海洋石油平臺(tái)控制系統(tǒng)概況與分析

海洋石油平臺(tái)控制系統(tǒng)概況與分析

高志剛中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京100010在當(dāng)前能源需求日益增加的情況下，海洋石油成為石油產(chǎn)業(yè)的一股新生力量。而中央控制系統(tǒng)在海上石油平臺(tái)生產(chǎn)過(guò)程中，占有至關(guān)重要的地位，它起著調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)各種工藝參數(shù)，保證工藝流程正常運(yùn)行，協(xié)調(diào)和控制各個(gè)系統(tǒng)間關(guān)系的作用。海上石油工業(yè)以其特有的行業(yè)特點(diǎn)，在保證生產(chǎn)和提高原油產(chǎn)量的同時(shí)，也必須更好地保護(hù)平臺(tái)操作人員、生產(chǎn)設(shè)備和周圍的海洋環(huán)境，這為海洋石油平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可靠性提出了更高的要求。中央控制系統(tǒng)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展結(jié)合的非常緊密，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，海洋石油平臺(tái)的中央控制系統(tǒng)經(jīng)歷了簡(jiǎn)單控制、繼電器控制和DCS、PLC的集成控制，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了高級(jí)先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程通訊等現(xiàn)代化的控制水平。本文將著重通過(guò)分析現(xiàn)代海洋石油平臺(tái)控制的組成和功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)能夠選擇更優(yōu)化方案。1中央控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中央控控制系統(tǒng)在功能上要求完成工藝流程監(jiān)控、緊急事故狀態(tài)下的安全保護(hù)以及發(fā)生火災(zāi)或者天然氣泄漏情況下的報(bào)警及保護(hù)功能，因此，中央控制系統(tǒng)一般由3個(gè)系統(tǒng)組成：過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）、緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（F&G）。1.1過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）過(guò)程控制系統(tǒng)是基于DCS為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)的采集和處理，在操作站上進(jìn)行顯示和報(bào)警，利用PID回路調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制閥門的自動(dòng)調(diào)節(jié)。輸入/輸出系統(tǒng)主要由普通的4mA～20mA模擬量輸入輸出卡以及具有開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的數(shù)字量輸入/輸出卡件組成。通訊模塊具有和第三方設(shè)備進(jìn)行接口的功能，可以將第三方設(shè)備控制系統(tǒng)上的信息通過(guò)通訊接口和中央控制系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)中央控制系統(tǒng)對(duì)第三方設(shè)備的監(jiān)控，如過(guò)程控制系統(tǒng)和主發(fā)電機(jī)、天然氣壓縮機(jī)控制盤等都可以通過(guò)與通訊接口相連，實(shí)現(xiàn)在中央控制系統(tǒng)上顯示現(xiàn)場(chǎng)控制盤和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)。通訊協(xié)議一般有RS485Modbus,ProfibusPA/DP,ControlNet,EtherNet、DeviceNet等。1.2緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）緊急關(guān)斷系統(tǒng)是基于PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，控制器具有強(qiáng)大的邏輯處理能力。緊急關(guān)斷系統(tǒng)為海洋石油平臺(tái)上的人員和設(shè)備提供保護(hù)功能，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程和公用系統(tǒng)，可以啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警和邏輯保護(hù)功能。緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)備要求有高可靠性，其中控制器、輸入/輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)卡件都需要有TUV認(rèn)證，滿足SIL3或者AK6的要求。TUV是國(guó)際上最早對(duì)安全控制系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)別劃分，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)和認(rèn)證的機(jī)構(gòu)，在國(guó)際上具有一定的權(quán)威性，IEC61508和ANSI84都對(duì)安全控制系統(tǒng)的級(jí)別進(jìn)行劃分。海上平臺(tái)的安全控制系統(tǒng)要求有很高的可靠性和可用性，其要求相當(dāng)于SIL3級(jí)。普通的冗余系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到SIL3級(jí)或TUV的AK6級(jí)的要求，只有容錯(cuò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括1OO2D（二選一表決自診斷系統(tǒng)）、2OO4D（四選二表決自診斷系統(tǒng)）和TMR（三選二表決系統(tǒng)）可以達(dá)到這樣的要求。緊急關(guān)斷系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是硬線連接，重要的維修和啟動(dòng)旁通功能、ESD手動(dòng)按鈕和復(fù)位按鈕可以安裝在操作臺(tái)上。平臺(tái)上的緊急關(guān)斷系統(tǒng)一般分為4級(jí)：一級(jí)關(guān)斷為棄平臺(tái)關(guān)斷，是最高級(jí)關(guān)斷；二級(jí)關(guān)斷為火災(zāi)及可燃?xì)鈿怏w嚴(yán)重泄漏關(guān)斷；三級(jí)關(guān)斷為生產(chǎn)/工藝關(guān)斷；四級(jí)關(guān)斷為單元關(guān)斷。其中，高級(jí)別的關(guān)斷可以引起低級(jí)別的關(guān)斷，但是低級(jí)別的關(guān)斷不能引起高級(jí)別的關(guān)斷。緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循“故障安全型”原則，在正常生產(chǎn)情況下，輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)都是處于“閉合”狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障，需要緊急停車時(shí)，輸入信號(hào)“斷開(kāi)”，通過(guò)邏輯運(yùn)算，相應(yīng)的輸出信號(hào)“斷開(kāi)”處于失電狀態(tài)，保證現(xiàn)場(chǎng)的安全。1.3火氣探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（F&G）火氣探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)利用火焰、氣體探測(cè)元件對(duì)平臺(tái)上可能存在的火焰和危險(xiǎn)氣體進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)意外的危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)報(bào)警，在危險(xiǎn)的情況下，通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)方式啟動(dòng)平臺(tái)的安全消防系統(tǒng)，為平臺(tái)操作人員和生產(chǎn)設(shè)施提供安全保障?；饸馓綔y(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足NFPA72的要求，其控制器和輸入輸出卡件要求滿足SIL2的要求，可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接硬線連接方式也可以設(shè)計(jì)成可尋址回路方式?；饸馓綔y(cè)報(bào)警設(shè)備包括有天然氣探測(cè)器、火焰探測(cè)器、煙霧報(bào)警器、手動(dòng)報(bào)警站、手動(dòng)釋放站以及聲光報(bào)警單元等。1.4操作站和工程師站操作站和工程師站是進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和顯示的重要設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)操作站完成現(xiàn)場(chǎng)各種參數(shù)的監(jiān)控，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部監(jiān)視，工程師站可以完成系統(tǒng)組態(tài)修改、下裝軟件的功能。操作站和工程師站通過(guò)不同層次的密碼保護(hù)，使相應(yīng)資格的人員可以進(jìn)入不同的控制層次。中央控制系統(tǒng)的各個(gè)硬件系統(tǒng)之間通過(guò)專用的控制網(wǎng)絡(luò)如工業(yè)100M/10MEthernet連接。2中央控制系統(tǒng)的軟件配置中央控制系統(tǒng)的軟件包括操作系統(tǒng)軟件和控制系統(tǒng)軟件，而控制系統(tǒng)軟件主要包括下面幾個(gè)部分：1）組態(tài)軟件：完成邏輯處理、計(jì)算等功能，經(jīng)過(guò)編程之后下裝到控制器中完成控制功能。2）人機(jī)界面軟件：顯示流程畫面、火氣探測(cè)設(shè)備平面布置等，能夠完成歷史數(shù)據(jù)顯示、趨勢(shì)顯示、報(bào)警清單等和操作、監(jiān)視相關(guān)的所有信息。3）計(jì)算軟件：按照系統(tǒng)要求，完成相應(yīng)的計(jì)算功能。緊急關(guān)斷系統(tǒng)專用軟件中包括因果邏輯編程軟件。3海洋石油平臺(tái)控制系統(tǒng)發(fā)展思路伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是控制器和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，海洋石油平臺(tái)控制系統(tǒng)的技術(shù)也是日新月異，新技術(shù)、新思想層出不窮，以后的設(shè)計(jì)將重點(diǎn)發(fā)展和跟蹤國(guó)內(nèi)外控制系統(tǒng)的最新趨勢(shì)，主要包括下列內(nèi)容：1）平臺(tái)群之間控制系統(tǒng)連接和數(shù)據(jù)通訊；2）安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用；3）SIL安全級(jí)別在控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；4）水下井口控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；5）FPSO