FPSO中央控制系統(tǒng)構(gòu)架淺析

朱靜波，張海龍，郭曉波（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

?

FPSO中央控制系統(tǒng)構(gòu)架淺析

朱靜波，張海龍，郭曉波
（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

摘 要：在現(xiàn)代海工項(xiàng)目中，中央集成控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱中控系統(tǒng)）的系統(tǒng)集成度越來越高，在整個(gè)項(xiàng)目中承擔(dān)著越來越重要的角色，故對(duì)于系統(tǒng)的完整性和安全性等的設(shè)計(jì)要求也就越來越高。文章以某大型FPSO中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，從系統(tǒng)的冗余性、高集成化和獨(dú)特性等方面來分析整個(gè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：FPSO；中央控制系統(tǒng)；冗余；自動(dòng)化控制

0 引言

就FPSO中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，該系統(tǒng)的主要功能是保證人身安全、保證生產(chǎn)的持續(xù)性、保護(hù)原油系統(tǒng)和整體浮式油輪及其設(shè)施。該系統(tǒng)不僅要滿足有關(guān)船級(jí)社規(guī)范［1］和相關(guān)規(guī)范規(guī)則［2，3］的要求，還需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的完整性、冗余性、安全性、自動(dòng)化控制程度以及與其他系統(tǒng)的接口。

1 項(xiàng)目概述

FPSO（Floating Production Storage Offloading）是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置，是全海式油田開發(fā)工程中的核心單元。FPSO是對(duì)開采的石油進(jìn)行油氣分離、處理含油污水、動(dòng)力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性大型海上石油生產(chǎn)基地。與其他形式的石油生產(chǎn)平臺(tái)相比，F(xiàn)PSO具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油能力大以及可轉(zhuǎn)移和重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適合于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)方式。FPSO作為一種海上生產(chǎn)設(shè)施，通常為船型，集海上油氣處理、儲(chǔ)存、外輸、生活和動(dòng)力于一體，長(zhǎng)期系泊于固定海域，所以為非自航船。

2 中央控制系統(tǒng)構(gòu)架

2.1系統(tǒng)的組成

FPSO集成了多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，如全船過程控制系統(tǒng)（HCS）、應(yīng)急切斷系統(tǒng)（ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS）等。

HCS包含全船過程控制系統(tǒng)功能，主要有：設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)指示和報(bào)警；模擬量的控制；開關(guān)量的控制；歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。該系統(tǒng)還監(jiān)測(cè)所有帶電儀表的信號(hào)。

HSD執(zhí)行使全船設(shè)備處于安全狀態(tài)下所有必要?jiǎng)幼?，預(yù)防全船出現(xiàn)危險(xiǎn)。主要作用有：設(shè)備的切斷，準(zhǔn)備棄船、應(yīng)急狀態(tài)下的順序處理等。HSD系統(tǒng)根據(jù)全船過程狀況以及在指定限制外發(fā)生的情況去執(zhí)行動(dòng)作發(fā)起切斷，來保護(hù)設(shè)備被損壞而長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)的生產(chǎn)干擾，以及避免危險(xiǎn)情況的進(jìn)一步發(fā)展。HSD系統(tǒng)能夠減小受環(huán)境影響的生產(chǎn)過程時(shí)間及個(gè)人的損失。HSD的連鎖動(dòng)作必須與HCS系統(tǒng)隔離并獨(dú)立。

HFGS主要功能有：火警探測(cè)和消防動(dòng)作；氣體探測(cè)；與通用報(bào)警和廣播有接口發(fā)出警報(bào)；與通風(fēng)專業(yè)有接口實(shí)現(xiàn)風(fēng)油切斷。應(yīng)急切斷功能的實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行是通過火氣系統(tǒng)的確認(rèn)，由中央控制系統(tǒng)中的HFGS來執(zhí)行，并且不允許獨(dú)立的可尋址火警系統(tǒng)去執(zhí)行這個(gè)功能。

HFGS系統(tǒng)與可尋址火警系統(tǒng)的關(guān)系：通過可尋址火災(zāi)盤、溫度、感煙探頭和可尋址手動(dòng)報(bào)警按鈕等形成一個(gè)探測(cè)和宣布著火的數(shù)字量系統(tǒng)，所有的內(nèi)部連接都是通過雙冗余的閉環(huán)通訊形式連接到HFGS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

FPSO整個(gè)中央控制系統(tǒng)框架見圖1，該中控系統(tǒng)分為四個(gè)層級(jí)：

第一級(jí)：HMI人機(jī)界面。FPSO共有五套A～G人機(jī)界面工作站，通過冗余的網(wǎng)絡(luò)電纜與服務(wù)器連接，HMI人機(jī)界面窗口顯示以下功能：通過圖像顯示所有工藝和過程，包括撬塊單元；顯示和記錄各種設(shè)備的狀態(tài)信息；通過顯示屏中的命令按鈕來起停和開關(guān)設(shè)備；有歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖、有關(guān)每一層切斷的因果關(guān)系的因果邏輯圖、安全邏輯圖、顯示火氣探測(cè)的結(jié)果、哪些區(qū)域是否著火；報(bào)警和事件的管理等。接收并顯示子系統(tǒng)處理模塊傳遞的信息，并輸出控制信號(hào)，控制就地的相關(guān)設(shè)備，該設(shè)備放在中控室（CCR）。

圖1　FPSO中央控制系統(tǒng)框架

第二級(jí)：子系統(tǒng)的服務(wù)器柜和處理模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。FPSO有一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，雙冗余備份。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器連接到過程控制系統(tǒng)、應(yīng)急切斷系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器；歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器連接到撬塊單元服務(wù)器；所有數(shù)據(jù)3 s需要更新一次，并且能至少保持存儲(chǔ)20天，每個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器帶有一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)記錄單元，可以至少存儲(chǔ)48h，就是所謂的黑匣子功能。

FPSO還有一個(gè)處理柜，包含過程控制、應(yīng)急切斷、火氣等三個(gè)系統(tǒng)，通過雙冗余的網(wǎng)絡(luò)電纜連接服務(wù)器和就地信號(hào)采集柜，將就地儀表柜采集的信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)處理模塊處理后，傳遞到人機(jī)操作界面。同時(shí)將收到的操作者的操作命令，通過現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集柜發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)。這些子系統(tǒng)的處理模塊做成標(biāo)準(zhǔn)的控制箱柜，集中放置在儀表間（LIR）。

第三級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集柜（I/O panel，即 I/O柜）共有7個(gè)，每個(gè)采集柜內(nèi)分成3屏～4屏，含有HCS、ESD和FGS三個(gè)獨(dú)立又有關(guān)聯(lián)的采集模塊。采集柜用于收集現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)，并通過相應(yīng)I/O模塊，將采集到的信號(hào)存放在相應(yīng)地址里，便于處理模塊的選擇與讀取，并將處理模塊發(fā)送的控制信號(hào)發(fā)送給就地設(shè)備。7個(gè)I/O柜之間是通過雙冗余的光纖形成環(huán)路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。這些現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集柜放置在全船各個(gè)位置，通常會(huì)根據(jù)就地儀表或設(shè)備集中區(qū)域進(jìn)行布置。

第四級(jí)：就地儀表及設(shè)備，包括各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置。現(xiàn)場(chǎng)儀表的自帶處理模塊，將采集到的溫度、壓力、行程等信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集柜中的HCS采集模塊，火氣探頭信號(hào)傳送到FGS采集模塊。

2.2系統(tǒng)電源和接口

2.2.1系統(tǒng)電源

整個(gè)中控系統(tǒng)以及相關(guān)的設(shè)備需要由兩路隔離且獨(dú)立的不間斷電源箱供電，對(duì)于就地儀表需要24 V直流電源，由中控系統(tǒng)的輸入輸出模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.2.2系統(tǒng)接口

1）系統(tǒng)與撬塊單元的接口

為了與中控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的集成接口，以及更有利于信息交換，根據(jù)中控系統(tǒng)和自動(dòng)化集成的程度，撬塊單元可以定義成三大類：

（1）P0設(shè)備：該撬塊沒有就地控制箱，由中控控制并且保護(hù)，該撬塊的就地儀表信號(hào)通過電纜接到撬塊上的接線盒，這些接線盒再接到信號(hào)采集柜（I/O柜）中相對(duì)應(yīng)的HCS、ESD、FGS采集模塊，由中控直接進(jìn)行操作控制和切斷。

（2）P1設(shè)備：該撬塊有自己的就地控制箱，相關(guān)信號(hào)接進(jìn)中控系統(tǒng)。該撬塊的信號(hào)直接通過電纜或接線箱接到就地盤（LCP），而就地盤再通過硬線接入中控系統(tǒng)，中控系統(tǒng)僅僅監(jiān)控就地盤。

主要接入的四組信號(hào)為：應(yīng)急關(guān)斷狀態(tài)信號(hào)（UAS，Unit Shutdown Signal，DI）、通用報(bào)警信號(hào)（UAM，Unit Malfunctioning Alarm，DI）、運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)（YSHL，Running/Stop signal）、應(yīng)急關(guān)斷信號(hào)（XSL，Unit Shutdown Signal，DO），可以根據(jù)實(shí)際使用情況增加相關(guān)信號(hào)接口，如遙控啟停等。

（3）P2設(shè)備：該設(shè)備有自己的就地控制箱并且在中控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。該撬塊的信號(hào)直接通過電纜或者接線箱接到就地盤（LCP），該就地盤帶有人機(jī)界面和處理模塊，可以自己控制、監(jiān)測(cè)、作連鎖等，同樣具有P1設(shè)備的功能以外，還增加了一個(gè)串行信號(hào)（網(wǎng)線或者光纖通訊），通過冗余的網(wǎng)絡(luò)接進(jìn)中控的網(wǎng)關(guān)，由中控系統(tǒng)進(jìn)行記錄、遠(yuǎn)程控制、連鎖和監(jiān)測(cè)等。

2）系統(tǒng)與以下獨(dú)立系統(tǒng)的接口

（1）電力功率管理系統(tǒng)；

（2）裝載計(jì)算機(jī)和液位遙測(cè)系統(tǒng)；

（3）位置參考系統(tǒng)；

（4）油水分析儀；

（5）卸油監(jiān)測(cè)和測(cè)量系統(tǒng)（OMTS）；

（6）原油計(jì)量系統(tǒng)；

（7）惰氣發(fā)生器系統(tǒng)；

（8）貨泵和壓載泵控制系統(tǒng)。

中控系統(tǒng)通過與以上各系統(tǒng)的連接實(shí)現(xiàn)了高集成化，見圖2。

圖2　FPSO的接口邏輯圖

2.3系統(tǒng)的特點(diǎn)

通過FPSO中央控制系統(tǒng)的組成，對(duì)該系統(tǒng)組合的描述，能看出整個(gè)系統(tǒng)高冗余性，所有通訊網(wǎng)絡(luò)在管理、控制和聯(lián)鎖這一層需要冗余，數(shù)據(jù)服務(wù)器具有內(nèi)部熱備的功能，每個(gè)系統(tǒng)也需要冗余。

使用這種系統(tǒng)的集成，便于全船散點(diǎn)信號(hào)的收集，也可以共用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，共用HMI人機(jī)界面，便于操作人員的安全快捷操作。

7個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集柜的冗余環(huán)路連接也是FPSO項(xiàng)目中控系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，見圖3。由圖3可知，通過中控處理柜中的三大系統(tǒng)HCS、ESD和FGS，分別通過雙冗余光纖接到現(xiàn)場(chǎng)采集柜的A柜中的相對(duì)應(yīng)的HCS、ESD和FGS系統(tǒng)，然后A柜再通過雙冗余的光纖接到下一個(gè)采集柜D柜，一直串聯(lián)到最后一個(gè)采集柜G柜，最終接到中控的處理柜，形成一個(gè)冗余的環(huán)路。這樣使整個(gè)采集系統(tǒng)安全可靠，可以互相傳輸信號(hào)，節(jié)省電纜。

圖3　FPSO現(xiàn)場(chǎng)采集柜結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

在進(jìn)行大型FPSO中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮全船設(shè)備、撬塊和系統(tǒng)的分類，進(jìn)行集成化和自動(dòng)化的程度，整個(gè)系統(tǒng)冗余的程度，三大系統(tǒng)HCS、ESD和FGS是否獨(dú)立還是組合進(jìn)中控系統(tǒng)，都需要明確，以便更好地設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。本文以理論與實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合，但本文僅在整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架上做了闡述，更多細(xì)節(jié)的仍需在今后的設(shè)計(jì)和實(shí)踐中進(jìn)一步總結(jié)和歸納，并希望能為類似的海工項(xiàng)目提供一些參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］ ABS. ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］. 2010.

［2］ IEC 60092-201 Electrical Installations in Ships - Part 201： System Design - General［S］. 1994.

［3］ IEEE std 242 IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems［S］. 2001.

［4］ 黃健章. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2013.

中圖分類號(hào)：U665.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.005

作者簡(jiǎn)介：朱靜波（1986—），女，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程電氣專業(yè)設(shè)計(jì)。

Simple Analysis of FPSO Central Control System Architecture

Zhu Jing-bo， Zhang Hai-long， Guo Xiao-bo
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Abstract：In modern offshore projects， the central control system （CCS） becomes more and more important with high integration and plays a more and more significant role in whole project. So the design demands for the integration and safety of the system are also higher and higher. The article， based on the design of the FPSO central control system， analyzes the whole system from the aspects of redundancy，completion and safety.

Key words：FPSO； central control system； redundancy； automation control