海洋平臺控制系統(tǒng)應(yīng)用案例

中海油有限公司天津分公司 孫勤江

ABB（中國）有限公司 紀玉學(xué)

海洋平臺控制系統(tǒng)應(yīng)用案例

中海油有限公司天津分公司 孫勤江

ABB（中國）有限公司 紀玉學(xué)

目前我國對油氣資源的需求不斷增長，海底油氣資源的開發(fā)與利用愈發(fā)顯得舉足輕重，隨著我國海洋油氣的開發(fā)走向深水，海上平臺油氣生產(chǎn)設(shè)施的安全性與可靠性要求更為嚴格。本文以中國海洋石油岐口18-1油田綜合調(diào)整項目為例，闡述了ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)在能源行業(yè)海上平臺油氣生產(chǎn)項目中的應(yīng)用。

海洋平臺；中央控制系統(tǒng)；過程控制系統(tǒng)；安全儀表系統(tǒng)；緊急關(guān)斷系統(tǒng)；火氣監(jiān)控/消防系統(tǒng)；現(xiàn)場可編程門陣列；微控制單元

1 引言

在海上油氣生產(chǎn)的項目中，自動化控制起著非常重要的作用，尤其是現(xiàn)代新型的大中型綜合平臺中生產(chǎn)連續(xù)性強、生產(chǎn)過程控制相對復(fù)雜，只有通過具有高性能的自動化控制系統(tǒng)實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀況，才能有效保證整個系統(tǒng)的安全、高效運轉(zhuǎn)。

海上平臺油氣生產(chǎn)設(shè)施的控制系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)（PCSProcess Control System）、緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD- Emergency Shutdown System）和火氣監(jiān)控/消防系統(tǒng)（F&G- Fire & Gas System）。正常情況下，這三部分的控制系統(tǒng)相對獨立，采用獨立冗余的控制器、冗余控制網(wǎng)絡(luò)和冗余卡件等完成各自相應(yīng)的功能，對于緊急關(guān)斷系統(tǒng)至少滿足SIL3的安全等級要求。系統(tǒng)間通過以太網(wǎng)（Ethernet）集中顯示報警，實現(xiàn)整個生產(chǎn)設(shè)施的生產(chǎn)控制和安全保護功能?？梢哉f控制系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的大腦，是油氣生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行的保證?？刂葡到y(tǒng)合理選型也是自動化領(lǐng)域的重點、難點，選用的控制系統(tǒng)是否合理直接關(guān)系到海上設(shè)置生產(chǎn)安全和人員的生命安全。

2 岐口18-1油田綜合調(diào)整項目簡介

岐口18-1油田位于渤海灣西部，水深大約為5～10米。此次綜合調(diào)整涉及該油田新建QK18-1 PAPA平臺、QK17-2 PAPB平臺，并對已有QK18-1 WHP1平臺進行升級改造。

其中新建QK18-1 PAPA平臺、QK17-2PAPB平臺的中央控制系統(tǒng)（CCS-Central Control System）包括過程控制系統(tǒng)（PCS）和安全儀表系統(tǒng)（SIS），安全儀表系統(tǒng)需同時具備緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣監(jiān)控/消防系統(tǒng)（F&G）功能。這兩套系統(tǒng)要求相互獨立，但人機界面（HMI-Human Machine Interface）、打印機和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備需要實現(xiàn)共享。

此方案的優(yōu)勢如下：

? 更為靈活。后期的系統(tǒng)擴展和修改比較容易實現(xiàn)，可收集現(xiàn)場各種參數(shù)，便于在共享的人機界面上集中顯示，還可集中進行數(shù)據(jù)處理和打印報表等。

? 功能更強?？筛鶕?jù)需要在控制室內(nèi)操控現(xiàn)場設(shè)備，諸如電機、泵、閥的起停或開關(guān)；也可對火氣系統(tǒng)輸入有選擇的旁路，對輸出有選擇地強制執(zhí)行等。

上述系統(tǒng)的主要目的是保證人員安全、保證生產(chǎn)的持續(xù)性、保護平臺及其設(shè)施。

控制系統(tǒng)配置要求：

新建QK18-1 PAPA平臺控制系統(tǒng)包括：過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)各一套，工作站三臺，互為備用，且其中一臺工作站兼做工程師站及事件順序記錄站（SOE- Sequence of Event）；打印機兩臺，互為備用。

新建QK17-2 PAPB平臺控制系統(tǒng)包括：過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)各一套，工作站三臺，互為備用，且其中一臺工作站兼做工程師站及事件順序記錄站（SOE- Sequence of Event）；打印機兩臺，互為備用。

已有QK18-1 WHP1平臺現(xiàn)有系統(tǒng)為 ABB Industrial IT 800xA低版本系統(tǒng)，將對該系統(tǒng)進行軟件升級，同新平臺系統(tǒng)版本保持一致；同時要求QK18-1 PAPA平臺和QK18-1 WHP1平臺實現(xiàn)互相訪問，只進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，不能互相操作。通過論證，最終采用多系統(tǒng)集成方案滿足上述要求，如圖1所示。

圖1 多系統(tǒng)集成方案示意圖

為了保證控制系統(tǒng)連續(xù)可靠運行，提高系統(tǒng)的可靠性，過程控制系統(tǒng)的處理器模塊、電源模塊、通訊模塊及數(shù)據(jù)通訊總線均采用1：1冗余配置。

安全儀表系統(tǒng)符合IEC-61508和IEC-61511標準，安全等級達到SIL-3。其中處理器模塊、輸入輸出卡件、電源模塊、通訊模塊及數(shù)據(jù)通訊總線均采用1：1冗余配置。因要求安全儀表系統(tǒng)同時具備火氣監(jiān)控/消防系統(tǒng)功能，所以同時滿足NFPA-72標準。

岐口18-1油田綜合調(diào)整項目過程控制系統(tǒng)的基本功能：

? 動態(tài)顯示生產(chǎn)工藝流程、主要工藝過程參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)；

? 對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控；

? 實現(xiàn)兩位式開關(guān)控制、連續(xù)的PID調(diào)節(jié)等其他高級控制功能；

? 現(xiàn)場設(shè)備的開/關(guān)操作，如泵、電動機、閥門的手動或自動操作；

? 生產(chǎn)過程、安全系統(tǒng)的圖形動態(tài)顯示；

? 系統(tǒng)自診斷功能，故障時，可向操作者發(fā)出報警；

? 按要求記錄并打印多報警事件，并對報警事件進行優(yōu)先級區(qū)分；

? 在線對數(shù)據(jù)庫進行修改、組態(tài)、調(diào)整參數(shù)、改變報警點的設(shè)定以及備份歷史記錄；

? 按要求生成報表并按需打印日、周、月報；

? 在平臺投產(chǎn)調(diào)試或故障時，可由軟件提供關(guān)斷信號的旁路功能；

? 軟件具備對輸入/輸出信號的強制復(fù)位、旁路功能；

? 通過光纜等實現(xiàn)與其他平臺的雙向通信。

3 ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)是ABB公司針對過程自動化推出的自動化解決方案，致力于解決當今自動化客戶在電子商務(wù)環(huán)境下所遇到的問題。它的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)改善了生產(chǎn)力、優(yōu)化了資產(chǎn)配置以及提供正確的決策信息。ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)可為大型石油化工及煤化工項目提供多種集成式的解決方案，包括過程控制系統(tǒng)（PCS）、安全控制系統(tǒng)（SIS）、火災(zāi)報警系統(tǒng)（F&G）、智能設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）、信息管理系統(tǒng)（IMS）、電能管理系統(tǒng)（PMS），甚至可將過程自動化、過程電氣、輸配電等設(shè)備集成于統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺。

ABB Industrial IT 800xA系統(tǒng)解決方案的技術(shù)基石是Aspect Object TM——屬性目標構(gòu)架，它實現(xiàn)了整個企業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的信息獲取、瀏覽和導(dǎo)航。并具備一系列基本功能，包括操作軟件、批處理軟件、設(shè)備管理軟件、信息管理軟件、資產(chǎn)優(yōu)化軟件、現(xiàn)場設(shè)備管理軟件等，提供了一個具有開發(fā)、配置、復(fù)用生產(chǎn)應(yīng)用控制的方案基礎(chǔ)，能夠持續(xù)改進生產(chǎn)應(yīng)用方案、預(yù)測應(yīng)用結(jié)果。系統(tǒng)中的所有元件均采用模塊化設(shè)計，針對不同控制要求能夠靈活配置，從而降低費用，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 典型系統(tǒng)框架圖

ABB公司為該項目提供的AC800M系列控制器和S800 I/O系列輸入/輸出模塊是ABB Industrial IT 800xA系統(tǒng)基于現(xiàn)代模塊化設(shè)計的、性能可擴展的、技術(shù)領(lǐng)先的硬件家族，適用于所有過程及工業(yè)自動化應(yīng)用。AC800M系列控制器內(nèi)存達到256MB，主頻達到450M Hz，其技術(shù)指標和性能均具備先進水平；S800 I/O系列模塊均為低密度卡件，模擬量模塊為8通道，數(shù)字量模塊為16通道，有效提高系統(tǒng)可用性。

ABB Industrial IT 800xA HI 安全控制系統(tǒng)是ABB公司針對安全控制推出的解決方案，該方案為生產(chǎn)控制、安全管理及生產(chǎn)監(jiān)視提供了一個公用環(huán)境及一整套符合IEC-61508和IEC-61511標準的安全儀表控制系統(tǒng)解決方案，不僅在邏輯上解決了問題，而且涵蓋了包括現(xiàn)場儀表、控制器和現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)在內(nèi)的完成的安全回路?？蛇M行從單一到四重化的多種配置，根據(jù)不同用戶的特定需求量身定做安全系統(tǒng)解決方案。安全控制器和安全I/O模塊均基于ABB獨特的“嵌入式差異化”技術(shù)，控制器和I/O單元擁有嵌入式差異化并行處理路徑，其中通道間的主動差異校驗得益于內(nèi)部主動診斷，在保證系統(tǒng)高可用性的同時兼顧了系統(tǒng)的高完整性。ABB Industrial IT 800xA HI 安全控制系統(tǒng)提供的全部硬件產(chǎn)品部件都通過了TüV產(chǎn)品服務(wù)的安全認證，認證為SIL3安全等級。

ABB Industrial IT 800xA HI 安全控制系統(tǒng)采用了兩種完全不同的控制器（PM865和SM811），每種控制器都采用了不同的處理器硬件和不同的實時操作系統(tǒng)軟件，兩種控制器共同組成控制器組一起工作以確保安全可靠的系統(tǒng)性能。主處理器模塊（PM865）和安全模塊（SM811）通過使用不同的處理器模塊以實現(xiàn)控制器嵌入式的硬件差異化，而軟件的差異化則是通過使用不同的操作系統(tǒng)、編譯器、編碼指南以及對控制器和安全模塊不同的編程實施來實現(xiàn)。為了避免系統(tǒng)的共因出錯問題，主處理器模塊和安全模塊由來自兩個不同國家的具有不同背景和經(jīng)驗的人員組成不同的團隊進行開發(fā)和測試。在執(zhí)行控制程序時兩個控制器同步運行，不斷表決并比較執(zhí)行結(jié)果。嵌入式差異化結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的冗余方案的優(yōu)點是每個模塊具有獨立的故障模式（可將潛在的共因失效故障概率降到最低），同時配合該系統(tǒng)強大的自診斷功能達到SIL-3標準。

ABB Industrial IT 800xA HI 安全控制系統(tǒng)將差異化技術(shù)擴展到I/O模塊上， I/O模塊也采用帶有嵌入式差異化技術(shù)的兩個信號通道：一個采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)，另一個采用微控制單元（MCU）。差異化冗余技術(shù)是系統(tǒng)在占用空間更小、散熱更佳的情況下達到SIL-3標準。S800安全I/O模塊，特別是輸出模塊，確?，F(xiàn)場輸出信號由兩個差異化路徑獨立執(zhí)行，每個通道都控制兩個現(xiàn)場觸點，確保系統(tǒng)的安全性。

特性與優(yōu)點：

? 四重化配置?？蓪崿F(xiàn)從單一到四重化的多種配置，可根據(jù)不同用戶的特定需求量身定做安全系統(tǒng)解決方案，同時優(yōu)化成本。

? 嵌入式高完整性控制及安全系統(tǒng)。控制和安全系統(tǒng)集成在一個統(tǒng)一的平臺上，消除接口、降低成本及系統(tǒng)復(fù)雜性、擴大了職能范圍。

? 高可用性。800xA HI安全系統(tǒng)的可用性高達99.999%以上，確保停車或生產(chǎn)中斷可能性被降到最低。

? 全面符合行業(yè)標準的安全功能。提供完整的安全儀表解決方案，符合IEC61508標準（包括符合SIL等級的控制器、I/O和儀表）。

? 安全服務(wù)。提供跨越設(shè)備資產(chǎn)及安全生命周期的服務(wù)，包括安全顧問、SIL等級評估、軟件及硬件技術(shù)支持和維護支持等。

4 結(jié)語

ABB公司為該項目提供的ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)（PCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS），既具備高度集成化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又可提供相對獨立的系統(tǒng)功能，該解決方案具備以下優(yōu)勢：

? 無論過程控制系統(tǒng)還是安全控制系統(tǒng)均使用統(tǒng)一的工程工具（CBM - Control Builder M），為工程設(shè)計、控制策略組態(tài)、流程圖繪制、信息管理、資源優(yōu)化、現(xiàn)場設(shè)備集成提供了簡單而又強大的工具和靈活的分布式工程環(huán)境。實現(xiàn)編程界面的簡潔統(tǒng)一，避免出現(xiàn)多種編程工具軟件，便于后期調(diào)試與維護；

? 在過程控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)間實現(xiàn)高效、安全的數(shù)據(jù)通訊，減少系統(tǒng)間的通訊接口，避免不同的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換；

? 統(tǒng)一的操作平臺使得操作人員更加及時、全面地得到相關(guān)信息，并完全消除了緊急情況下因系統(tǒng)平臺差異導(dǎo)致的錯誤；

? 降低成本，可減少多套不同系統(tǒng)帶來的運行維護成本和附加設(shè)備成本，例如可減少備件成本等。

該項目實現(xiàn)的過程控制系統(tǒng)（PCS）功能如下：

流程圖功能設(shè)計：

? 過程可視化；

? 現(xiàn)場總線管理；

? 靈活的報表生成和分發(fā)；

? 完善的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；

? 安全的歷史數(shù)據(jù)存儲和讀??；

? 集成的管理和組態(tài)；

? 保證批量生產(chǎn)的持續(xù)性、確保穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)周期等。

該項目實現(xiàn)的安全控制系統(tǒng)（SIS）功能如下：

? 通過SIS按鈕手動觸發(fā)緊急關(guān)停以隔離各個單元工藝設(shè)備；

? 通過系統(tǒng)的自動監(jiān)測儀表觸發(fā)緊急關(guān)停，對于輸入信號均經(jīng)過系統(tǒng)表決以確保報警或關(guān)停信號的有效性；

? 緊急關(guān)停的復(fù)位，聯(lián)鎖觸發(fā)條件必須經(jīng)人工確認并復(fù)位后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常生產(chǎn)狀態(tài)以保證生產(chǎn)的安全；

? 聯(lián)鎖旁路，SIS系統(tǒng)還提供了維修旁路和操作超馳按鈕，用于在不影響正常生產(chǎn)的情況下對設(shè)備進行在線測試和工藝系統(tǒng)初始啟動時關(guān)停信號的旁路，在旁路允許開關(guān)處于允許位置時，在SIS界面進行旁路操作等。

ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)充分利用自動化控制技術(shù)和信息處理技術(shù)，將不同但關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)之間的聯(lián)動調(diào)度控制，提高生產(chǎn)調(diào)度的工作效率，避免人為操作的不確定性，全面提升海上平臺的生產(chǎn)、經(jīng)營和管理的綜合能力。

[1] 中海石油 (中國) 有限公司天津分公司QK18-1綜合調(diào)整項目初步設(shè)計[Z]. 中國海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司, 2011.

[2] 中海石油 (中國) 有限公司天津分公司QK18-1綜合調(diào)整項目詳細設(shè)計[Z]. 中國海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司, 2012.

[3] ABB Industrial IT 800xA可擴展自動化系統(tǒng)技術(shù)手冊[Z].