海上石油生產(chǎn)過程及安全控制系統(tǒng)虛擬化解決方案

中海油中國有限公司恩平油田 何啟洪

海上石油生產(chǎn)過程及安全控制系統(tǒng)虛擬化解決方案

中海油中國有限公司恩平油田 何啟洪

有人認(rèn)為虛擬化技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來最重要的一次IT革命，主要是因為IT技術(shù)為經(jīng)濟和企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了諸多有利條件。筆者對此深表認(rèn)同，虛擬化技術(shù)不僅能夠簡化IT流程，還可用于企業(yè)經(jīng)營的方方面面，下至降低能源消耗，上至實現(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用的高可用性。石油和天然氣行業(yè)的各大企業(yè)都在不斷尋求減少風(fēng)險和意外停車的方法，力求保持最高的運營效率，而虛擬化技術(shù)及其展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢在此就顯得非常重要。

虛擬化技術(shù)

利用虛擬化技術(shù)可以“封裝”計算機，包括其操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序，使它能夠在主機上輕松運行。例如，可以將筆記本電腦或臺式機轉(zhuǎn)換為一臺虛擬計算機，從而能將它復(fù)制到另一臺主機上運行。

虛擬計算機（或虛擬機VM）文件包含除硬件設(shè)備外一切啟動運行應(yīng)用程序所需的內(nèi)容。若要運行虛擬機，需要借助虛擬軟件層在虛擬機與主機硬件之間實現(xiàn)映射，包括網(wǎng)絡(luò)連接映射、USB 端口映射，以及其他外圍設(shè)備映射。圖1說明了虛擬機 (VM)在主機上運行的工作原理。

圖1 虛擬機在主機上運行工作原理

虛擬化技術(shù)與海上油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)

虛擬化技術(shù)如此重要的原因之一在于：一套包括控制系統(tǒng)在內(nèi)的海上平臺或 FPSO（浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置）的平均生命周期至少為20年。但是，控制系統(tǒng)的控制器及其他組件所采用的技術(shù)日新月異，尤其配套的計算機硬件和操作系統(tǒng)通常每3~5年或者更短就需要更新一次。而計算機工作站的升級周期略長，大約為5~7年，如果不及時升級，系統(tǒng)性能會有所下降，進而影響企業(yè)生產(chǎn)。

這是個很有意思的數(shù)學(xué)問題，因為海上油氣生產(chǎn)的中控系統(tǒng)可以持續(xù)運行20年，而相應(yīng)的系統(tǒng)支持技術(shù)卻在不斷更新?lián)Q代?？刂葡到y(tǒng)的升級過程非常復(fù)雜，成本高昂并且耗時較長，在系統(tǒng)遷移過程中，需要供應(yīng)商不斷提供支持才能重新安裝所有應(yīng)用程序軟件，有些甚至需要重新升級控制系統(tǒng)。

圖2所示為海上油氣生產(chǎn)中控制系統(tǒng)的具體架構(gòu)。中控系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)平臺的核心部分，用于管理、監(jiān)測和控制所有生產(chǎn)和安全應(yīng)用的重要系統(tǒng)。這套集成自動化系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)平臺的核心部分，包含過程控制系統(tǒng)（DCS/PCS）、緊急停車系統(tǒng)（ESD）以及火氣系統(tǒng)（F&G）。中控系統(tǒng)通常需要配備多個工作站、工程師站和應(yīng)用站，它們都使用一臺裝有 Windows 操作系統(tǒng)的工業(yè)計算機。

圖2 海上油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)架構(gòu)

海上油氣生產(chǎn)中控系統(tǒng)計算機工作站關(guān)注的一個主要問題是MTTR（平均修復(fù)時間），該時間最多為2~4周（部分原因是計算機工作站通常不會被視為備件）。完成訂購后，維護工程師通常不能重新安裝所有系統(tǒng)應(yīng)用軟件。因此，系統(tǒng)的運行維護就要按供應(yīng)商的現(xiàn)場服務(wù)計劃來安排，而由此產(chǎn)生的意外停車和額外開銷則不可避免。

此外，缺乏技術(shù)資源也是一大難題，以操作員培訓(xùn)為例，培訓(xùn)成本非常昂貴（需要針對多個工作站）并且耗時較長。每個海

上油氣生產(chǎn)平臺通常只配備一名儀表控制工程師，而且在海上平臺上很難按陸上資源協(xié)調(diào)服務(wù)，因此海上平臺也很難獲得及時有效的技術(shù)支持。

虛擬化解決方案的優(yōu)勢

考慮到以上技術(shù)難題，虛擬化技術(shù)對于海上平臺中控系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造了巨大優(yōu)勢。虛擬化技術(shù)將會更改主機特定的軟硬件平臺，而裝有操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的傳統(tǒng)計算機站則會變成文件。這些文件在一臺通用主機上運行；一旦有新技術(shù)誕生，用戶可以方便快捷地升級或更改這臺平臺主機。

這一理念如圖3所示，圖中展示了采用虛擬化技術(shù)的中控系統(tǒng)典型架構(gòu)。在該架構(gòu)中，維護工程師只需管理一系列文件，無需管理整個系統(tǒng)的平臺。如果因任何原因?qū)е孪到y(tǒng)部分停車，主機不會受應(yīng)用軟件影響，換言之，如果主機出現(xiàn)故障，維護工程師只需將相關(guān)文件復(fù)制到新主機上，很快即可恢復(fù)系統(tǒng)運行。這一轉(zhuǎn)換過程無需致電供應(yīng)商尋求支持，也不會中斷生產(chǎn)。

圖3 虛擬化技術(shù)的中控系統(tǒng)典型架構(gòu)

圖4所示的虛擬化解決方案適用于要求自動備份和冗余的應(yīng)用，這是海上平臺尤其是操作員的必備要求，以便在確保最長運行時間和最短操作中斷的同時為人員、資產(chǎn)和環(huán)境提供最高級別的安全保護。

圖4 虛擬化解決方案

虛擬化解決方案提供的完全容錯功能適用于所有工作站應(yīng)用。圖5和圖6介紹了如何借助容錯選項在兩個物理服務(wù)器上同步執(zhí)行多個虛擬機，從而在發(fā)生硬件故障時實現(xiàn)無擾動故障切換。

圖5

圖6

結(jié)語

影響虛擬化技術(shù)在海上油氣生產(chǎn)中控系統(tǒng)中應(yīng)用的四大要點如下：

（1）理解升級周期。虛擬化有助于延長整個系統(tǒng)的使用壽命，因此用戶可以制定升級周期，有計劃且可預(yù)測地完成升級。現(xiàn)在，升級服務(wù)器工作站時不必考慮硬件問題，也不需要工程設(shè)計介入。

（2）了解局限所在。借助虛擬化，用戶可以讓多個應(yīng)用安全地共享同一服務(wù)器，通過合并服務(wù)器實現(xiàn)更高的服務(wù)器利用率。

（3）評估管理需求。軟件升級和補丁可以集中部署。故障客戶端的復(fù)位和新系統(tǒng)的部署能夠以同樣的方式完成。災(zāi)難恢復(fù)也可集中進行，同時由于能夠集中授予和撤消用戶訪問權(quán)限，安全性也得到了進一步加強。

（4）減少故障發(fā)生。采用物理服務(wù)器時，機器發(fā)生故障往往等同于停車或處于極大停車風(fēng)險之下，而采用虛擬化技術(shù)時則不然。主機會對彼此及各自的虛擬機進行故障監(jiān)視。如果虛擬機出現(xiàn)故障，它將自動在另一個具有可用資源的位置重新啟動。

這意味著隨著虛擬化技術(shù)與海上油氣生產(chǎn)中控系統(tǒng)相結(jié)合，海上油氣生產(chǎn)自動化領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生翻天覆地的變化。自動化供應(yīng)商將會充分利用虛擬化技術(shù)的各項優(yōu)勢和最佳實踐，這對于幫助石油和天然氣企業(yè)了解虛擬化部署前需考慮的關(guān)鍵事項至關(guān)重要。

對于有意采用使用虛擬化技術(shù)中控系統(tǒng)的企業(yè)，這些最佳實踐將有助于簡化技術(shù)過渡過程并采取正確的步驟確保中控系統(tǒng)的可用性，從而保持生產(chǎn)持續(xù)進行。停車是海上生產(chǎn)的最大隱患，而虛擬化技術(shù)能夠使系統(tǒng)的可用性得以提升，在增加可靠性的同時縮短停車時間并降低系統(tǒng)風(fēng)險。

何啟洪（1973-），男，廣東肇慶人，工程師，工程碩士，現(xiàn)就職于中海油中國有限公司恩平油田聯(lián)合開發(fā)項目管理團隊設(shè)計工程部，主要研究方向為控制工程。