儀表控制系統(tǒng)在海洋油氣田應用研究

徐從成

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司西江油田惠州25-8平臺 廣東 深圳 518067）

1 引言

儀表控制系統(tǒng)作為油氣田的神經(jīng)中樞、檢測中心和安全屏障，其地位越來越不容忽視，利用好儀表控制系統(tǒng)成為海洋油氣田快速發(fā)展迫切需求。

2 儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程和方向

20世紀60年代，石油化工等企業(yè)主要使用模擬式儀表。傳統(tǒng)的模擬儀表控制功能單一，在一些復雜的工藝生產(chǎn)過程中常常采用大量的傳統(tǒng)模擬儀表實現(xiàn)過程控制功能，所以控制室內(nèi)的儀表越來越多，儀表盤面越來越大，導致人機聯(lián)系差，操作不及時，也不利于人員對工藝過程的監(jiān)控和操作。

為了使儀表控制系統(tǒng)能適應更復雜的控制功能，在中央控制室內(nèi)采用單一的計算機實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）或者監(jiān)督計算機控制（SCC），構成了集中型計算機控制系統(tǒng)。

然而，集中型計算機控制系統(tǒng)采用的是高度集中控制，所以危險性也高度集中，如果出現(xiàn)故障，將會導致生產(chǎn)停止甚至發(fā)生更危險的惡性事故。因此，如何把計算機的故障所造成的危害和經(jīng)濟損失減小，使危險分散，成為儀表控制系統(tǒng)首要解決的問題。

經(jīng)過儀表研究人員刻苦鉆研和實踐，在1975年Honeywell公司推出了世界上第一代集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS），又稱分散控制系統(tǒng)，是以微處理器為基礎對生產(chǎn)過程進行集中管理和分散控制的分布式計算機控制系統(tǒng)。

隨著控制技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和軟件技術等的迅速發(fā)展，集散控制系統(tǒng)進入了第二代。

20世紀80年代，綜合信息管理系統(tǒng)的開發(fā)成功標志著DCS的迅速發(fā)展進入了第三代，新的系統(tǒng)在原有的過程控制層和過程管理層上增加了第三層---綜合信息管理層，更多的關心高層信息的傳輸、處理和共享。

為了打破“信息孤島”系統(tǒng)封閉的格局，就必須設計出一種適用與工業(yè)化環(huán)境、性能可靠、協(xié)議公開、成本較低的數(shù)字通信系統(tǒng)，開發(fā)出遵循同一通信標準的多功能現(xiàn)場智能儀表，使不同廠家的現(xiàn)場儀表可以在開放系統(tǒng)中實現(xiàn)互聯(lián)和互操作，這樣就消除了傳統(tǒng)DCS采用專用通信網(wǎng)絡所造成的系統(tǒng)封閉的缺陷，才能滿足用戶的需要。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是在這種實際需求的驅動下應運而生的。

3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)行總線實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信系統(tǒng)，使自動控制系統(tǒng)與設備之間具有了通信能力，把現(xiàn)場的智能儀表等設備連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，徹底打破了儀表自動控制系統(tǒng)的信息孤島。

由現(xiàn)場總線組成的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)，成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，簡稱FCS）。FCS是在計算機網(wǎng)絡技術、通信技術、微電子技術飛速發(fā)展的基礎上，與自動控制技術相結合的產(chǎn)物，是繼模擬式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字儀表控制系統(tǒng)、DCS后的新一代控制系統(tǒng)，在石油化工企業(yè)的儀表自動控制系統(tǒng)中，得到廣泛的應用。

3.1 FCS的結構

FCS包括現(xiàn)場總線智能儀表、監(jiān)控計算機、網(wǎng)絡通信設備和電纜，以及網(wǎng)絡管理、通信軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件。

3.1.1 現(xiàn)場總線智能儀表 現(xiàn)場總線智能儀表內(nèi)部自帶了一個微處理器，具備了相互通信的能力，具有豐富的控制功能、靈活方便的操作手段，比模擬式儀表更有效的控制和管理生產(chǎn)過程。例如，海洋石油115設施上的Fisher—Rosemount公司的3051壓力、差壓、液位變送器以及溫度變送器、智能調(diào)節(jié)閥是FF現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表，具有各種功能模塊，可實現(xiàn)多種控制策略和功能。

3.1.2 監(jiān)控計算機 FCS需要一臺或多臺監(jiān)控計算機，這類計算機結構緊湊、堅固耐用、工作可靠、抗干擾能力好，能滿足智能儀表的組態(tài)、診斷、運行和操作的要求。

3.1.3 網(wǎng)絡通信設備 網(wǎng)絡通信設備是現(xiàn)場總線之間及總線與節(jié)點之間連接的橋梁，現(xiàn)場總線與監(jiān)控計算機之間一般用通信控制器或通訊接口卡連接，它可連接多個智能節(jié)點或多條通信鏈路。一臺帶有通信接口卡的PC機及若干現(xiàn)場智能儀表與通信電纜，就構成了最基本的FCS硬件系統(tǒng)。

3.1.4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件 監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理、通信和組態(tài)軟件。操作系統(tǒng)一般都是Windows操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡管理軟件的作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡各節(jié)點的安裝、刪除、測試，以及對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、維護等。

3.2 FCS的優(yōu)點

3.2.1 FCS實現(xiàn)了徹底的分散控制 傳統(tǒng)的模擬式儀表控制系統(tǒng)采用一對一的設備連接，而FCS采用了具有DCS系統(tǒng)中處于控制室內(nèi)的控制模塊、各類智能儀表設備，智能儀表具有相互通信的能力，智能測量變送儀表可以與調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器直接進行信息傳遞，使生產(chǎn)更加安全、穩(wěn)定的運行。

3.2.2 FCS簡化了系統(tǒng)結構 FCS采用數(shù)字信號替代模擬信號，不再需要模/數(shù)、數(shù)/模轉換部件，可實現(xiàn)一條信號線上傳輸多個信號，可以為多個設備提供電源，簡化了系統(tǒng)結構，節(jié)省了連接電纜和安裝費用。

3.2.3 FCS實現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性 FCS以網(wǎng)絡通信技術為基礎，而現(xiàn)在的網(wǎng)絡通信標準（國際標準IEC 61158）是統(tǒng)一的，各個廠家生產(chǎn)的控制系統(tǒng)的通信標準必須滿足此國際標準，才能受到用戶和各大企業(yè)的青睞，才能滿足市場競爭的需求，所以各個廠家的設備可以自由通信，用戶可以按自己的習慣、需求和考慮，不用限定廠家、機型，實現(xiàn)儀表控制系統(tǒng)的開放性。

3.2.4 FCS的互可操作性和互用性 互可操作性是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳輸和溝通；互用性是指不同廠家的性能類似的設備產(chǎn)品能夠互相替代。

3.2.5 FCS采用全數(shù)字通信方式 FCS與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)不同，它采用全數(shù)字通信方式，可以進行雙向通信，提高了通信速度、傳輸精度。

3.2.6 FCS節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費用

FCS掛接的都是現(xiàn)場智能儀表，一根現(xiàn)場總線可以連接多臺現(xiàn)場智能儀表，能直接傳輸和執(zhí)行多種測量、控制、報警和計算功能，減少了變送器數(shù)量，也不再需要模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉換與處理部件，從而節(jié)省了一大筆硬件費用、安裝費用和維護費用，提高了石油化工等企業(yè)的效益。

4 儀表控制系統(tǒng)在海洋油氣田的應用前景

海洋石油的生產(chǎn)平臺（DPP）或者油氣處理儲存裝置（FPSO）有許多系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的設備的供銷商是不同的，其控制功能和實現(xiàn)方式也存在差異，那么怎樣才能把它們有效的結合起來？怎樣才能更好的利用它們的信息來實現(xiàn)監(jiān)視和控制？已經(jīng)成為儀表專業(yè)人員首要解決的問題。

雖然DCS已經(jīng)霸占了儀表控制系統(tǒng)30多年，也在不斷的進步，但是它仍然有它的局限性。通過與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的比較，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點是顯而易見。隨著計算機技術、網(wǎng)絡通信技術飛速發(fā)展，DCS必將讓位于FCS。

FCS已經(jīng)成為我們海洋石油儀表控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，有一些新的設施DPP或者FPSO已經(jīng)使用FCS，海洋石油115（FPSO）的上部模塊就已經(jīng)采用了FCS，就目前使用情況來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，投產(chǎn)使用十多年以來，沒有出現(xiàn)過大的故障，大大降低了維護費用，從來沒有因為現(xiàn)場總線設備問題影響正常生產(chǎn)。

FCS的問世標志著儀表控制系統(tǒng)進入了一個新的歷史時期，不僅滿足了海洋油氣田快速發(fā)展的需要，也滿足了海洋油氣田技術不斷進步、更新的需要。

5 結語

儀表控制系統(tǒng)作為海洋油氣田生產(chǎn)裝置的“神經(jīng)中樞與大腦”，逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、微型化方向發(fā)展，而FCS的問世，大大降低了成本費用，并能夠大大的提高海洋油氣田生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)性和安全性，為海洋油氣田進一步向深水進軍提供了技術保證。

[1]吳勤勤.《控制儀表及裝置》，化學工業(yè)出版社，2002年6月.

[2]樂嘉謙，《儀表工手冊》，化學工業(yè)出版社，2003年7月.

[3]俞光昀，陳戰(zhàn)平，季菊輝.《計算機控制技術》，電子工業(yè)出版社，2002年6月.

[4]陸德民.《石油化工自動控制設計手冊》，化學工業(yè)出版社，2000年1月.