安全控制系統(tǒng)在油氣田處理裝置的應(yīng)用

紀(jì)玉學(xué)（ABB（中國(guó)）有限公司，北京 100015）

楊超（中國(guó)石化國(guó)際石油工程有限公司-阿爾及利亞分公司，阿爾及利亞英納梅那斯 33200）

安全控制系統(tǒng)在油氣田處理裝置的應(yīng)用

紀(jì)玉學(xué)（ABB（中國(guó)）有限公司，北京 100015）

楊超（中國(guó)石化國(guó)際石油工程有限公司-阿爾及利亞分公司，阿爾及利亞英納梅那斯 33200）

以安全控制系統(tǒng)在阿爾及利亞Zarzaitine油田的應(yīng)用，介紹安全控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件組態(tài)，以及安全控制系統(tǒng)容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

安全控制系統(tǒng)；四重化；油氣處理

Zarzaitine油田提高采收率工程是中國(guó)石化開拓阿爾及利亞石油天然氣市場(chǎng)所獲得的第一個(gè)石油開發(fā)合作項(xiàng)目。該油田位于撒哈拉沙漠東部與利比亞邊境毗鄰的伊利奇（Illizi）盆地，距阿爾及利亞首都1500公里?，F(xiàn)已正式投產(chǎn)。

為了應(yīng)對(duì)裝置意外事故，Zarzaitine油田設(shè)計(jì)使用了三套安全控制系統(tǒng)（Safety Control System，SCS），分別安裝在處理站（CPIE和CTE）和儲(chǔ)油站（C4）。安全控制系統(tǒng)是能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的危險(xiǎn)，以及不采取緊急措施將會(huì)繼續(xù)惡化的狀態(tài)，迅速做出響應(yīng)并關(guān)斷保護(hù)的系統(tǒng)，可保護(hù)裝置平穩(wěn)運(yùn)行，特別是對(duì)消除重大災(zāi)難性事故，保證人員和裝置安全具有至關(guān)重要的作用。該系統(tǒng)是適用于高溫、高壓、易燃及易爆等連續(xù)性生產(chǎn)裝置的安全保護(hù)系統(tǒng)。在此，以中國(guó)石化在阿爾及利亞Zarzaitine油田處理裝置中的應(yīng)用為例，介紹其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能。

1 阿爾及利亞Zarzaitine油田處理裝置控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖1所示，Zarzaitine油田處理裝置控制系統(tǒng)由3套DCS系統(tǒng)和3套SCS系統(tǒng)構(gòu)成，分別安裝在儲(chǔ)油站和處理站。以儲(chǔ)油站（C4）為中心，采用多系統(tǒng)集成的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸、生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄的存儲(chǔ)與打印，生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)和生產(chǎn)報(bào)表的自動(dòng)采集、生成及存儲(chǔ)等功能。在儲(chǔ)油站（C4）和處理站（CPIE和CTE）分別安裝了一套SCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)處理流程的一級(jí)關(guān)斷，處理站停運(yùn)/停輸或儲(chǔ)油站停運(yùn)/停輸二級(jí)關(guān)斷，單體設(shè)備緊急停車三級(jí)關(guān)斷。

圖1 Zarzaitine油田處理站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 安全控制系統(tǒng)硬件配置

Zarzaitine油田處理裝置采用的是ABB Industrial IT800xA可擴(kuò)展自動(dòng)化系統(tǒng)，包括過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）和安全控制系統(tǒng)（SCS）。該項(xiàng)目采用的安全控制系統(tǒng)為四重化配置，安全控制器和安全I(xiàn)/O模塊均基于ABB的“嵌入式差異化”技術(shù)，認(rèn)證為SIL-3安全等級(jí)。

SCS控制系統(tǒng)包括主處理器（PM865）、 協(xié)同處理器（SM811）、輸入/輸出模塊、電源模塊及通訊模塊等，所有模塊采用導(dǎo)軌式安裝，側(cè)面插針式連接。這些模塊、輔助儀表和接線端子集成安裝于及機(jī)柜中。SCS控制器由高可靠性硬件組成，其特點(diǎn)是容錯(cuò)功能（Hardware Implemented Fault Tolerance, HIFT）和四重化模塊冗余結(jié)構(gòu) (Quadruple Modular Redundant，QMR) 。HIFT是通過(guò)硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和冗余管理功能，與軟件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)相比，減少了處理器的工作負(fù)荷，使得控制反應(yīng)時(shí)間更短，可靠性更高。QMR即SCS的關(guān)鍵電路均實(shí)現(xiàn)四重化，安全控制器和安全I(xiàn)/O模塊均基于ABB的“嵌入式差異化”技術(shù)，控制器和I/O模塊擁有嵌入式差異化并行處理路徑，其中通道間的主動(dòng)差異校驗(yàn)得益于內(nèi)部主動(dòng)診斷。嵌入式差異化結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的冗余方案的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)模塊具有獨(dú)立的故障模式（可將潛在的共因失效故障概率降到最低）。輸入/輸出模塊也采用帶有嵌入式差異化技術(shù)的兩個(gè)信號(hào)通道：一個(gè)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)技術(shù)，另一個(gè)采用微控制單元 (MCPU) 。這樣的硬件結(jié)構(gòu)保證了SCS系統(tǒng)具有較高的可靠性和可用性。如圖2所示。

圖2 SCS系統(tǒng)架構(gòu)

工程師站及操作站選用工業(yè)級(jí)工作站，配備系統(tǒng)組態(tài)和監(jiān)控軟件，兼具儀表工程組態(tài)維護(hù)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控功能，并采用用戶分組、口令登錄方式實(shí)現(xiàn)操作環(huán)境的轉(zhuǎn)換。工作站配有以太網(wǎng)卡，冗余配置，基于TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)與SCS系統(tǒng)通訊模塊建立雙向數(shù)據(jù)通訊，用于監(jiān)控和組態(tài)數(shù)據(jù)的上傳和下裝。

輔助操作臺(tái)用于緊急關(guān)斷閥的手動(dòng)操作，緊急關(guān)斷、火災(zāi)和可燃?xì)怏w運(yùn)行狀態(tài)指示，臺(tái)面布置有SCS邏輯投用/切換開關(guān)、手動(dòng)操作鑰匙開關(guān)和信號(hào)狀態(tài)指示燈。上述開關(guān)及指示燈與SCS系統(tǒng)的輸入/輸出模塊通過(guò)硬接線連接。

工程師站兼做事件順序記錄站（Sequence of Event，SOE）,是指在每次掃描期間，SCS處理器檢查所指定的，被稱為事件的離散變量的狀態(tài)改變，當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，輸入/輸出模塊將變量的當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間作為SOE記錄存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)，時(shí)間標(biāo)簽精度可達(dá)到1ms。SOE記錄由打印機(jī)輸出或轉(zhuǎn)換為SOE.LOG文件存儲(chǔ)于工作站硬盤，SOE記錄按變量狀態(tài)改變時(shí)間的先后順序排列，這有利于聯(lián)鎖動(dòng)作后的分析診斷。

3 安全控制系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)與組態(tài)應(yīng)用

3.1 控制網(wǎng)絡(luò)

該項(xiàng)目采用的交換機(jī)為工業(yè)級(jí)交換機(jī)，冗余配置，具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)故障信息可以在操作員站中識(shí)別和記錄。儲(chǔ)油站和處理站通過(guò)光纜連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。服務(wù)器、控制器和網(wǎng)絡(luò)均為冗余配置，提高系統(tǒng)的可靠性。

控制網(wǎng)絡(luò)可配置為星型或環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。SCS控制器帶有2個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)接口，采用網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議RNRP (Redundant Network Routing Protocol) ：

（1）可連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通路的狀態(tài)，故障時(shí)報(bào)警，自動(dòng)切換；

（2）高、底層的協(xié)議是透明的，完全兼容TCP/IP/Ethernet；

（3）每一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到兩個(gè)完全獨(dú)立的以太網(wǎng)；

（4）每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)IP地址；

（5）主IP地址用于節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)；

（6）主網(wǎng)路故障時(shí)RNRP將自動(dòng)完成通路的切換。

網(wǎng)絡(luò)的最上層為信息管理網(wǎng)，配置硬件防火墻，通過(guò)OPC通訊協(xié)議同工廠信息管理網(wǎng)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸，既滿足生產(chǎn)管理信息的外輸需求，又可保證系統(tǒng)的安全；中間層為過(guò)程控制網(wǎng)，采用高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)作為其過(guò)程控制網(wǎng)，連接工作站、服務(wù)器和控制站，傳輸實(shí)時(shí)信息；底層為控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊，采用高速通訊系統(tǒng)Module Bus總線，通訊速率10Mb/s，是控制器與各I/O站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的通道。

系統(tǒng)通過(guò)過(guò)程控制網(wǎng)連接工作站、服務(wù)器與控制站，完成站與站之間的數(shù)據(jù)交換。過(guò)程控制網(wǎng)可以連接多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)成為組合結(jié)構(gòu)；每個(gè)控制站的容量可以滿足一般裝置的需要，以I/O站為單位，一個(gè)控制站可以擴(kuò)展到7個(gè)I/O站和96個(gè)I/O模塊。每個(gè)I/O模塊均帶有專用微處理器，可以對(duì)模塊進(jìn)行控制、運(yùn)算、檢測(cè)、處理與診斷，使系統(tǒng)的可靠性得以提高。

3.2 軟件組態(tài)

每套SCS系統(tǒng)都提高了基于Windows平臺(tái)的系統(tǒng)組態(tài)軟件——Control Builder Safe，該軟件安裝于工程師站中，可用于進(jìn)行系統(tǒng)硬件配置、定義輸入/輸出，還可調(diào)用各種功能塊進(jìn)行控制程序組態(tài)，組態(tài)界面同DCS系統(tǒng)完全一致，區(qū)別在于SCS系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫(kù)（Library）滿足SIL-3安全等級(jí)認(rèn)證。該軟件還具備離線仿真測(cè)試功能，包括軟控制器（Soft-Controller）模塊，可以用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷、在線維護(hù)及控制邏輯的模擬測(cè)試。

3.3 人機(jī)界面

ABB Industrial IT800xA系統(tǒng)軟件具有中文顯示、界面友好和易于操作的特點(diǎn)。操作畫面的設(shè)計(jì)采用主菜單形式，可設(shè)置按鈕進(jìn)行切換，主要包括主菜單、工藝流程圖、總貌、報(bào)表、報(bào)警及歷史趨勢(shì)等畫面。主菜單畫面中匯總了各個(gè)畫面的按鈕，操作人員根據(jù)維護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際需要進(jìn)入各個(gè)畫面進(jìn)行監(jiān)視并操作。基于Windows系列操作系統(tǒng)，大量采用Windows標(biāo)準(zhǔn)控件，使得操作保持一致性。同時(shí)提供了在線幫助功能。

4 結(jié)語(yǔ)

Zarzaitine油田的儲(chǔ)油站和處理站分別設(shè)計(jì)安裝了安全控制系統(tǒng)后，對(duì)防止和杜絕生產(chǎn)裝置發(fā)生重大或?yàn)?zāi)難性的事故，在人員的安全、健康和裝置安全生產(chǎn)方面起到至關(guān)重要的作用，對(duì)同類油氣處理裝置的設(shè)計(jì)和改造有一定的參考意義。同時(shí)對(duì)操作、控制和維護(hù)的要求也愈發(fā)嚴(yán)格，任何影響到裝置安全的誤操作或維修失誤都可能導(dǎo)致關(guān)斷停產(chǎn)，因而對(duì)操作和維護(hù)人員素質(zhì)的要求也就更高。

[1] CH2MHILL VECO Engineering Ltd.，GENERAL SPECIFICATIONS FOR SAFETY CONTROL SYSTEM，PROJECT DEVELOPMENT OF OILFIELD ZARAAITINE[Z]. 2013.

[2] CH2MHILL VECO Engineering Ltd.，MATERIAL REQUISTION FOR SAFETY CONTROL SYSTEM (C4, CPIE, CTE) ，PROJECT DEVELOPMENT OF OILFIELD ZARAAITINE[Z]. 2013.

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

Application of the Security Control System in Oil and Gas Processing Unit

This paper introduces the application of the security control system in Algeria Zarzaitine oilfield. The hardware and software configuration of the security control system and the advantages of the fault tolerant structure of the system are also given.

Security control system; QMR; Oil and gas processing unit

紀(jì)玉學(xué)（1981-），男，黑龍江人，工程師，本科，現(xiàn)就職于ABB（中國(guó)）有限公司，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用。

B

1003-0492(2015)09-0086-02

TP273

楊超（1983-），男，遼寧人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)石化國(guó)際石油工程有限公司-阿爾及利亞分公司，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用。