海上平臺中控系統(tǒng)控制器超負荷優(yōu)化改造

趙海亞，陳文林，肖鵬

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

海上平臺中控系統(tǒng)控制器超負荷優(yōu)化改造

趙海亞，陳文林，肖鵬

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

介紹了海上平臺中控系統(tǒng)的應用情況，并對中控系統(tǒng)控制器超負荷的問題進行了深入的研究和分析，通過新增PRP-CCR冗余控制器對中控系統(tǒng)控制器優(yōu)化改造，達到了降低控制器負荷的目的，徹底解決了因中控系統(tǒng)超負荷而導致生產(chǎn)關停的風險，保證了平臺的正常安全生產(chǎn)，同時節(jié)約了改造成本，具有顯著的經(jīng)濟效益。

海上平臺 過程控制系統(tǒng) 控制器 超負荷

某氣田海上平臺的中央控制系統(tǒng)(簡稱中控系統(tǒng))主要包括： 過程控制系統(tǒng)(PCS)、緊急停車系統(tǒng)(ESD)和火氣監(jiān)控系統(tǒng)(F&G)，其中PCS采用DeltaV系統(tǒng)。該中控系統(tǒng)在歷年的維保過程中，發(fā)現(xiàn)位于中心控制室(CCR)控制機柜的PRP-CCR控制器負荷率為86%，空置率不足15%。PRP-CCR控制器是平臺中控系統(tǒng)的控制核心，處理器冗余數(shù)據(jù)交換會占據(jù)負載，中控系統(tǒng)存在因控制器負荷過高而導致生產(chǎn)關停的潛在風險，對中控系統(tǒng)控制器超負荷進行優(yōu)化改造顯得尤為必要且迫切。

1 海上平臺中控系統(tǒng)簡介

該中控系統(tǒng)中的PCS，ESD，F(xiàn)&G相互獨立，通過系統(tǒng)集成將其組合為1套完整的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)人機界面和數(shù)據(jù)的共享。其中，PCS主要包含控制處理器、操作員站、服務器(工程師站)、報警和報表打印機、數(shù)據(jù)高速通信網(wǎng)等。硬件組成包括MD Plus控制器、通信模塊、直流24 V/12 V電源模塊以及AI，AO，DI，DO卡。

1) 控制機柜。DeltaV系統(tǒng)有2套控制機柜，1套位于CCR控制機柜內，另1套位于維修車間的遠程I/O控制機柜(RIO)內。

2) 控制網(wǎng)絡。DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡是以TCP/IP以太網(wǎng)絡為基礎的冗余的局域網(wǎng)，由于以太網(wǎng)信號在傳輸過程中會衰減，該氣田維修車間的RIO與CCR控制機柜的控制器之間的采用光纖進行通信。

3) ESD，F(xiàn)&G與PCS通過TCP/IP以太網(wǎng)絡進行通信。

2 中控系統(tǒng)存在的問題及故障原因分析

2.1 中控系統(tǒng)存在的問題

在歷年的中控系統(tǒng)維保過程中，發(fā)現(xiàn)PRP-CCR控制器負荷使用率為86%，空置率不足15%，已經(jīng)超過了控制器允許的最大安全負荷率，如果再往PRP-CCR控制器里下裝新的組態(tài)數(shù)據(jù)，主從控制器冗余同步就會斷開，會影響中控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，中控系統(tǒng)存在控制器負荷過高而導致生產(chǎn)關停的潛在風險。

2.2 故障原因分析

DeltaV控制系統(tǒng)的特點： 負載跟組態(tài)Module數(shù)據(jù)模塊的數(shù)量密切相關，跨控制器的數(shù)據(jù)通信并不影響控制器的運行。

通過對該平臺的DeltaV控制系統(tǒng)的組態(tài)進行仔細的研究發(fā)現(xiàn)，PRP-CCR控制器承擔了中控系統(tǒng)的大部分組態(tài)數(shù)據(jù)模塊的運算，各個不同系統(tǒng)占用的數(shù)據(jù)模塊數(shù)量如下： PRP-CCR控制器的PCS數(shù)據(jù)模塊71個、與ESD系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)模塊478個、與F&G系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)模塊464個、OPC通信數(shù)據(jù)模塊158個、與其他PLC設備通信的數(shù)據(jù)模塊139個。從中可以明顯地看出，其中與ESD和F&G兩大系統(tǒng)通信的Module數(shù)據(jù)模塊數(shù)量最多。

3 降低負荷探索與分析

3.1 PRP-RIO控制器均衡負荷

相比PRP-CCR控制器，位于維修車間的PRP-RIO控制器的負荷使用率相對較小，其負荷使用率只有17%。

通過以上分析比較，2個控制器的負荷分配嚴重不均衡。要想解決PRP-CCR控制器超負荷的問題，就需將PRP-CCR控制器的負荷分解出去。

經(jīng)過仔細觀察，發(fā)現(xiàn)PRP-CCR控制器中有158個OPC通信的Module數(shù)據(jù)通信模塊是讀取另外1個平臺的工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)，只是在中控系統(tǒng)的操作畫面上顯示，該部分通信數(shù)據(jù)模塊對于平臺的正常生產(chǎn)影響不大。于是筆者嘗試將該部分OPC數(shù)據(jù)通信模塊從PRP-CCR控制器轉移至PRP-RIO控制器進行運算處理，成功地將PRP-CCR控制器的負荷使用率從原來的86%降到了70%，PRP-CCR控制器的負荷使用率得到明顯降低。

如需進一步降低PRP-CCR控制器的負荷，則需要轉移更多的數(shù)據(jù)模塊。PRP-RIO控制器至PRP-CCR控制器的通信距離較遠，通過光纖轉為TCP/IP以太網(wǎng)絡進行通信，在中控系統(tǒng)操作站讀取PRP-RIO數(shù)據(jù)需要先經(jīng)過PRP-CCR控制器，相當于在數(shù)據(jù)傳輸過程中多了一級控制器。目前PRP-CCR控制器中余下的數(shù)據(jù)模塊中，F(xiàn)&G和ESD的數(shù)據(jù)模塊占據(jù)了80%。若將F&G和ESD的數(shù)據(jù)模塊轉移到PRP-RIO控制器處理運行，則會增加以太網(wǎng)絡通信的負擔，降低處理速度；并且F&G和ESD屬于該氣田平臺的兩大關鍵系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)遷移下裝過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動，從而增大生產(chǎn)關停的風險。

3.2 新增PRP-CCR冗余控制器

根據(jù)技術經(jīng)驗，想要降低控制器的負荷，提升中控系統(tǒng)的運行控制質量有以下兩種改造方案：

1) 升級DeltaV系統(tǒng)的控制器。通過購買最新版的、功能更強大的控制器，可以滿足運行負荷的需求，成本約140萬元，但需停產(chǎn)進行。

2) 新增1對冗余的控制器。在不升級控制系統(tǒng)的情況下，在原有的PRP-CCR控制器的基礎上，新增1對冗余的控制器來分解負載，降低原有PRP-CCR控制器的負荷使用率。該方式需要相同型號的控制器、電源、背板各2套，采購備件成本約10萬元人民幣，可以在不停產(chǎn)的情況下自主完成。

新增的冗余控制器與原有控制器一樣，均作為DeltaV系統(tǒng)中的1個節(jié)點，只需要增加普通的網(wǎng)線，通過CCR控制機柜內的網(wǎng)絡交換機直接接入DeltaV系統(tǒng)網(wǎng)絡進行通信，很好地保證了信息的傳輸速率以及控制器的反應速度。

4 優(yōu)化改造過程

4.1 硬件安裝階段

在第一次將通信Module數(shù)據(jù)模塊從PRP-CCR控制器轉移至PRP-RIO控制器運算之后，在后續(xù)的中控系統(tǒng)維護中發(fā)現(xiàn)： 雖然PRP-CCR控制器的負荷使用率降到了70%，但是在向PRP-CCR控制器繼續(xù)下裝數(shù)據(jù)的時候，PRP-CCR的主從控制器的冗余同步還是會斷開，說明控制器的負荷使用率依然較高，必須進一步降低控制器的負荷使用率。因此，按照優(yōu)化改造思路的第二種改造方案，在原有控制器的基礎上，新增了1對冗余的控制器來分解負荷，以降低原有控制器的負荷使用率。

4.2 Module數(shù)據(jù)模塊轉移

在平臺不停產(chǎn)的情況下，轉移Module數(shù)據(jù)模塊需要重新分配控制器和下裝操作，在轉移過程中參數(shù)可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾動的情況，尤其是各種工藝參數(shù)與生產(chǎn)關系較為密切，可能會導致生產(chǎn)關停的風險。

根據(jù)該氣田的生產(chǎn)情況，經(jīng)過風險評估分析認為：

1) 在轉移ESD數(shù)據(jù)模塊過程中，信號的狀態(tài)會發(fā)生更改，這對氣田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了極大的風險。由于ESD與工藝生產(chǎn)關系密切，因而盡量不要轉移ESD中的數(shù)據(jù)模塊。

2) 相比之下F&G系統(tǒng)所有輸出信號都可以進行硬件臨時旁通，在下裝過程中即使信號狀態(tài)發(fā)生更改也不會對安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成影響，所以決定將F&G系統(tǒng)的464個Module數(shù)據(jù)模塊從PRP-CCR控制器轉移至新增的冗余控制器里運行。

將F&G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊轉移至新增的PRP-CCR冗余控制器后，PRP-CCR控制器負荷使用率由70%下降至51%。

5 優(yōu)化改造效果

在優(yōu)化改造完成后，PRP-CCR控制器的負荷使用率由原來的86%降到了51%，將原PRP-CCR控制器的部分負載分配給了PRP-RIO和冗余的PRP-CCR控制器運算處理，對中控系統(tǒng)進行了實際操作和監(jiān)控測試，結果與預期一致。調整后3個控制器的負荷使用率見表1所列。

表1 控制器的負荷使用率

經(jīng)過調整、優(yōu)化PRP-CCR控制器的負荷，操作人員發(fā)現(xiàn)DCS操作畫面刷新速度明顯得到提高。并且中控系統(tǒng)的優(yōu)化改造，為該氣田平臺后期增加新的數(shù)據(jù)模塊，提供更加寬裕的擴展空間。

6 結束語

通過該優(yōu)化改造，使中控系統(tǒng)控制器的負載處于合理的運行狀態(tài)，確保了中控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免了因控制器超負荷引起的生產(chǎn)關停，不僅保證了海上平臺的正常穩(wěn)定生產(chǎn)，又鍛煉和提升了現(xiàn)場維修作業(yè)人員的技能水平，同時節(jié)約了中控系統(tǒng)軟硬件費用和現(xiàn)場服務費約100萬元人民幣，具有顯著的經(jīng)濟效益。

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趙海亞(1980—)，男，畢業(yè)于中國石油大學(華東)自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于中海石油(中國)有限公司湛江分公司，主要從事儀表維修工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)03-0074-02

稿件收到日期： 2017-02-05，修改稿收到日期： 2017-04-05。