海上平臺控制系統(tǒng)無人化研究

陳敘伸

[摘 ? ?要]現(xiàn)役海上平臺要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化，如何發(fā)展先進技術(shù)成為十分重要的命題。為了達成這一目標(biāo)，考慮到海上環(huán)境的復(fù)雜性以及生產(chǎn)的不確定性等影響，需要進一步降本增效，提升平臺經(jīng)濟性，通過自動化和數(shù)字化，使海上平臺實現(xiàn)無人化生產(chǎn)平臺。為了能在無人情況下更好地操控平臺流程，解決現(xiàn)場問題，及時恢復(fù)生產(chǎn)，要開展控制系統(tǒng)無人化研究，實現(xiàn)系統(tǒng)遠程操控，保證平臺高效穩(wěn)定的生產(chǎn)運行。

[關(guān)鍵詞]海洋平臺;控制系統(tǒng);無人化;遠程操控

[中圖分類號]TE95;TN948.6 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Research on Unmanned Control System of Offshore Platform

Chen Xu-shen

[Abstract]Active offshore platforms are required to be networked， digital and intelligent. How to develop advanced technology has become a very important proposition. In order to better promote this goal， taking into account the complexity of the marine environment and the impact of production uncertainty， further reduce costs and increase efficiency， improve the economy of the platform， and realize the unmanned production platform of the offshore platform through automation and digitization. In order to better control the platform process， solve the on-site problems， resume production in time， carry out the research on the unmanned control system， realize the remote control of the system， and ensure the efficient and stable production operation of the platform.

[Keywords]offshore platform; control system; unmanned; remote control

現(xiàn)役平臺部分設(shè)備及流程在設(shè)計之初是無法在中央控制系統(tǒng)內(nèi)進行遠程的監(jiān)控及手動操作，或者在出現(xiàn)誤關(guān)斷等情況下，操作人員必須到達現(xiàn)場進行現(xiàn)場手動操控或者重啟復(fù)位流程。鑒于海上平臺環(huán)境的復(fù)雜性以及生產(chǎn)過程中的不確定性，在環(huán)境惡劣等特殊情況下，操作人員無法及時進行現(xiàn)場操作，那么海上平臺由于無法及時操作和復(fù)產(chǎn)，從而會使整個油田產(chǎn)量受到較大的影響。尤其是無人平臺，在冬季，大風(fēng)天氣較多，加之浮冰的影響，如出現(xiàn)特殊情況，難以在短時間內(nèi)到達平臺進行操控。為了降低平臺全生命周期的運維操作成本，延長平臺經(jīng)濟年限;減少人員現(xiàn)場操作，減少人員安全事故及環(huán)境污染，保證人員安全;提高平臺的自動化程度，減少人員操作工作量;保障平穩(wěn)生產(chǎn)對平臺產(chǎn)量的影響、對整體油田的經(jīng)濟效益、對國家的社會責(zé)任均有著重大的意義——鑒于此，需通過自動化技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)使平臺諸多生產(chǎn)環(huán)節(jié)無人化，實現(xiàn)海上平臺無人化，通過有人平臺進行遠程操控。為了能在平臺生產(chǎn)時全方位監(jiān)控工藝流程，并在產(chǎn)生關(guān)斷后能夠及時解決問題并恢復(fù)生產(chǎn)，更好地實現(xiàn)平臺無人化，就要針對控制系統(tǒng)開展研究，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程操作并實現(xiàn)平臺無人化。

1 控制系統(tǒng)介紹

海上平臺在保證人員和設(shè)施安全、防止環(huán)境污染的前提下，為滿足開發(fā)和生產(chǎn)要求，方便油田的操作和管理，同時考慮安全可靠、經(jīng)濟實用、控制管理靈活方便等原則，設(shè)置獨立的控制系統(tǒng)，自主完成平臺的過程控制（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷（ESD）和火氣探測報警（FGS）功能，一般設(shè)置1套過程控制系統(tǒng)、1套應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)，1套火氣系統(tǒng)。欲實現(xiàn)控制系統(tǒng)無人化，可在控制系統(tǒng)間內(nèi)保留1臺工程師站兼操作站，用于系統(tǒng)調(diào)試和巡檢期間操作功能。通過系統(tǒng)集成手段，3套控制系統(tǒng)共享人機接口和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)的選擇和組合應(yīng)符合開放的、規(guī)范的通信協(xié)議。過程控制系統(tǒng)的CPU模塊、電源模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)通信總線等采用1∶1冗余;應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)的CPU模塊、電源模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)通信總線和所有I/O卡件均采用1∶1冗余配置?？刂葡到y(tǒng)需完成實時顯示生產(chǎn)流程、各系統(tǒng)工藝參數(shù)及主要設(shè)備運行狀態(tài)，通過聲光報警形式顯示平臺生產(chǎn)和安全的異常狀態(tài)，并打印記錄備案，需定期打印生產(chǎn)報表;對平臺整體生產(chǎn)流程進行監(jiān)控，在線設(shè)定、修改控制參數(shù)，完成各系統(tǒng)控制功能;具有自診斷功能，可對控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)視和診斷，并以聲光報警形式顯示其異常狀態(tài);自動/手動執(zhí)行應(yīng)急關(guān)斷邏輯，保證人員、設(shè)施安全及保護環(huán)境;顯示平臺火氣探測設(shè)備及涉及消防功能各設(shè)備狀態(tài)，在出現(xiàn)火災(zāi)和危害氣體泄漏時能夠通過聲光報警，自動/手動執(zhí)行安全儀表系統(tǒng)內(nèi)控制邏輯;根據(jù)生產(chǎn)和管理的需要，配置足夠容量的存儲器，保存信息和歷史數(shù)據(jù)（圖1）。

2 流程無人化方案

為了實現(xiàn)平臺流程無人化運行，使流程與控制系統(tǒng)更好地配合，需要針對性地對平臺工藝流程進行優(yōu)化改造。根據(jù)平臺工藝流程的特點以及平臺操作人員作業(yè)安排，如現(xiàn)場巡檢、流程參數(shù)記錄、系統(tǒng)操作報表等相關(guān)工作的周期以及一些針對應(yīng)急處置作業(yè)需求，如平臺停產(chǎn)后的工藝系統(tǒng)維護、工況記錄和復(fù)產(chǎn)前的一系列操作等，確定各個工藝流程對控制系統(tǒng)的重要程度，進而增加相關(guān)設(shè)備，以便系統(tǒng)有針對性地進行遠程監(jiān)控。為了實現(xiàn)以上功能，井口套管需增加壓力變送器，保證對井口壓力的監(jiān)控，確保生產(chǎn)流程的正常進行;化學(xué)藥劑系統(tǒng)增加壓力變送器、流量變送器等，并將信號送入控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，并增加遠程啟動化學(xué)藥劑泵功能，保證化學(xué)藥劑的穩(wěn)定注入;測試計量管匯上增加壓力變送器和溫度變送器，并將信號送入控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，通過增加變送器，將控制系統(tǒng)信號遠傳，減少人員現(xiàn)場巡檢監(jiān)控記錄相關(guān)參數(shù)，在保證相關(guān)數(shù)據(jù)能及時監(jiān)控的同時，增加了人員的安全性;開排系統(tǒng)泵啟動在手動啟動的基礎(chǔ)上，通過增加液位變送器及開關(guān)閥實現(xiàn)自動啟停功能，由于開排槽需作業(yè)人員現(xiàn)場巡檢并定期進行排液保證流程順利進行，遠程監(jiān)控和啟停降低和防止了相關(guān)事故以及污染的可能性;濾器配置差壓表改為差壓變送器，并將信號送入控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，以便濾器在出現(xiàn)堵塞等相關(guān)工況下能及時在控制系統(tǒng)上反饋，提醒操作人員盡早處理，保證生產(chǎn)的順利進行;根據(jù)現(xiàn)場具體情況增加儀控接線箱，將遠傳設(shè)備信號進行匯總，通過“點對點”方式將信號接入控制系統(tǒng);海管上增加壓力變送器，在保證信號能及時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行監(jiān)控外，多個變送器形成表決，能更準(zhǔn)確地檢測海管工況，保證在出現(xiàn)特殊工況下完成關(guān)斷。

3 控制系統(tǒng)無人化方案

為了實現(xiàn)遠程操控的功能，需要在現(xiàn)有控制系統(tǒng)中設(shè)置有人與無人的就地切換模式，以避免操作人員在現(xiàn)場維護時因遠程操控造成人員傷害。平臺遠程操控的功能，除了儀控設(shè)備外，電氣設(shè)備、通訊設(shè)備、暖通設(shè)備等也需要進行適應(yīng)性改造。為了配合此部分改造，對現(xiàn)有控制系統(tǒng)需要進一步的擴容，以便接入改造后的各方接口。除此之外，還需對控制系統(tǒng)的負(fù)荷和供電進行校核和適應(yīng)性改造，以滿足改造的需求。為了實現(xiàn)以上要求，將新增設(shè)備點位接入過程控制系統(tǒng)，根據(jù)實際運行情況修正部分設(shè)備上的壓力變送器設(shè)定點;將火炬系統(tǒng)的手動開關(guān)功能改為遠程開關(guān)功能，并增加相關(guān)監(jiān)控信號，在平臺無人化后，保證能實時監(jiān)控火炬情況，防止出現(xiàn)氣體排放，造成事故及污染的情況，保證平臺安全;對霧笛系統(tǒng)進行優(yōu)化，將相關(guān)信號引入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)可啟動霧笛系統(tǒng);在相應(yīng)有人平臺上設(shè)置新的上位機用于監(jiān)控?zé)o人化平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)并進行操作，可通過上位機對無人化平臺進行遠程監(jiān)控關(guān)斷功能，并將無人化平臺操作盤信號通過控制系統(tǒng)傳輸至新增上位機，確保有人平臺對其的實時監(jiān)控，保證所有功能的使用;需保證上位機可對消防系統(tǒng)進行遠程操作功能，保證平臺在無人情況下出現(xiàn)火災(zāi)工況下消防系統(tǒng)的正常使用;根據(jù)平臺運行的相關(guān)規(guī)定及要求，對“臺風(fēng)模式”和“非臺風(fēng)模式”相關(guān)邏輯結(jié)合平臺無人化進行優(yōu)化，并在上位機中增加相關(guān)組態(tài)畫面、點位，保證平臺在特殊天氣等工況下及時關(guān)斷相關(guān)設(shè)備，確保平臺安全，減少環(huán)境污染;平臺電氣開關(guān)狀態(tài)信號傳入控制系統(tǒng)，不間斷電源（UPS）相關(guān)信號利用電源管理系統(tǒng)（PMS）和控制系統(tǒng)上位機進行監(jiān)控，實現(xiàn)對平臺供電盤及應(yīng)急機的監(jiān)控、關(guān)斷等一系列操作，保證在有人平臺對無人化平臺電氣系統(tǒng)的安全監(jiān)控;需考慮兩個平臺間的通訊故障情況，對無人化平臺控制系統(tǒng)邏輯進行優(yōu)化，實現(xiàn)當(dāng)有人平臺與無人化平臺間出現(xiàn)通訊中斷，并持續(xù)一定時間后，無人化平臺采取應(yīng)急關(guān)斷等相應(yīng)措施;控制系統(tǒng)中火氣系統(tǒng)與平臺監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)與可燃?xì)庑孤┑染o急工況時能夠自動對相應(yīng)區(qū)域進行定位，通過視頻、火氣探測設(shè)備綜合進行探測與報警，無需操作人員進行逐個排查尋找，提高應(yīng)急響應(yīng)速度，快速確認(rèn)報警區(qū)域，第一時間得到現(xiàn)場實際情況，極大降低現(xiàn)場確認(rèn)的風(fēng)險（圖2）。

為了實現(xiàn)以上功能，切實解決問題，滿足各個系統(tǒng)的需求，在完善各個功能的同時，需根據(jù)平臺控制系統(tǒng)現(xiàn)有情況，對控制系統(tǒng)進行升級完善。以海上某平臺為例。目前平臺控制系統(tǒng)已運行十余年，雖系統(tǒng)常規(guī)運行可以滿足使用要求，但是產(chǎn)品老舊，軟件版本已無法迭代更新，控制邏輯優(yōu)化修改較為困難;控制系統(tǒng)內(nèi)PLC及配件在市場中已無全新備件，若出現(xiàn)硬件故障，則只能通過相同系列的二手產(chǎn)品進行維修，很難保證運行可靠，可能會存在隱患;由于平臺經(jīng)歷過多次改造，現(xiàn)有系統(tǒng)機柜內(nèi)已無空間進行改造。為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)無人化，并進一步升級控制系統(tǒng)的運行能力，需從多個角度考慮控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案。

若考慮減少平臺變更內(nèi)容，可在平臺新增1套獨立的控制系統(tǒng)。作為遠程操控新增信號的控制系統(tǒng)，其與平臺現(xiàn)有控制系統(tǒng)相互獨立，各自運行。通過新增系統(tǒng)對無人化內(nèi)容進行控制，并在有人平臺設(shè)置遠程上位機，通過微波或者海纜光纖與有人平臺上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，實現(xiàn)有人平臺對其的監(jiān)控與操作。這個方案成本低，平臺改造量小，原系統(tǒng)與新增系統(tǒng)實現(xiàn)功能互補，相對穩(wěn)定可靠。但是，未能徹底提供和完善平臺控制系統(tǒng)的整體性能，部分設(shè)備需由原系統(tǒng)遷移至新增系統(tǒng)進行控制，有一定的誤操作風(fēng)險，并且老系統(tǒng)的變更有可能會影響設(shè)備的運行。由于涉及了多套控制系統(tǒng)，且需與有人平臺進行通訊，雖架構(gòu)理論可行，但是應(yīng)用較少，有一定的風(fēng)險。新增系統(tǒng)需要占據(jù)平臺本就相對緊張的空間，用于布置新增機柜等設(shè)備。為了減少風(fēng)險，可考慮將平臺整套控制系統(tǒng)更換為新的控制系統(tǒng)，對平臺控制系統(tǒng)實施全面改造，并將現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)容與無人化改造內(nèi)容進行合并完善，通過在有人平臺設(shè)置遠程上位機，通過微波或者海纜光纖與有人平臺上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，以達到有人平臺對其的監(jiān)控與操作。相較于前1個方案，可以全方位地提升平臺控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，新系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)更適用于現(xiàn)今的規(guī)范要求，易于維護以及后續(xù)改造。但是其成本將高于前一方案，對平臺的改造量較大，施工難度較高。為了減少停產(chǎn)時間甚至不停產(chǎn)，人員需要在有限的時間內(nèi)完成改造，在陸地階段需將大部分工作完成，海上人員需要提前對控制系統(tǒng)及電纜線路鏈接進行熟悉了解，對施工人員與系統(tǒng)廠家都提出了很大的挑戰(zhàn)。

相較于示例平臺，若平臺控制系統(tǒng)較新，可以滿足機柜改造和程序下裝時，則對控制系統(tǒng)進行擴容改造。將無人化改造點位及邏輯下裝至平臺現(xiàn)有系統(tǒng)，對改造內(nèi)容進行整合。并且需要在有人平臺放置遠程上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

4 結(jié)束語

海上平臺控制系統(tǒng)無人化可實現(xiàn)操作人員在有人平臺對無人化平臺流程進行實時和全面的監(jiān)控，并在出現(xiàn)某些關(guān)斷情況時，操作人員可在有人平臺對無人化平臺控制系統(tǒng)進行及時的遠程復(fù)位及遠程復(fù)產(chǎn)，減少長時間停產(chǎn)對各方的影響。隨著平臺無人化建設(shè)，降低海上平臺的投資和運維成本，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)的健康、安全、環(huán)保，延長油田的經(jīng)濟年限，提升了平臺的自動化和智能化，具有較好的應(yīng)用前景。

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