海上油氣田平臺中控系統的比選與研究

紀 超 徐正海 丁傳暉 陳 迪

(中海油研究總院)

海上油氣田平臺中控系統的比選與研究

紀 超 徐正海 丁傳暉 陳 迪

(中海油研究總院)

通過對大量已投產海上油氣田平臺的中控系統進行比選分析，歸納各品牌中控系統的基本特點和共同特征，所總結的經驗可作為未來海上油氣田平臺中控系統選型的重要依據。

中控系統 海上油氣田平臺 對比分析 系統拓撲結構

海上油氣田的生產是將海底油(氣)藏中的原油或天然氣開采出來，經過采集、油氣水初步分離與加工、短期儲存、裝船運輸或經海底管道外輸的過程。海上油氣田開發具有技術復雜、投資高及風險大等特點[1]，因此，安全生產是海上油氣平臺重點考慮的問題。而儀表控制系統是海上油氣田開發工程中的關鍵環節之一，它一方面連續檢測并控制海上油氣田的各種生產、公用設備的正常運行；另一方面又對各種意外事故進行實時監測，一旦出現意外，第一時間報警并由系統邏輯自動處理，將不安全因素控制在最小范圍內，從而保障海上油氣田的生產安全、確保人員和設施的安全。只有中控系統發揮良好的功能，才能保障海上油氣田的順利開發[2]。

1 海上油氣田平臺中控系統

中控系統作為海上油氣田平臺的“大腦”，是保證海上油氣田平臺在安全前提下正常生產的重要組成部分。中控系統通常由過程控制系統(PCS)、應急關斷系統(ESD)和火氣探測系統(FGS)組成。控制系統的網絡結構一般分為3層，即設備網絡、控制網絡和信息管理網絡，這種分層控制結構是現在海上油氣田平臺控制系統中比較典型的方式[3]。對于規模較大的海上油氣設施，通常情況下，過程控制系統、應急關斷系統和火氣探測系統分別由各自獨立的控制系統構成，再通過復雜的系統集成將這3個系統集成為一個網絡化的集成平臺控制系統，實現數據和人機界面的共享以及各子系統之間的聯動。在不斷強調安全生產的今天，上述三大系統的各自獨立成為一種趨勢，采用這樣的設計方式，可以進一步提高控制系統的安全可靠性。對于海上油氣田來說，應急關斷系統和火氣探測系統是非常重要的，正是因為有了設計完備的應急關斷系統和火氣探測系統，才充分保障了海上油氣田的安全。

但是對于規模很小的無人簡易井口平臺，由于控制和檢測點都很少，為了節省費用、降低投資，在確保安全的前提下，有時也將過程控制系統、應急關斷系統和火氣探測系統設計成一個整體，由一套控制系統完成。

1.1 過程控制系統

過程控制系統主要完成對海上油氣田各種生產過程中所屬控制對象的狀況進行檢測和常規控制，以及必要的顯示和報警，其主要工作內容如下：

a. 動態顯示生產流程、主要工藝參數和主要設備運行狀態，以聲光報警形式顯示平臺生產和安全異常狀態，并打印記錄備案；

b. 對生產過程進行監控，可在線設定、修改控制參數，完成各種控制功能，定期打印生產報表，存儲歷史數據；

c. 監視和診斷控制系統工作狀態，并以聲光報警形式顯示其異常狀況；

d. 實現與其他控制系統的通信，對其運行狀態進行監視；

e. 提供方便友好的人機操作界面。

1.2 應急關斷系統

由于海上油氣平臺上的工作人員和設備高度集中，又處于易燃易爆的危險環境中，因此對于人員和設備的安全控制要求非常高。為了保護平臺人員和設施的安全，防止環境污染，將事故損失限制到最小，海上油氣田通常都設置專門的應急關斷系統。

應急關斷系統隨時監測海上油氣田的生產過程，一旦出現事故的危害性狀況，系統將自動執行相應的應急關斷邏輯，避免事故擴大或災難性事故的發生，從而有效保障了海上油氣田人員和設備的安全。ESD與PCS系統的區別就是前者是靜態的控制系統，后者是動態的控制系統[4]。

1.3 火氣探測系統

海上油氣田設置火災和可燃氣探測控制系統(FGS)的主要目的是及時、準確地探測到可能或已經發生的可燃氣泄漏事故和火災情況，并及時采取相應措施以保護海上油氣田工作人員和設施的安全。火災和可燃氣探測控制系統主要包括火氣監控系統和現場探測、報警設備，可自動探測火災和可燃氣體泄漏，自動/手動啟動報警、消防系統，自動/手動執行火氣關斷邏輯，對控制網絡、現場探測設備和系統進行自診斷。此外，在有人居住的中心平臺的生活區值班室還設置了火災控制盤，對生活區的火氣設備進行監控，將狀態信息傳到中控室的FGS系統，并接收來自FGS系統的控制信號。

現場火氣探測和報警設備包括火焰探測器、熱探測器、煙探測器、可燃氣體探測器、有毒氣體探頭、手動報警站及平臺狀態燈等。設計時根據現場生產設備情況的異同，進行合理布置。

2 海上油氣田平臺中控系統應用現狀

海上油氣田平臺工藝流程相比于陸上石油化工流程較為簡單，因此中控系統的規模也相對較小，一般采用中小型DCS和SIS系統即可滿足正常流程容量需求[4]。由于海上油氣田平臺具有高風險的特點，所以海上油氣田平臺中控系統更加重視安全控制系統的作用。

隨著自動化技術和控制系統產品的不斷發展，經過數十年的應用與經驗積累，海上油氣田平臺儀控系統的自動化程度與安全可靠性有很大的提升。目前，海上油氣田平臺所使用的DCS和SIS系統涉及十余家世界著名自動化公司的成熟產品。現就近幾年在海上油氣田平臺上常用的中控系統進行簡要介紹。

過程控制系統(PCS)一般采用DCS系統實現，部分項目采用了現場總線系統(FCS)，常用產品包括：霍尼韋爾(Honeywell)的PKS系統、艾默生(Emerson)的DeltaV系統、ABB的800XA系統、橫河(Yokogawa)的CS3000系統及羅克韋爾(Rockwell)的PlantPAx系統等[4]。

為了提高海洋石油生產過程的安全性，關鍵裝置上大多安裝了安全儀表系統(SIS)[5]，ESD系統全部采用通過權威機構認證的SIS。海上油氣田平臺的SIS與陸上油田的相比有更高的要求[6]，SIS的安全完整性等級不低于SIL3[7]。而FGS系統可采用專用的火氣探測系統或SIS，如果采用火氣探測系統，系統需滿足NFPA72標準；如果采用SIS，則系統安全完整性等級要求至少滿足SIL2。ESD和FGS系統的CPU、電源、I/O模塊、通信模塊及數據通信總線等均采用1∶1冗余。SIS系統常用產品包括：霍尼韋爾(Honeywell)的FCS和SM系統、艾默生(Emerson)的DeltaV SIS系統、ABB的SafeGuard系統、橫河(Yokogawa)的ProSafe-RS系統及羅克韋爾(Rockwell)的AAdvance系統等[8]。

3 海上油氣田平臺中控系統比選分析

3.1 Emerson DeltaV中控系統

3.1.1 結構

某海上氣田中心平臺中控系統采用Emerson DeltaV系統。該中控系統采用Pear to Pear系統結構，如圖1所示。操作員站/工程師站和現場控制站(PCS、ESD和FGS)通過冗余控制網與現場控制站連接，該系統未設置辦公網絡(TCP/IP網絡)。

圖1 某氣田中心平臺Emerson DeltaV系統結構示意圖

ESD系統和FGS系統通過冗余安全網連接，該冗余安全網不同于冗余控制網通過交換機進行數據交換，而是使用Emerson SIS Net Repeater Module進行數據交換。除冗余安全網外，DeltaV系統采用交換機進行各類數據交換。

平臺主火氣系統與生活樓可尋址火氣盤通過Modbus TCP協議通信。

3.1.2 接口

DeltaV系統與其他區域氣田和陸上終端均通過OPC服務器進行重要信號傳遞(衛星)。在臺風情況下，使用Remote Client方式可以在終端遠程操控該中心平臺，使平臺在無人情況下正常生產，并通過位于PCS機柜內的操作員站/工程師站(終端服務器)實現遠程操控。

同時，DeltaV系統也可以通過OPC服務器與水下生產系統和工程能量管理系統(PMS)進行重要信號傳遞。

該系統還設有網絡時鐘協議(Network Time Protocol,NTP)服務器。NTP服務器從GPS地球同步衛星上獲取標準時鐘信息，并將這些信息在網絡中傳輸，網絡中需要時間信號的設備(如中控系統的控制器、就地控制盤等)就可以與標準時鐘信號同步，從而保證整個系統的時間統一。

3.2 ABB 800XA中控系統

3.2.1 結構

某海上油田中心平臺中控系統采用ABB 800XA系統。該中控系統采用Server-Client系統結構，其中操作員站/工程師站與現場控制站通過冗余控制網連接，并且該系統未設置辦公網絡(TCP/IP網絡)。

ESD系統和FGS系統通過冗余安全網連接，并且冗余控制網、冗余安全網等均采用交換機進行數據交換，而PCS、ESD系統與現場就地控制盤(第三方系統)通過串口協議進行通信。

3.2.2 接口

ABB 800XA系統與陸上終端進行衛星通信，在終端中控室設置兩臺操作員站，用于接收來自該中心平臺的重要信號，但操作站只有顯示和報警功能，這兩臺操作員站不接入陸上終端中控系統。該控制系統與其他3個井口平臺則通過SDH傳輸硬點關斷信號(光纖通信)。

3.2.3 接線種類

冗余控制網用于連接工程師站/操作員站、PCS控制機柜(現場控制站)及打印機等設備。

ESD和FGS系統之間通過冗余安全網連接；PCS、ESD系統與現場就地控制盤(第三方系統)之間通過串口協議通信；ESD、FGS與應急火氣盤之間通過硬接線連接。

3.3 橫河CS3000中控系統

3.3.1 結構

某油田鉆井生產平臺中控系統采用橫河 CS3000系統。本項目包括DPP和MDR兩部分，控制系統結構如圖2所示，其中DPP平臺包括PCS、ESD和FGS共3個系統；MDR僅包含FGS系統。其中PCS為CENTUN VP R4.02系統，ESD和FGS為ProSafe-RS R2.03系統。

圖2 某油田鉆井生產平臺CS3000中控系統結構示意圖

該中控系統采用Pear to Pear結構。操作員站/工程師站(HIS)與現場控制站(FCS)通過冗余PCS控制網絡Vnet/IP連接，PCS系統、ESD系統和FGS系統直接連接冗余控制網絡Vnet/IP，未設專用冗余安全網。

冗余控制網均采用交換機進行數據交換，PCS、ESD系統與現場就地控制盤(第三方系統)通過串口協議通信。

該平臺的CS3000系統與其他設施通過SDH傳輸硬點關斷信號(光纖通信方式)。

3.3.2 接線種類

Vnet/IP是具有1Gbit/s實時傳輸速率的控制總線，連接FCS(現場控制站)、HIS(人機接口站)、BCV(總線轉換器)、CGW(通信門單元)和打印機。為了保證安全，設備通過防火墻與Vnet/IP網絡連接。

工程以太網(Engineering Ethernet Network，EEN)用于接收組態數據、共享HIS信息及趨勢畫面等圖形數據，并訪問PCS打印機。

串口協議用于PCS、ESD系統與現場就地控制盤(第三方系統)之間的通信。

硬接線用于ESD、FGS與應急火氣盤之間以及主FGS與生活樓可尋址火氣盤之間的連接。

3.4 Honeywell PKS&SM中控系統

3.4.1 結構

某氣田井口平臺上設有過程控制系統和安全儀表系統，采用的是Honeywell的過程控制系統(PCS)Experion PKS系統；應急關斷系統(ESD)和火氣探測系統(FGG)采用的是SM系統。該中控系統采用Server-Client系統結構(圖3)。操作員站/工程師站與現場控制站通過冗余控制網(FTE Ethernet)連接，該系統未設辦公網絡(TCP/IP網絡)。

圖3 某氣田井口平臺Honeywell PKS&SM中控系統結構示意圖

PCS系統、ESD系統和FGS系統直接連接冗余控制網FTE Ethernet(容錯以太網)，控制系統中沒有專用的冗余安全網絡，但是SIS系統與冗余控制網之間會設置協議轉換器，用于物理隔離。

冗余控制網內部采用交換機進行數據交換。平臺主火氣系統與生活樓可尋址火氣盤通過Modbus協議和硬接線通信。該中控系統分別與兩座井口平臺通過SDH進行重要信號傳遞(光纖通信方式)。

3.4.2 接線

FTE Ethernet用于工程師站/操作員站、控制機柜(現場控制站)和打印機之間的通信。

主FGS與生活樓可尋址火氣盤之間通過Modbus通信。

主FGS與應急火氣盤之間以及主FGS與生活樓可尋址火氣盤之間通過硬接線連接。

3.5 中控ECS-700系統和羅克韋爾AAdvance控制系統

某陸上LNG工廠設有過程控制系統和SIS，其中過程控制系統(PCS)采用的是浙江中控集團有限公司的ECS-700系統；應急關斷系統(ESD)和火氣探測系統(FGS)采用的是羅克韋爾AAdvance系統。該中控系統采用Server-Client系統結構。

系統由DCS、SIS、FGS、AMS及MIS等多套系統和設備構成，其中DCS、SIS和FGS為各自獨立的控制系統，DCS采用SUPCON ECS-700系統，SIS和FGS采用羅克韋爾的AAdvance安全控制系統，擁有三重化(TMR)和硬件容錯(HIFT)安全控制技術。

DCS、SIS和FGS有各自的冗余控制網絡，分別為冗余DCS網絡、冗余SIS網絡和冗余FGS網絡。冗余DCS網絡還與管理信息系統系統(MIS網絡)和實時信息系統(RTIS)服務器相連，前者作為DCS的一部分其主要功能是訪問、收集和存儲必要的實時數據和來自DCS的信息；后者配置兩個硬盤作為海量存儲冗余系統，該服務器包含顯示器，可以顯示帶有動態數據、趨勢、報警列表及記錄的工藝流程圖等。

3個獨立的控制系統(DCS、SIS、FGS)都擁有各自的工程師站和操作員站，其中DCS工程師站/操作員站、SIS操作員站、FGS操作員站和AMS客服端/服務器均配置在冗余DCS網絡上，而SIS、FGS的工程師站和輔操臺則分別配置在各自的冗余控制網絡上。

冗余DCS網絡、冗余SIS網絡和冗余FGS網絡內部各自采用交換機進行數據交換，同時也可以分別通過該交換機與其他廠區的相應控制網絡進行數據交換(通過光纖網絡)。

DCS系統分別與SIS和FGS通過冗余DCS-SIS通信網絡(工業以太網)和冗余DCS-FGS通信網絡進行通信(工業以太網)，從而實現在SIS和FGS操作員站對SIS和FGS系統的監控。

DCS系統通過Modbus與第三方子系統進行通信，而FGS系統則與火災報警盤通過Modbus連接。

時鐘同步服務器分別與冗余DCS網絡、冗余SIS網絡和冗余FGS網絡連接，進行時鐘同步調整。

根據目前已投產的海上油氣田平臺中控系統的對比分析結果可以可知：

a. 上述中控系統中，Emerson DeltaV系統和CS3000系統是Pear to Pear結構，其余系統均是Server-Client結構。Pear to Pear結構中，將控制網絡上的各個設備作為一個節點，其中某一個節點出現故障，不會對網絡上的其他節點產生影響；而后者是在HMI(人機接口)和FCS(現場控制站)之間設置了服務器(Server)，任何控制器上傳到操作站的信號和操作站傳送給控制器的控制信號都要經過服務器，盡管服務器是冗余配置，但切換時間可能會影響信號的傳遞。

b. 所有廠家的冗余控制網都是用來連接PCS、ESD和FGS三大系統的，并且通過交換機進行數據交換。一般情況下，中控系統都會設置冗余安全網，通過網關與冗余控制網進行連接，用于隔離SIS和過程控制系統，對于規模較小的井口平臺即便未設置冗余安全網，也會設置網關或協議轉換器進行隔離。

c. 根據業主需求，一般與外部設施的通信方式主要為光纖和衛星。對于不同品牌的中控系統通信，需要設置OPC服務器進行協議轉換。

d. 上述已投產項目，均未設置辦公網絡。

4 結束語

海上油氣田平臺儀控系統具有規模小、功能齊全、較陸地油氣田擁有安全可靠性要求更高的特點。在經過中國海上油氣事業近半個世紀的發展，海上儀控系統技術也有了很大的進步。針對目前用于海上油氣田平臺中控系統品牌繁多的特點，對大量已投產海上油氣田平臺中控系統進行的比選分析結果表明：目前我國海上油氣田平臺中控系統產品的標準化程度較高，各廠商產品之間差別不大，只在細節上有些差異，并且大多數中控系統并未設置辦公網絡用于第三方監控，故海上油氣田智能化程度還有待提高，智能油氣田發展具有很大的研究和實踐空間。此結論可作為未來海上油氣田平臺中控系統選型的重要依據。

[1] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計概論與工藝設計[M].北京:石油工業出版社,2007.

[2] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M].北京:石油工業出版社,2007.

[3] 孫欽.潿洲12-1平臺控制網絡淺析[J].中國海上油氣(工程),2003,15(4):55～57.

[4] 徐正海,何驍勇,洪毅,等.海上平臺儀控系統發展現狀[J].儀器儀表用戶,2013,20(5):21～23.

[5] 朱春麗,洪毅,丁傳暉.海洋石油平臺安全儀表系統安全完整性等級評估[J].化工自動化及儀表,2014,41(4):410～413.

[6] 朱春麗,洪毅.海洋石油平臺安全儀表系統安全完整性等級的確定[J].石油化工自動化,2012,48(2):20～22.

[7] Stavrianidis P,Bhimavarapu K.Safety Instrumented Functions and Safety Integrity Levels(SIL)[J].ISA Transactions,1998,37(4):337～351.

[8] 徐艷峰,馬坤,孫維超,等.羅克韋爾DCS在余熱發電項目中的應用[J].電氣時代,2012,(11):94～95.

ComparisonandResearchofCentralControlSystemofOffshoreOilandGasPlatform

JI Chao, XU Zheng-hai, DING Chuan-hui, CHEN Di

(CNOOCResearchInstitute)

Through comparing and analyzing the central control system of offshore platform in service, including their general features and common characteristics, their application experience were summarized to provide an important basis for selecting offshore platform’s control system later.

central control system, offshore platform, comparison and analysis, system topological structure

TH862

A

1000-3932(2017)01-0079-07

紀超(1987-)，工程師，從事海上油氣田和陸上終端設施儀表控制系統的設計工作，jichao@cnooc.com.cn。

2016-01-12，

2016-09-14)