提高埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)可靠性初探

黃少偉 ， 謝騰騰

（1.中國石油大學 信息與控制工程學院，山東 東營 257061；2.勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司 山東 東營 257026）

埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)始建于1997年，2000年正式投產(chǎn)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了海上采油平臺無人值守和整個埕島油田的生產(chǎn)自動化管理，確保了埕島海上油田的少人、高效、安全運行。海上生產(chǎn)受天氣和環(huán)境的影響巨大，在惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)作為操作員“手”和“眼”的延伸，成為生產(chǎn)和安全唯一可以依賴的手段。如果系統(tǒng)不可靠，輕則無法開關(guān)井影響生產(chǎn)，重則面對泄漏井噴束手無策，發(fā)生嚴重的安全環(huán)保事故。因此系統(tǒng)的可靠與否，是關(guān)乎生產(chǎn)和安全的大事。同時，新規(guī)范、新標準的實施以及人們對安全生產(chǎn)認識的不斷提高，要求采油平臺測控系統(tǒng)具有更高的可靠性。因此，開展對勝利海上無人值守采油平臺安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究，對提高埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 系統(tǒng)安全性分析

通過對埕島油田采油平臺生產(chǎn)工藝、關(guān)鍵設(shè)備、生產(chǎn)流程和無人值守的現(xiàn)狀進行安全生產(chǎn)分析，確定了影響采油平臺安全生產(chǎn)的主要因素有以下幾個方面。

1.1 系統(tǒng)無法實施緊急關(guān)斷

目前，埕島油田自動化測控系統(tǒng)為一套常規(guī)邏輯控制系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)）。所有的采油泵過載安全保護、平臺集輸工藝參數(shù)采集、超限報警、緊急切斷控制、可燃氣體及火災報警聯(lián)鎖等都由這套系統(tǒng)處理完成。測控參數(shù)多，功能繁雜，緊急關(guān)斷功能不突出。在PLC系統(tǒng)失效或故障時，將無法實施緊急關(guān)斷，存在嚴重安全隱患。

1.2 缺少有效的確認和報警手段

平臺生產(chǎn)采取無人值守與日常巡檢相結(jié)合的方式。這種方式改善了工人的勞動環(huán)境，但存在以下問題：1）惡劣天氣下無法進行巡檢。在監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常時，不能確認是現(xiàn)場生產(chǎn)出現(xiàn)了問題，還是自控系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，只能遙控停井保安全，嚴重影響了原油產(chǎn)量。2）事故狀態(tài)下缺少確認手段。當管線閥門泄漏等情況發(fā)生時，操作人員無法確認現(xiàn)場真實情況，增加了事故處理的難度，延誤了事故處理時間。

1.3 缺少必要的監(jiān)控手段

埕島油田屬于灘海油田，距離陸地近，漁船作業(yè)多，漁民非法登平臺盜竊平臺原油及生產(chǎn)物資的現(xiàn)象時有發(fā)生。針對這種情況，無人值守采油平臺缺少有效的監(jiān)控報警。

2 系統(tǒng)可靠性研究與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計開發(fā)冗余系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性

采用冗余技術(shù)，可以使整個系統(tǒng)運行不受局部故障的影響，而且故障部件的維護對整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)沒有影響，并可以實現(xiàn)在線維護，使故障部件得到及時的修復。冗余設(shè)計會增加系統(tǒng)設(shè)計的難度，冗余配置會增加用戶系統(tǒng)的投資，但這種投資換來了系統(tǒng)的可靠性，它提高了整個用戶系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF），縮短了平均修復時間（MTTR）。因此，采用冗余技術(shù)是提高測控系統(tǒng)可靠性的有效方法之一[1]。增強冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 增強型冗余系統(tǒng)Fig.1 Enhanced redundancy system

2.1.1 冗余系統(tǒng)的構(gòu)成

海上自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括：增強型冗余系統(tǒng)（切換式配置系統(tǒng)）、全冗余系統(tǒng)（雙通道配置系統(tǒng)）和混合配置系統(tǒng)。按照“從實際出發(fā)，在保證生產(chǎn)正常、安全的前提下，盡可能利用已有設(shè)施，降低工程投資和造價”的原則，埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)中冗余系統(tǒng)方案選擇增強型冗余系統(tǒng)。

增強型冗余系統(tǒng)至少包含兩個主機架和一個擴展機架。每個主機架上都包含一個中央處理器模塊 （CPU），以實現(xiàn)CPU的冗余。輸入輸出（I/O）模板放在擴展機架上。每個主機架上的CPU都對擴展機架上的輸入輸出模板進行單獨尋址，并通過熱備模塊實現(xiàn)CPU的互相診斷。這種方式實現(xiàn)了CPU和電源模塊的冗余[2-4]。

在工作時，兩個主機架上的CPU分為主CPU和從CPU，主從CPU一起工作，一般情況下主CPU完成數(shù)據(jù)采集和控制，接收并執(zhí)行中心站的指令；熱備模板負責監(jiān)視主從CPU的工作狀態(tài)，保證兩者間的數(shù)據(jù)同步；在主CPU出現(xiàn)故障時，從CPU會自動切換為主CPU，并接管控制系統(tǒng)的所有工作，保障監(jiān)控與通訊的連續(xù)運行。

2.1.2 冗余系統(tǒng)的實現(xiàn)

1）系統(tǒng)構(gòu)成及功能

實施冗余方案的平臺自控系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）兩套控制系統(tǒng)組成[5]，兩者有機結(jié)合互相診斷，通過遠程模板經(jīng)DH+網(wǎng)絡相連，構(gòu)成統(tǒng)一的RTU系統(tǒng)。兩者信息共享，一旦PCS系統(tǒng)發(fā)生故障，中心平臺能夠通過SIS系統(tǒng)確保平臺有效的轉(zhuǎn)換至安全狀態(tài)。

過程控制系統(tǒng)（PCS）主要功能：將目前RTU系統(tǒng)改造成PCS系統(tǒng)。PCS系統(tǒng)采集、控制生產(chǎn)管理所需參數(shù)，包括：電泵運行參數(shù)、油溫、油壓、回壓、井下的壓力和溫度、注水壓力、油氣水計量、套壓、注水計量等。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）主要功能：緊急關(guān)斷系統(tǒng)獨立于現(xiàn)有的PCS系統(tǒng)。其中ESD系統(tǒng)監(jiān)控平臺安全參數(shù)，進行報警及控制。安全參數(shù)包括：油井干溫、遙控電泵啟停、干壓、遙控關(guān)閉井下安全閥；遙控快速關(guān)斷原油平臺出口緊急關(guān)斷閥；平臺集輸工藝參數(shù)超限報警；FGS系統(tǒng)監(jiān)控火災、可燃氣體檢測報警等。SIS系統(tǒng)安全等級為SIL 2。

2）緊急關(guān)斷系統(tǒng)兩級安全保護

埕島油田主體區(qū)域，采用衛(wèi)星平臺與中心平臺結(jié)合的集輸方式。衛(wèi)星平臺生產(chǎn)的油氣經(jīng)加熱計量后，靠井口壓力通過海底管線混輸至中心平臺進行油氣分離及預脫水等處理，低含水原油通過海底管線輸送上岸至海三站，經(jīng)加熱、加壓后輸送至海四聯(lián)合站進一步處理。無人值守采油平臺集輸工藝流程圖如圖2所示。

圖2 無人值守采油平臺集輸工藝Fig.2 Unmanned oil platform gathering process

通過對無人值守采油平臺集輸工藝研究，確定井下安全閥和緊急切斷閥為無人值守采油衛(wèi)星平臺的兩級安全保護。當油井壓力過高或過低，生產(chǎn)流程中出現(xiàn)原油泄漏、生產(chǎn)設(shè)備溢油等事故時，為保障油井安全生產(chǎn)、避免發(fā)生井噴等嚴重事故，通過緊急關(guān)斷系統(tǒng)遙控關(guān)閉平臺去海底輸油管線緊急切斷閥，并同時停采油電泵。當平臺發(fā)生井噴、火災等重大事故時，通過緊急關(guān)斷系統(tǒng)遙控關(guān)閉井下安全閥、緊急切斷閥，并同時停采油電泵，從而確保平臺安全。

3）冗余緊急關(guān)斷系統(tǒng)的實現(xiàn)

①硬件選型

冗余緊急關(guān)斷系統(tǒng)選用羅克韋爾RSLogix5000系列的1756-L61 ControlLogix5561控制器組成冗余控制系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)中包括一對完全相同的機架，每個機架中包括一個1756-L61控制器，用于完成系統(tǒng)的信號采集、邏輯控制、數(shù)據(jù)通訊等功能；一個1756-CNB/E通訊模板，用于實現(xiàn)控制器與I/O模塊機架之間數(shù)據(jù)通訊；一個1757-SRM冗余模板，用于實現(xiàn)兩個機架中L61控制器之間的冗余控制、數(shù)據(jù)同步等功能。

②冗余配置

ControlLogix的冗余是由特殊的冗余硬件所控制的，系統(tǒng)通過使用一對完全相同的ControlLogix機架，來確保在其中一個機架中的設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下仍可照常運行。

為了實現(xiàn)控制器的冗余，冗余模板（SRM模板）、冗余控制器安置在不同的機架上，并且有各自獨立的電源，它們之間的距離可以分開10 m以上[5]。采用RSLogix5000系列PLC組建的冗余系統(tǒng)不需要額外編程，主控制器和備用控制器的同步對用戶來說是完全透明的。一旦系統(tǒng)故障后，可實現(xiàn)無擾動切換。冗余模板之間是通過光纖連接的，并且可以在線替換，不影響用戶的過程控制。冗余的控制器可以共享所有的I/O卡件。

冗余系統(tǒng)方案實施之后，采油衛(wèi)星平臺控制系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和冗余緊急關(guān)斷系統(tǒng)構(gòu)成。PCS系統(tǒng)完成采油平臺的生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控，ESD系統(tǒng)完成對生產(chǎn)的安全控制，兩者有機結(jié)合互相診斷，并通過冗余通訊鏈路完成與中心平臺的通訊。PCS系統(tǒng)與ESD系統(tǒng)可以通過DH+網(wǎng)絡或ControlNet網(wǎng)絡進行實時通訊，構(gòu)成統(tǒng)一的RTU系統(tǒng)，兩者信息共享，一旦PCS發(fā)生故障時，中心平臺仍然能夠通過緊急關(guān)斷系統(tǒng)采集到關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)發(fā)送指令，完成設(shè)備遙控，確保平臺可以有效無誤的轉(zhuǎn)換至安全狀態(tài)。

2.2 可視化安全監(jiān)控技術(shù)研究及實現(xiàn)

采油平臺安全監(jiān)控系統(tǒng)可以及時有效地發(fā)現(xiàn)不法分子進入采油平臺，延緩或阻止不法分子對采油設(shè)施的盜竊、破壞，盡量減少經(jīng)濟損失。同時，該系統(tǒng)通過信息實時遠傳，可以及時發(fā)現(xiàn)所監(jiān)視設(shè)備的異常。

在無人值守采油平臺安全監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計上，在體現(xiàn)“綜合防侵入體系”主體思想的同時，采用多重防侵入識別技術(shù)手段，引入現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸、衛(wèi)星平臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)報警聯(lián)動技術(shù)以及遠程防侵入報警監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)平臺防非法侵入模式由被動保護向主動防御的逐步轉(zhuǎn)換。

2.2.1 可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

海洋石油開發(fā)無人值守采油平臺安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件單元設(shè)計分海洋開發(fā)平臺模塊和遠程監(jiān)控中心模塊兩部分。其中，開發(fā)平臺模塊分為非法侵入與生產(chǎn)過程故障信號采集、報警聯(lián)動控制、報警信息提示和遠程數(shù)據(jù)傳輸4個子功能；遠程監(jiān)控中心模塊分為總體監(jiān)控和報警顯示兩個子功能[6]。兩個模塊之間通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)工作?？梢暬踩O(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖3所示。

海洋開發(fā)平臺模塊通過安全監(jiān)控主機以及RS-485總線讀取開發(fā)平臺上所有的紅外探測傳感器、門磁開關(guān)與生產(chǎn)監(jiān)控PLC數(shù)字量輸出端的輸出信號，進行分析處理。若判斷為報警信號或故障信號，則控制視頻攝像系統(tǒng)聯(lián)動跟蹤到報警區(qū)域的預設(shè)位置進行監(jiān)視錄像，驅(qū)動平臺上的聲光報警器報警，并將報警數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。為了方便平臺工作人員的正常作業(yè)，該模塊中設(shè)置了布防/撤防選擇開關(guān)，可根據(jù)實際需要方便地進行布防/撤防操作[7]。

圖3 可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.3 Visualization safety monitoring system overall design

遠程監(jiān)控中心模塊可以對海洋開發(fā)平臺進行總體的監(jiān)視與控制，并且可以及時地顯示平臺報警及故障信息。

2.2.2 可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)海上平臺總體結(jié)構(gòu)組成，平臺防登陸識別主要包括平臺周界防范設(shè)計、海上平臺爬梯部位防非法侵入識別設(shè)計和海上平臺內(nèi)部防非法侵入識別設(shè)計3部分。通過對海上平臺的實際結(jié)構(gòu)進行分析，確定平臺重點防登陸部位包括：井口平臺周界、工藝平臺周界、平臺登陸梯、平臺登陸門等。海上平臺防登陸識別總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 海上平臺防登陸識別總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Offshore platforms，anti-landing identify the overall structure

根據(jù)目前防非法侵入識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及海上平臺的實際應用環(huán)境，海上平臺防非法侵入識別手段主要采用紅外線探測、門磁開關(guān)探測以及視頻監(jiān)測。其中，紅外探測器用于平臺周界、平臺登陸梯部位的侵入識別，門磁開關(guān)主要用于平臺登陸門部位，視頻監(jiān)測[8-9]用于全平臺以及重點防范部位的監(jiān)視。

采油平臺可視化安全監(jiān)控技術(shù)采用紅外、門磁平面探測和視頻空間監(jiān)測的組合方式，對平臺進行立體監(jiān)測，覆蓋所有非法侵入重點位置，保證了平臺整體非法侵入監(jiān)控效果，系統(tǒng)具有紅外、門磁探測與視頻聯(lián)動跟蹤監(jiān)視功能，方便監(jiān)控人員對報警點進行快速、直觀地檢查，綜合驗證平臺非法入侵信息的真?zhèn)危商岣邎缶畔蚀_率，指導制定適當非法侵入應急措施。

3 結(jié)束語

通過對勝利海上自動化測控系統(tǒng)安全性分析，文章確定了影響系統(tǒng)可靠性的3個主要因素，并針對這些問題開展了冗余系統(tǒng)研究和可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)研究。文章提出了提高埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)可靠性措施并形成了實施方案。冗余系統(tǒng)和可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)的建立，提高了埕島油田自動化測控系統(tǒng)可靠性，有效的防止了非法入侵，實現(xiàn)了埕島油田能夠在高自動化程度的條件下，安全、高效的可持續(xù)生產(chǎn)。

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