塊的運算，各個不同系統占用的數據模塊數量如下： PRP-CCR控制器的PCS數據模塊71個、與ESD系統通信的數據模塊478個、與F&G系統通信的數據模塊464個、OPC通信數據模塊158個、與其他PLC設備通信的數據模塊139個。從中可以明顯地看出，其中與ESD和F&G兩大系統通信的Module數據模塊數量最多。

3 降低負荷探索與分析

3.1 PRP-RIO控制器均衡負荷

相比PRP-CCR控制器，位于維修車間的PRP-RIO控制器的負荷使用率相對較小，其負荷使用率只有17%。

通過以上分析比較，2個控制器的負荷分配嚴重不均衡。要想解決PRP-CCR控制器超負荷的問題，就需將PRP-CCR控制器的負荷分解出去。

經過仔細觀察，發現PRP-CCR控制器中有158個OPC通信的Module數據通信模塊是讀取另外1個平臺的工藝生產數據，只是在中控系統的操作畫面上顯示，該部分通信數據模塊對于平臺的正常生產影響不大。于是筆者嘗試將該部分OPC數據通信模塊從PRP-CCR控制器轉移至PRP-RIO控制器進行運算處理，成功地將PRP-CCR控制器的負荷使用率從原來的86%降到了70%，PRP-CCR控制器的負荷使用率得到明顯降低。

如需進一步降低PRP-CCR控制器的負荷，則需要轉移更多的數據模塊。PRP-RIO控制器至PRP-CCR控制器的通信距離較遠，通過光纖轉為TCP/IP以太網絡進行通信，在中控系統操作站讀取PRP-RIO數據需要先經過PRP-CCR控制器，相當于在數據傳輸過程中多了一級控制器。目前PRP-CCR控制器中余下的數據模塊中，F&G和ESD的數據模塊占據了80%。若將F&G和ESD的數據模塊轉移到PRP-RIO控制器處理運行，則會增加以太網絡通信的負擔，降低處理速度；并且F&G和ESD屬于該氣田平臺的兩大關鍵系統，在數據遷移下裝過程中容易產生數據波動，從而增大生產關停的風險。

3.2 新增PRP-CCR冗余控制器

根據技術經驗，想要降低控制器的負荷，提升中控系統的運行控制質量有以下兩種改造方案：

1) 升級DeltaV系統的控制器。通過購買最新版的、功能更強大的控制器，可以滿足運行負荷的需求，成本約140萬元，但需停產進行。

2) 新增1對冗余的控制器。在不升級控制系統的情況下，在原有的PRP-CCR控制器的基礎上，新增1對冗余的控制器來分解負載，降低原有PRP-CCR控制器的負荷使用率。該方式需要相同型號的控制器、電源、背板各2套，采購備件成本約10萬元人民幣，可以在不停產的情況下自主完成。

新增的冗余控制器與原有控制器一樣，均作為DeltaV系統中的1個節點，只需要增加普通的網線，通過CCR控制機柜內的網絡交換機直接接入DeltaV系統網絡進行通信，很好地保證了信息的傳輸速率以及控制器的反應速度。

4 優化改造過程

4.1 硬件安裝階段

在第一次將通信Module數據模塊從PRP-CCR控制器轉移至PRP-RIO控制器運算之后，在后續的中控系統維護中發現： 雖然PRP-CCR控制器的負荷使用率降到了70%，但是在向PRP-CCR控制器繼續下裝數據的時候，PRP-CCR的主從控制器的冗余同步還是會斷開，說明控制器的負荷使用率依然較高，必須進一步降低控制器的負荷使用率。因此，按照優化改造思路的第二種改造方案，在原有控制器的基礎上，新增了1對冗余的控制器來分解負荷，以降低原有控制器的負荷使用率。

4.2 Module數據模塊轉移

在平臺不停產的情況下，轉移Module數據模塊需要重新分配控制器和下裝操作，在轉移過程中參數可能會出現數據擾動的情況，尤其是各種工藝參數與生產關系較為密切，可能會導致生產關停的風險。

根據該氣田的生產情況，經過風險評估分析認為：

1) 在轉移ESD數據模塊過程中，信號的狀態會發生更改，這對氣田的安全穩定生產帶來了極大的風險。由于ESD與工藝生產關系密切，因而盡量不要轉移ESD中的數據模塊。

2) 相比之下F&G系統所有輸出信號都可以進行硬件臨時旁通，在下裝過程中即使信號狀態發生更改也不會對安全穩定生產造成影響，所以決定將F&G系統的464個Module數據模塊從PRP-CCR控制器轉移至新增的冗余控制器里運行。

將F&G系統的數據模塊轉移至新增的PRP-CCR冗余控制器后，PRP-CCR控制器負荷使用率由70%下降至51%。

5 優化改造效果

在優化改造完成后，PRP-CCR控制器的負荷使用率由原來的86%降到了51%，將原PRP-CCR控制器的部分負載分配給了PRP-RIO和冗余的PRP-CCR控制器運算處理，對中控系統進行了實際操作和監控測試，結果與預期一致。調整后3個控制器的負荷使用率見表1所列。

表1 控制器的負荷使用率

經過調整、優化PRP-CCR控制器的負荷，操作人員發現DCS操作畫面刷新速度明顯得到提高。并且中控系統的優化改造，為該氣田平臺后期增加新的數據模塊，提供更加寬裕的擴展空間。

6 結束語

通過該優化改造，使中控系統控制器的負載處于合理的運行狀態，確保了中控系統的穩定性和可靠性，避免了因控制器超負荷引起的生產關停，不僅保證了海上平臺的正常穩定生產，又鍛煉和提升了現場維修作業人員的技能水平，同時節約了中控系統軟硬件費用和現場服務費約100萬元人民幣，具有顯著的經濟效益。

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趙海亞(1980—)，男，畢業于中國石油大學(華東)自動化專業，獲學士學位，現就職于中海石油(中國)有限公司湛江分公司，主要從事儀表維修工作，任工程師。

TP273

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1007-7324(2017)03-0074-02

稿件收到日期： 2017-02-05，修改稿收到日期： 2017-04-05。