海洋石油化工儀表中的自動(dòng)化控制探析

文/李卓威（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司南海工程分公司）

一、前言

全球海洋油氣資源豐富，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，海洋石油探明儲(chǔ)量約380億噸，海洋天然氣資源約140萬億立方米，其中30%分布在大陸坡的深水、超深水域。歷經(jīng)近50年的開發(fā)，陸地與淺海區(qū)域的探明油氣資源越來越少，為滿足市場(chǎng)需求，主流石油公司已經(jīng)轉(zhuǎn)戰(zhàn)深海區(qū)域。深海石油勘探開發(fā)存在資源生產(chǎn)難度高、外界條件限制大、設(shè)備設(shè)施投入高、安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大等困難。通過應(yīng)用石油化工自動(dòng)化儀表可以精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)深海石油勘探、開發(fā)所面臨的困難，提升深海石油生產(chǎn)效益和安全系數(shù)。近年來，自動(dòng)化控制技術(shù)愈趨成熟、應(yīng)用愈加廣泛，其與生俱來的技術(shù)紅利將在深海資源開發(fā)領(lǐng)域繼續(xù)釋放不可限量的潛力。

二、海洋石油化工儀表自動(dòng)化控制技術(shù)特征

在自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展的背景下，將其應(yīng)用在海洋石油化工儀表中可以進(jìn)一步促進(jìn)生產(chǎn)，海洋石油生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高、投入多，要降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提升生產(chǎn)精度，只有應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)，方可實(shí)現(xiàn)海洋石油化工生產(chǎn)技術(shù)的突破[1]。自動(dòng)化控制儀表和自控系統(tǒng)是化工儀表自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。智能儀表在化工生產(chǎn)工藝流程中無須人工操作，可自動(dòng)運(yùn)行并自行對(duì)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。自控系統(tǒng)通過將自控儀表進(jìn)行有機(jī)整合并實(shí)施自動(dòng)控制。該項(xiàng)技術(shù)有效緩解人工操作延遲、記錄誤差等問題，較大程度上避免人員誤操作的可能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)，釋放現(xiàn)場(chǎng)操作人工成本。應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)可大幅提高生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。因其具有可編程性這一先天優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用區(qū)域及功能等方面延展的潛力非常大，能夠應(yīng)對(duì)控制日漸復(fù)雜的生產(chǎn)過程的需求。自控系統(tǒng)還具有全局監(jiān)督及數(shù)據(jù)記憶的功能，通過計(jì)算機(jī)配置，自動(dòng)記錄生產(chǎn)過程中智能儀表反饋的數(shù)據(jù)信息，通過人工進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析，對(duì)于傳統(tǒng)儀表無法解決或無法察覺的問題，可以通過智能儀表及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善解決。同時(shí)對(duì)于生產(chǎn)過程中存在的故障隱患進(jìn)行監(jiān)督并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，有效減少故障排查時(shí)間，極大限制故障影響范圍，有效避免危情發(fā)生。自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的自動(dòng)控制，而且在生產(chǎn)故障發(fā)生的最初能夠及時(shí)報(bào)警，保證生產(chǎn)流程的安全，并根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)相關(guān)生產(chǎn)流程區(qū)域進(jìn)行關(guān)停、隔離，有效減少安全事故的發(fā)生，大幅提高海洋石油生產(chǎn)安全系數(shù)，對(duì)于保證海洋石油產(chǎn)業(yè)整體效益意義重大。

三、海洋石油化工儀表控制的類型

（一）傳統(tǒng)控制型

傳統(tǒng)控制型是最基本的儀表類型，傳統(tǒng)控制型的石油化工儀表在實(shí)際應(yīng)用中雖然總體效果較佳，但是存在監(jiān)控不集中、分散性較強(qiáng)、觀測(cè)精度易受外界影響等劣勢(shì)，近年來海洋石油資源開發(fā)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)控、精度、時(shí)效等方面的要求相應(yīng)提高，傳統(tǒng)儀表的劣勢(shì)日漸凸顯。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)石油生產(chǎn)量的需求也逐漸增高，傳統(tǒng)控制型已經(jīng)落后于實(shí)際生產(chǎn)要求且難以滿足更大規(guī)模的石油生產(chǎn)，因此必須要針對(duì)傳統(tǒng)控制型儀表的精度不夠、穩(wěn)定性較弱、監(jiān)控分散等短板進(jìn)行技術(shù)上的革新。加大研發(fā)投入，提升智能化水平和自動(dòng)化水平，深入研究自動(dòng)化控制技術(shù)以及開發(fā)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步提升海洋石油生產(chǎn)總體水平勢(shì)在必行。

（二）集散式控制型

與陸地石油油田開發(fā)相比，海洋石油油田需要克服海洋環(huán)境的影響，臺(tái)風(fēng)、巨浪威脅生產(chǎn)人員的生命，潮濕、鹽霧影響生產(chǎn)設(shè)備的壽命。正因海洋環(huán)境的特殊，海上油氣開發(fā)的投資成本一般是陸地油氣開發(fā)投資的三到五倍，成本主要集中在海洋石油開發(fā)設(shè)備、裝備的設(shè)計(jì)與制造上，在海洋要使用特殊的儀器設(shè)備，石油化工儀表便是其中之一。隨著技術(shù)發(fā)展，集散式控制型的石油化工智能儀表得以衍生，有效提升了生產(chǎn)效益。集散控制型智能儀表以微處理器為核心，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)集中管理，具有可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理等特點(diǎn)，雖然處理的信息量較小，但其中一部分系統(tǒng)出現(xiàn)故障并不會(huì)影響全局。當(dāng)管理計(jì)算機(jī)故障時(shí)，不同系統(tǒng)仍可以進(jìn)行獨(dú)立控制。由于數(shù)據(jù)已進(jìn)行預(yù)處理，因此需要處理的數(shù)據(jù)量降低，減輕微型機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)而提高系統(tǒng)的控制效率。智能儀表繼承了傳統(tǒng)控制儀表系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，也突破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的局限，大幅提升了海洋石油化工儀表控制的自動(dòng)化水平，推動(dòng)了海洋石油化工儀表控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展。在集散式控制系統(tǒng)的應(yīng)用下，雖然解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的問題，但是仍存在一定局限，智能儀表雖然可以通過系統(tǒng)呈現(xiàn)生產(chǎn)流程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，但是無法保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在實(shí)際中往往要邊生產(chǎn)邊測(cè)量，也就是采用分段控制的模式[2]。在海洋石油生產(chǎn)中，由于設(shè)備種類繁多，實(shí)際應(yīng)用中存在兼容問題。比如，集散控制型智能儀表無法和加強(qiáng)型智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)完美的聯(lián)合應(yīng)用，雖然精度、效率均有提升，但是存在數(shù)據(jù)中斷的情況，因此無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控。如果在生產(chǎn)中強(qiáng)制將兩者進(jìn)行聯(lián)合使用，將會(huì)造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)，加劇生產(chǎn)流程的復(fù)雜程度，無法完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的根本目的。

（三）現(xiàn)場(chǎng)總線控制型

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是一種通過開放式通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全分布控制的系統(tǒng)，將各種作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備通過總線進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，再通過系統(tǒng)配置構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)顯示、調(diào)控、監(jiān)控、報(bào)警、記錄、優(yōu)化配置及管控集成化的綜合自動(dòng)化功能?？偩€控制型儀表更加智能化，且體積更小，便于操作，在實(shí)際應(yīng)用中開放性的特征也更加明顯。在石油化工儀表控制系統(tǒng)中，總線儀表在元器件選擇上都經(jīng)過了層層篩選，在軟件上采用成熟的嵌入式操作系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)及時(shí)，完全可以適用海洋石油生產(chǎn)要求?？偩€智能儀表由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的儀表盤、高亮的LED符號(hào)片、液晶彩屏、按鍵、蜂鳴器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘組成，在操作過程中，其處理器運(yùn)行十分迅速，可以完成多任務(wù)掃描，儀表運(yùn)行過程中作業(yè)連續(xù)，可以滿足海上石油規(guī)?；a(chǎn)[3]?？偩€控制型的海洋石油化工儀表可靠性極強(qiáng)，在設(shè)備功能與操作技術(shù)上更加智能化、成熟。相較于集散控制型自動(dòng)化系統(tǒng)，總線系統(tǒng)僅需一對(duì)信號(hào)電纜便可連接多臺(tái)智能儀表、通過數(shù)字通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向通訊和多數(shù)據(jù)傳輸、采用分散虛擬控制站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的自行控制。由于總線系統(tǒng)的構(gòu)建基于開放、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，因此徹底修正了由集散控制型系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)的封閉所造成的缺陷。通過現(xiàn)場(chǎng)總線型控制系統(tǒng)應(yīng)用，加強(qiáng)石油生產(chǎn)的智能化，保證安全生產(chǎn)系數(shù)，提高石油生產(chǎn)效率，優(yōu)化石油生產(chǎn)質(zhì)量，提升海洋石油生產(chǎn)企業(yè)的綜合效益。

四、自動(dòng)化控制技術(shù)在海洋石油化工儀表中的應(yīng)用

（一）集散型控制系統(tǒng)的應(yīng)用

海洋石油行業(yè)目前廣泛使用集散型控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝流程中進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)流程中各環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)獲取最新生產(chǎn)參數(shù)資料，員工據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后通過后臺(tái)系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整各環(huán)節(jié)的參數(shù)配置，對(duì)生產(chǎn)過程中某環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)、提高質(zhì)量與效率。生產(chǎn)管理人員利用集散型控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理，結(jié)合智能儀表和自控系統(tǒng)的自動(dòng)化，通過分散控制、集中操作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)，提高管理水平和效率，降低管理成本，大幅降低員工工作強(qiáng)度，減少人為誤操作的可能。集散型控制系統(tǒng)將應(yīng)用在各生產(chǎn)流程的智能儀表所反饋的數(shù)據(jù)信號(hào)，利用冗余技術(shù)和報(bào)警策略進(jìn)行自診斷處理，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和流程故障進(jìn)行判斷和處理。同時(shí)，通過系統(tǒng)配置進(jìn)行聯(lián)鎖故障報(bào)警、緊急停車等動(dòng)作，當(dāng)故障出現(xiàn)立即警報(bào)，危情發(fā)生自動(dòng)停車，實(shí)現(xiàn)故障第一時(shí)間處理，危情第一時(shí)間遏制，將危害影響范圍控制在最小，將損失程度控制在最低，防止發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，保護(hù)海洋石油產(chǎn)業(yè)的整體效益。

（二）檢測(cè)智能儀表的自動(dòng)化應(yīng)用

海洋石油生產(chǎn)流程中各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，由智能儀表檢測(cè)采集后以電信號(hào)形式通過電纜傳輸回控制系統(tǒng)再進(jìn)行處理與呈現(xiàn)。智能儀表的應(yīng)用，解決了當(dāng)遭遇惡劣環(huán)境條件下無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、記錄的痛點(diǎn)，通過對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)分析，及時(shí)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行調(diào)整，不受傳統(tǒng)儀表局限，促進(jìn)了海洋石油生產(chǎn)的穩(wěn)定與安全。

（三）人機(jī)交互應(yīng)用

在海洋石油化工儀表的應(yīng)用中結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而幫助生產(chǎn)人員監(jiān)控生產(chǎn)全過程，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將人機(jī)聯(lián)系在一切，同時(shí)融合電子通信技術(shù)、智能化處理技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)人員的實(shí)時(shí)交流、人機(jī)互動(dòng)。在傳統(tǒng)海洋石油生產(chǎn)中，傳統(tǒng)石油化工儀表控制系統(tǒng)是采用“一對(duì)一”的生產(chǎn)控制模式，但是利用自動(dòng)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的控制模式。在應(yīng)用時(shí)，通過中央控制室的顯示屏將實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息傳遞給生產(chǎn)人員，對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行遠(yuǎn)程化操作，保證生產(chǎn)動(dòng)態(tài)獲取的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。有效提高生產(chǎn)效益，減少人員投入，保證海洋石油有序生產(chǎn)和人員安全。

（四）自動(dòng)化監(jiān)控功能應(yīng)用

海洋石油生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高，不確定因素多，海洋石油生產(chǎn)人員生命安全相比陸地油田要經(jīng)受更大的考驗(yàn)，因此應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)十分必要。通過智能儀表和自控系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管控，對(duì)生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化把控。

應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)，保證了海洋石油化工生產(chǎn)安全，有效控制生產(chǎn)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，全面提升生產(chǎn)質(zhì)量與安全系數(shù)。

五、結(jié)語

自動(dòng)化控制技術(shù)在海洋石油產(chǎn)業(yè)中起著重要的作用，通過自動(dòng)化監(jiān)控及主動(dòng)故障處理等技術(shù)，提高石油生產(chǎn)效率，加強(qiáng)生產(chǎn)整體的可靠性和安全性，優(yōu)化生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)，提高管理水平和效率，降低崗位員工作業(yè)強(qiáng)度，減少人為誤操作的可能等。

自動(dòng)化控制技術(shù)是海洋石油產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵，儀表和自控系統(tǒng)是自動(dòng)化控制技術(shù)的基礎(chǔ)，儀表的智能化、多功能化發(fā)展和自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)代化發(fā)展都至關(guān)重要，兩者優(yōu)化對(duì)石油產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效有著立竿見影的效果，因此加強(qiáng)研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)自動(dòng)控制水平再提高，以此帶動(dòng)海洋石油產(chǎn)業(yè)再升級(jí)，讓海洋石油產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的生力軍。