DCS在海上采油平臺(tái)的架構(gòu)分析

孫文高

（中海石油（中國）有限公司 蓬勃作業(yè)公司，天津300452）

渤海油田采油平臺(tái)的中央控制系統(tǒng)絕大部分都是由3 套系統(tǒng)組成：生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS（process control system），應(yīng)急關(guān)斷ESD（emergency shut down）系統(tǒng)和火氣監(jiān)控系統(tǒng)FGS（fire ＆ gas system）。 其中，PCS，ESD 系統(tǒng)和FGS 在控制層及以下相互獨(dú)立，在管理層則共享人機(jī)界面和通訊網(wǎng)絡(luò)[1]。 為保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，3 套系統(tǒng)的電源模塊、CPU 模塊、 通訊模塊和數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)等采用1∶1 的冗余設(shè)計(jì)[2]。 整體安全認(rèn)證級(jí)別不低于SIL2。 這樣，ESD 系統(tǒng)和FGS 這2 套系統(tǒng)都只存在控制層的硬件設(shè)備，軟件層面均集中在PCS 系統(tǒng)中，故以下討論均包含本地ESD 系統(tǒng)和FGS 兩套系統(tǒng)的PCS 管理層。

1 DCS 在渤海油田的使用

1.1 DCS 簡介

DCS 是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的，以直接數(shù)字控制為基本功能的新型控制裝置[3]。 世界上第一套DCS 技術(shù)約在1975 年由Honeywell 公司推出，隨即日本的幾大公司也相繼推出了自己的第一代產(chǎn)品。 DCS 通常由4 部分組成：I/O 模塊、控制器、操作站、通訊網(wǎng)絡(luò)[3]。 國際上各廠家的I/O 模塊和控制器技術(shù)上相差不大，只是算法多少、算法組合有所區(qū)別，控制器讀取所有I/O 數(shù)據(jù)必須在1 s 內(nèi)完成1個(gè)循環(huán)，整個(gè)DCS 自身必須具備高度的穩(wěn)定性[4]。

1.2 中心處理平臺(tái)和FPSO 的DCS

渤海油田是中海油下屬單位之一，主要在渤海海域從事油氣開采作業(yè)。 所有的采油作業(yè)采用石油生產(chǎn)平臺(tái)或者浮式儲(chǔ)油輪的方式開展；其主要架構(gòu)為中心處理平臺(tái)或者浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置FPSO（floating production storage and offloading） 和若干衛(wèi)星井口平臺(tái)WHP（wellhead platform）的模式。 某海上油田的布置如圖1 所示。

圖1 某海上油田布置示意圖Fig.1 Schematic layout of an offshore oil field

在WHP 上布置了油井和注水井；FPSO 設(shè)置了油氣水生產(chǎn)處理系統(tǒng)； 工業(yè)油流由WHP 油井產(chǎn)出后經(jīng)過原油海底管線送往FPSO， 處理后的原油經(jīng)外輸系統(tǒng)銷售，而分離出來的生產(chǎn)水經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后，經(jīng)注水海管輸送到WHP 注水井回注地層。 FPSO 還配有自發(fā)電裝置，并且經(jīng)過復(fù)合海底電纜給WHP 供電；復(fù)合海底電纜包含光纖的電力電纜。 中心平臺(tái)設(shè)置了專門的技術(shù)人員對(duì)DCS 進(jìn)行維護(hù)，而WHP 只有普通的值班人員。

FPSO 的過程控制（PCS）和生產(chǎn)監(jiān)控使用DCS 來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)急關(guān)斷 （ESD） 系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)（FGS）使用安全控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[5]。 在此以艾默生公司的DeltaV 系統(tǒng)為例討論DCS，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)以同一公司的安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行。

1.3 井口平臺(tái)的DCS

WHP 主要用于原油的生產(chǎn)和生產(chǎn)水回注底層，其對(duì)應(yīng)設(shè)置了FPSO 類似的中控系統(tǒng)架構(gòu)，PCS和生產(chǎn)監(jiān)控使用中小型DCS 來實(shí)現(xiàn)，ESD 系統(tǒng)和FGS 使用安全控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。PCS，ESD 系統(tǒng)和FGS在控制層及其以下相互獨(dú)立， 共享人機(jī)界面和通信網(wǎng)絡(luò)[2]。整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模較小（點(diǎn)數(shù)），且內(nèi)部算法相對(duì)簡單。

2 基于交換機(jī)擴(kuò)展的DCS 架構(gòu)

由于組織架構(gòu)及附屬管理的要求，中心處理設(shè)施（包括中心處理平臺(tái)或者FPSO）與WHP 的中控架構(gòu)，一直是困擾渤海油田生產(chǎn)的難題。 該難題也伴隨著局域網(wǎng)通訊的發(fā)展而出現(xiàn)了不同的解決手段，在早期2 個(gè)設(shè)施沒有通訊光纖而2 個(gè)平臺(tái)也就沒有聯(lián)系。 隨著微波系統(tǒng)的發(fā)展催生了2 個(gè)設(shè)施的早期通訊，但是通訊的穩(wěn)定性和及時(shí)性都不能滿足生產(chǎn)的需要，僅作為輔助使用；伴隨著海底復(fù)合電纜的使用，2 個(gè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)才真正開始實(shí)施。早期采用價(jià)格昂貴的光端機(jī)，只能傳送少數(shù)關(guān)鍵的開關(guān)量， 而LD10-1 油田開啟了2 個(gè)中控系統(tǒng)互聯(lián)的新篇章。 在此討論另一個(gè)渤海油田的WHP_M 和WHP_A 的中控系統(tǒng)架構(gòu)，其架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 某油田WHP_M 平臺(tái)和WHP_A 平臺(tái)中控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of central control system of WHP_M and WHP_A in an oilfield

由圖可見，WHP_M 的DCS 控制器通過冗余通訊連接到冗余交換機(jī)29P-DSW-01P 和29P-DSW-01S，工程師站ES-02 通過冗余通訊連接到這2 個(gè)交換機(jī)； 而WHPA 的DCS 控制器通過冗余通訊連接到冗余交換機(jī)WHP_M-A-P 和WHP_M-A-S，操作員站OS-01 通過冗余通訊連接到這2 個(gè)交換機(jī)；WHP_A 和WHP_M 都是獨(dú)立的WHP 且都能獨(dú)立生產(chǎn)或者關(guān)停；29P-DSW-01P 與和WHP_M-A-P 通過光纖連接，更像是一臺(tái)交換機(jī)成為另一臺(tái)交換機(jī)的擴(kuò)展。 根據(jù)DeltaV 的架構(gòu)分析如下：

1）這2 個(gè)平臺(tái)分別屬于不同的地理位置，且彼此相互獨(dú)立；

2）2 個(gè)平臺(tái)的DCS 通過光纖互聯(lián)，且從結(jié)構(gòu)上看是交換機(jī)的擴(kuò)展，其擴(kuò)展的物理實(shí)現(xiàn)不過是通過海底光纖，且距離很遠(yuǎn)；

3）2 個(gè)平臺(tái)的DCS 處于同一個(gè)Domain 中，即同屬于一層的交換機(jī)層；

4）2 個(gè)平臺(tái)其中一個(gè)能對(duì)另一個(gè)進(jìn)行監(jiān)控、組態(tài)、下裝、故障診斷等；

5）2 個(gè)平臺(tái)共用一個(gè)服務(wù)器，共用一套數(shù)據(jù)庫，但彼此操作和組態(tài)各自獨(dú)立；

6）2 個(gè)平臺(tái)的總體容量必須在DeltaV 的系統(tǒng)容量范圍內(nèi)；

7）為滿足速度和穩(wěn)定性要求，該交換機(jī)必須具備光纖端口。

通過以上分析并結(jié)合海上油氣生產(chǎn)特點(diǎn)不難得出，該架構(gòu)很好地適用了渤海油氣田生產(chǎn)的海上架構(gòu)，一個(gè)中心處理設(shè)施涵蓋一個(gè)或若干WHP。 把同屬于一個(gè)管理組織架構(gòu)下的幾個(gè)平臺(tái)，在DCS 架構(gòu)時(shí)做成一套數(shù)據(jù)庫，放置于中心處理設(shè)施，通過光纖去實(shí)現(xiàn)幾個(gè)WHP 的架構(gòu)。 其優(yōu)點(diǎn)如下：①中心處理平臺(tái)能對(duì)所管轄的WHP 進(jìn)行監(jiān)控， 必要時(shí)進(jìn)行緊急操作和處理；②只需要在中心處理平臺(tái)設(shè)施中控系統(tǒng)專業(yè)人員，WHP 則不需要，節(jié)省運(yùn)營成本；③該架構(gòu)能夠最大程度地解決由于惡劣天氣等原因， 中心處理平臺(tái)不能到WHP 現(xiàn)場(chǎng)解決突然情況的難題；④該架構(gòu)為海上無人駐守平臺(tái)的大規(guī)模實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 基于Remote 站的DCS 架構(gòu)

由于渤海油田海上油氣生產(chǎn)眾多，僅中心處理平臺(tái)就有60 多個(gè)， 每個(gè)中心處理平臺(tái)又包含了一個(gè)或多個(gè)WHP。中心油氣生產(chǎn)平臺(tái)由陸地部門統(tǒng)一管理。 陸地有專門的技術(shù)人員進(jìn)行整體查看和維護(hù)，在海陸一體化的大背景下催生出了基于Remote站的DCS 架構(gòu)模式。該架構(gòu)模式首先在渤海某油田得到全面應(yīng)用，在此以該油田為例進(jìn)行論述。

使用艾默生公司的DeltaV DCS，設(shè)施之間依靠DeltaV 的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同控制網(wǎng)絡(luò)間的跨平臺(tái)遠(yuǎn)程訪問、操作、組態(tài)等功能，用于平臺(tái)間流程監(jiān)控，以及無人平臺(tái)遠(yuǎn)程操作和維護(hù)。 它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①油田用戶可通過遠(yuǎn)程工作站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的DeltaV控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)視；②在單個(gè)遠(yuǎn)程操作站中可通過多個(gè)窗口同時(shí)監(jiān)控不同的DeltaV 控制網(wǎng)絡(luò)；③遠(yuǎn)程操作站可通過衛(wèi)星、微波的低速通訊方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，適于海上平臺(tái)應(yīng)用；④遠(yuǎn)程操作站通過微軟遠(yuǎn)程桌面訪問遠(yuǎn)程客戶端服務(wù)器，無需安裝DeltaV 軟件，不受DeltaV 版本和硬件限制。 其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 某油田系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.3 Network architecture of an oilfield system

3.1 遠(yuǎn)程用戶端服務(wù)器

為滿足平臺(tái)用戶跨平臺(tái)訪問數(shù)據(jù)的需求，DeltaV 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)2 項(xiàng)基本功能：讀取采集本地控制網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)； 實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。 DeltaV 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通過遠(yuǎn)程用戶端服務(wù)器（Remote Client server）訪問本地的DeltaV 控制網(wǎng)絡(luò)；在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)搭建過程中，遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器與主工程師站，現(xiàn)場(chǎng)控制器都接入同一交換機(jī)中，直接與控制網(wǎng)絡(luò)相連，且遠(yuǎn)程服務(wù)器也要通過主工程師站訪問控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。 在安裝DeltaV 軟件的過程中，需要提前選擇合適的工作站類型給指定的工作站，以作為遠(yuǎn)程服務(wù)器。 主工程師站和應(yīng)用站都可以作為遠(yuǎn)程用戶端服務(wù)器。

3.2 整個(gè)油田網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)遠(yuǎn)程訪問，需要搭建油田范圍的局域網(wǎng)絡(luò)， 將各個(gè)設(shè)施的遠(yuǎn)程子網(wǎng)絡(luò)涵蓋其中，這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)就是油田遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的主體。

以某FPSO 為例（如圖4 所示），遠(yuǎn)程用戶端服務(wù)器和遠(yuǎn)程操作站共同接入名為“11P-PSW-01P”的思科2950 型交換機(jī)， 構(gòu)成冗余的遠(yuǎn)程子網(wǎng)絡(luò)；而“11P-PSW-01P”和上一級(jí)“FPSO-PCN-Core-SW1”以及再上一級(jí)名為“11P-RTR-01P”的思科3825 型的核心交換機(jī)，構(gòu)成該設(shè)施的3 層交換網(wǎng)絡(luò)。

圖4 某FPSO 局域網(wǎng)絡(luò)Fig.4 A FPSO local area network

每個(gè)設(shè)施的核心交換機(jī)最后共同接入一臺(tái)思科Catalyst 2900 series XL 型中央交換機(jī)， 搭建起整個(gè)油田遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。 為了保證該遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的可靠性， 每一級(jí)交換機(jī)都是冗余的， 在DeltaV Explorer中組態(tài)工作站時(shí)需要為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)使能遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)冗余，如圖5 所示。 否則在失去主網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，將無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。

圖5 設(shè)置遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)冗余Fig.5 Setting up remote network redundancy

3.3 遠(yuǎn)程工作站的IP 設(shè)置

DeltaV 為控制網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)包括工作站分配IP 地址。遠(yuǎn)程站也需要配置IP 地址，使得它能夠正常接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中。 在組態(tài)遠(yuǎn)程工作站時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在遠(yuǎn)程工作站與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間建立永久連接。 DeltaV 會(huì)自動(dòng)識(shí)別該工作站的網(wǎng)絡(luò)適配器，以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)下可用的IP 地址，供用戶選擇。 一旦選擇，該地址將成為遠(yuǎn)程站永久IP 地址，且不支持動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議DHCP （dynamic host configuration protocol），不予許用戶隨意改動(dòng)。 如圖6 所示，連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的2 塊網(wǎng)卡處于自動(dòng)組態(tài)狀態(tài)，DHCP 處于抑制狀態(tài)。

圖6 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊Fig.6 Network communication of control system

3.4 遠(yuǎn)程訪問的實(shí)現(xiàn)

DeltaV 的遠(yuǎn)程用戶使用微軟遠(yuǎn)程桌面服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程用戶端服務(wù)器的連接，依靠微軟操作系統(tǒng)中自帶的遠(yuǎn)程桌面（Remote Desktop Connect）應(yīng)用程序， 遠(yuǎn)程操作站不需要安裝DeltaV 軟件，就可以連接到各個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)下的遠(yuǎn)程服務(wù)器。

DeltaV 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)具有兩層架構(gòu)，基層架構(gòu)依托于微軟遠(yuǎn)程桌面服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝有微軟操作系統(tǒng)的DeltaV 操作站相互訪問；頂層架構(gòu)則是在互相訪問基礎(chǔ)來定義自己的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括遠(yuǎn)程工作站功能劃分，數(shù)據(jù)訪問的管控。 兩者在功能方面不存在沖突，因此可以共同工作。

基于這樣的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)DeltaV 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問需要微軟和DeltaV 兩類授權(quán)，微軟授權(quán)包括Microsoft Server Client Access License 和Microsoft Remote Desktop Service Client Access License（即CAL 和RDS CAL）。DeltaV 遠(yuǎn)程用戶服務(wù)端自帶10個(gè)CAL，但不包含RDS CAL。

對(duì)于DeltaV 授權(quán)，如果是遠(yuǎn)程用戶服務(wù)端是遠(yuǎn)程應(yīng)用站， 需要安裝DeltaV 工作站授權(quán)， 訪問DeltaV 控制網(wǎng)路授權(quán)，事件記錄授權(quán)等基本DeltaV授權(quán)；如果是主工程師站，則不需要這些授權(quán)。

3.5 DeltaV 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)安全

DeltaV 遠(yuǎn)程用戶端應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft安全性和普通DeltaV 安全性。 DeltaV 安全性和Windows 安全性都建立在用戶賬戶和組概念的基礎(chǔ)上。 用戶賬戶包含允許用戶訪問資源的唯一憑證（登陸名和密碼）。

3.5.1 DeltaV 遠(yuǎn)程賬戶權(quán)限的設(shè)置

DeltaV 系統(tǒng)使用自帶的DeltaV 用戶管理器創(chuàng)建，管理DeltaV 賬戶賬號(hào)。在創(chuàng)建賬戶時(shí)，需要勾選“Allow Terminal Server Logon”選項(xiàng)，允許該賬戶遠(yuǎn)程登陸，具體如圖7 所示。

圖7 創(chuàng)建用戶管理器Fig.7 Creating user manager

此外，保持“Operating System（Windows）Account”和“DeltaV Database Account”2 個(gè)缺省選項(xiàng)處于勾選狀態(tài)，以保證賬戶能夠登陸遠(yuǎn)程桌面和打開進(jìn)入DeltaV 系統(tǒng)。

在Keys 界面下， 可以為單獨(dú)賬戶分配功能密鑰，以及激活控制、診斷、組態(tài)、歷史視圖、事件記錄（Event Chronicle）、連續(xù)歷史庫（Continuous Historian）和批量歷史（Batch History）等高級(jí)權(quán)限。

在Groups 可創(chuàng)建不同權(quán)限的分組，將多個(gè)賬戶分配其中，實(shí)現(xiàn)賬戶的批量管理。

3.5.2 DeltaV 遠(yuǎn)程賬戶的域?qū)傩?/p>

每個(gè)設(shè)施的DeltaV 系統(tǒng)中都有大量工作站，DeltaV 系統(tǒng)可以通過域聯(lián)網(wǎng)使所有工作站構(gòu)成一個(gè)域。 在域系統(tǒng)中，域用戶可以訪問域計(jì)算機(jī)和資源，而不需要在每個(gè)工作站上創(chuàng)建本地賬戶。 域用戶服務(wù)器通常情況下由某個(gè)DeltaV 應(yīng)用站來擔(dān)任。

用戶賬戶通常由域服務(wù)器管理，但對(duì)于DeltaV系統(tǒng)， 域系統(tǒng)的所有DeltaV 賬戶均應(yīng)通過DeltaV用戶管理器管理。 因此，賬戶名全稱應(yīng)為“域名+賬戶名”，賬戶是域網(wǎng)絡(luò)下的賬戶。

4 兩種DCS 架構(gòu)的對(duì)比分析

通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對(duì)2 種架構(gòu)總結(jié)如下：

1）基于Remote 技術(shù)的DCS 架構(gòu)復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于交換機(jī)擴(kuò)展的架構(gòu)；

2）基于Remote 技術(shù)的架構(gòu)不受單個(gè)控制網(wǎng)容量的限制，更適合做大型一體化的項(xiàng)目；

3）基于Remote 技術(shù)的架構(gòu)包含了對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的安全要求，這樣就海上平臺(tái)和陸地支持通過公用鏈路實(shí)現(xiàn)提供了安全保障；

4）基于Remote 技術(shù)的架構(gòu)有專門的安全控制措施，而基于交換機(jī)的擴(kuò)展則沒有任何安全隔離；

5）基于交換機(jī)擴(kuò)展的架構(gòu)的費(fèi)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前者，實(shí)現(xiàn)方式也簡單很多，且很多維護(hù)和操作幾乎感覺不到地域的差別。 而前者則需要層層管理和授權(quán)。

5 結(jié)語

根據(jù)海上油氣生產(chǎn)的特點(diǎn)，以及對(duì)2 種架構(gòu)的分析，可知：針對(duì)單個(gè)油氣田即一個(gè)中心處理平臺(tái)加一個(gè)或幾個(gè)WHP 的規(guī)模， 內(nèi)部控制系統(tǒng)采用基于交換機(jī)擴(kuò)展的DCS 架構(gòu)，從各個(gè)方面考慮都有其優(yōu)勢(shì)；針對(duì)幾個(gè)或者十幾個(gè)的中心處理平臺(tái)和陸地形成一個(gè)整體架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)， 采用基于Remote 站的DCS 架構(gòu)更為有利； 通過2 種架構(gòu)相結(jié)合的方式，既實(shí)現(xiàn)了單個(gè)油氣田內(nèi)部的控制，又實(shí)現(xiàn)了所有中心處理平臺(tái)和陸地的架構(gòu)一體化，真正地實(shí)現(xiàn)了渤海區(qū)域油氣生產(chǎn)管理一體化。