水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法及在樂東22-1氣田的應用

摘 要 針對水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡開展可靠性測試方法研究。首先，分析水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構，提出一種水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法，測試網(wǎng)絡的連通性及通信質(zhì)量。其次，從層次結(jié)構、通信協(xié)議、冗余配置、設備接入網(wǎng)絡方式等方面分析水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性。最后，該測試方法成功應用于樂東22-1氣田水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信可靠性測試。

關鍵詞 水下控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡可靠性 可靠性測試方法 通信質(zhì)量 冗余配置

中圖分類號 TP393 " 文獻標志碼 B " 文章編號 1000-3932（2024）04-0699-07

水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心組成部分，其穩(wěn)定、快速的運行是保障水下油氣資源安全、穩(wěn)定開發(fā)的關鍵。為了確保水下生產(chǎn)狀態(tài)信息實時采集和上傳，同時使水上控制命令及時準確地下達，必須在水下生產(chǎn)設備投用前測試控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)作業(yè)風險［1］。筆者針對水下控制系統(tǒng)典型網(wǎng)絡結(jié)構及其可靠性測試方法開展研究，并通過工程實例驗證，為水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的設計和維護提供技術支持。

1 水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構分析

根據(jù)API 17F標準［2］，水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構分為3層，分別是水上監(jiān)控層、水上水下通信層和水下生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集層。水下控制系統(tǒng)主要包括的設備如圖1所示。

1.1 水上監(jiān)控層

水上監(jiān)控層由主控站 （Master Control Station，MCS）、液壓動力單元（Hydraulic Power Unit，HPU）、電力單元 （Electrical Power Unit，EPU）、化學藥劑注入單元（Chemical Injection Unit，CIU）等設備組成。MCS通過控制網(wǎng)絡與其他上部設備通信，EPU為水上和水下設備提供所需的電力，HPU為水下設備提供穩(wěn)定、清潔的液壓動力，CIU為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供高壓的化學藥劑，包括防腐劑、清蠟劑、乙二醇等，避免凝析油、石蠟和瀝青堵塞管道，從而影響水下油氣生產(chǎn)的連續(xù)性。MCS通過控制網(wǎng)絡監(jiān)控EPU、HPU和CIU。此外，MCS通過控制網(wǎng)絡監(jiān)控水下生產(chǎn)設備和工況，如水下采油樹、管匯、井下安全閥、井下溫度/壓力等，同時具備ESD、警報、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。

1.2 水上水下通信層

水上水下通信層主要由臍帶纜建立水上監(jiān)控層和水下設備的連接。臍帶纜包含雙冗余配電電纜、通信電纜、光纖、高低壓液壓動力配送管線和化學藥劑管線，其中通信電纜、光纖是MCS監(jiān)控水下設備的通信橋梁。水上水下常用的通信方式有電力載波、數(shù)字用戶電路（Digital Subscriber Line，DSL）和光纖。為了降低臍帶纜成本和水下光纖連接難度，以配電電纜為通信介質(zhì)的電力載波得到了廣泛應用，但是配電電纜的參數(shù)（如長度、電感、電導、電阻、供電頻率）直接影響電力載波通信質(zhì)量，所以需要測試水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信可靠性，并優(yōu)化配電電纜與載波通信參數(shù)。

1.3 水下生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集層

水下控制模塊 （Subsea Control Module，SCM）是水下設備采集層的核心設備，它由水下電子模塊 （Subsea Electronics Module，SEM）、液壓換向閥和電液配件組成，集成在SCM機械封裝內(nèi)部。SCM通過底部電連接器采集水下管匯、采油樹和井下的儀表數(shù)據(jù)，例如溫度、壓力、含砂含水檢測儀，同時通過頂部的可水下插拔的電連接器或光纖連接器與水上監(jiān)控系統(tǒng)通信。SCM模塊經(jīng)過DSL、光纖或電力載波與MCS通信，將水下實時工況數(shù)據(jù)傳送至水上監(jiān)控系統(tǒng)，同時MCS向SCM發(fā)送控制指令操作水下設備。

通過分析API 17F中的控制系統(tǒng)結(jié)構，水下生產(chǎn)系統(tǒng)所有設備通過控制網(wǎng)絡互聯(lián)，為了保證控制信號和采集的數(shù)據(jù)安全、快速、準確地到達指定位置，必須要在設備投產(chǎn)前測試水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。

2 水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性分析及測試方法

2.1 水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性分析

綜合API 17F中給出的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)典型結(jié)構，從層次結(jié)構、通信協(xié)議、冗余配置和設備接入方式四方面分析典型水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。典型水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構如圖2所示［2］。

2.1.1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

網(wǎng)絡拓撲結(jié)構可以分為總線型、環(huán)型、樹型、星型?？偩€型結(jié)構容易構建，性能顯著，但是總路故障很容易引起整個水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡癱瘓。環(huán)型結(jié)構是將網(wǎng)絡中的各個節(jié)點首尾連接，形成一個封閉的結(jié)構，結(jié)構簡單，便于管理，但網(wǎng)絡節(jié)點過多，影響傳輸效率。樹型結(jié)構是從總線中延伸出來的，其形狀像一顆倒置的樹，但各個節(jié)點對根的依賴性強。

典型水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡為星型拓撲結(jié)構，以數(shù)據(jù)交換設備為中心，與其他設備相連，執(zhí)行集中式通信控制策略，控制整個網(wǎng)絡的通信，結(jié)構較為靈活，組網(wǎng)方便。當水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡中單節(jié)點出現(xiàn)故障時，對整體網(wǎng)絡結(jié)構影響較小，非常容易拓展，保障水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。

2.1.2 網(wǎng)絡通信協(xié)議

API 17F定義了典型水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)（Subsea Production Control System，SPCS）的功能需求［2］，但沒有具體要求。筆者提出水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信參數(shù)的詳細要求，其中通信設計的標準見表1，不同通信方式的速率標準見表2［3］。

水上到水下通信數(shù)據(jù)帶寬需達到100 Mb/s，水下儀表與SCM通信數(shù)據(jù)帶寬需達到10 Mb/s，SIIS推薦通信速率為5 Kb/s或125 Kb/s。光纖鏈路速率需達到100 Mb/s，以太網(wǎng)通信速率需達到10 Mb/s或100 Mb/s，DSL通信速率需達到60 Kb/s，電力載波通信速率需達到1 Mb/s，保證水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信質(zhì)量［4］。

2.1.3 網(wǎng)絡冗余配置

水下生產(chǎn)過程中，海底環(huán)境復雜，設備種類眾多，需實時監(jiān)控現(xiàn)場情況以保障系統(tǒng)可靠且穩(wěn)定地運行。一些重要的設備，例如SEM，其運行狀態(tài)影響整個控制網(wǎng)絡的運行狀態(tài)。因此，這些設備在網(wǎng)絡傳輸過程中應設置雙冗余或者交叉冗余，當一路網(wǎng)絡發(fā)生故障時可切換至冗余路由，確保信息傳輸至監(jiān)控層，實時調(diào)整設備的運行狀態(tài)［5］。

2.1.4 水下控制系統(tǒng)設備接入網(wǎng)絡方式

設備接入控制網(wǎng)絡的方式有3種，分別是Access端口、trunk端口和Hybrid端口，Access端口用于連接水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集設備，Trunk端口用于連接光端機和交換機，Hybrid端口具有Trunk和Access兩種端口屬性的特點。水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集設備通過Access端口連入交換機，通信速率可達10 Mb/s；MCS和交換機通過Trunk端口連入光端機，通信速率可達100 Mb/s。

2.2 水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法

筆者在分析水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構的基礎上，并參考API 17F標準制定了控制網(wǎng)絡可靠性測試方法，具體內(nèi)容包括：設備通信參數(shù)核對、通信參數(shù)現(xiàn)場修改、數(shù)據(jù)采集單元設備通信質(zhì)量測試、通信單元設備通信質(zhì)量測試、通信設備集成測試、水下設備同時與通信設備集成測試、控制系統(tǒng)通信集成測試。

2.2.1 設備通信參數(shù)核對

首先核對設備通信參數(shù)，根據(jù)工程項目的通信設備清單，核對每一個設備的出廠默認通信參數(shù)、供電參數(shù)、物理層、物理地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼和通信協(xié)議。

2.2.2 通信參數(shù)現(xiàn)場修改

水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡已制定了每個單元設備默認的通信參數(shù)，現(xiàn)場測試時，采用設備供貨商提供的配置軟件，根據(jù)默認網(wǎng)絡結(jié)構修改通信參數(shù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集單元設備通信質(zhì)量測試

測試水下生產(chǎn)控制網(wǎng)絡的每個數(shù)據(jù)采集單元設備的通信質(zhì)量。將每個數(shù)據(jù)采集單元設備連入第三方準備的三層交換機，采用設備供貨商提供的通信測試軟件或行業(yè)公認軟件（行業(yè)內(nèi)常用Ping命令測試網(wǎng)絡連通性），以工作帶寬的兩倍測試每個數(shù)據(jù)采集單元設備的通信丟包率，并測試最大通信速率。推薦使用Network Pinger軟件、MThings軟件、誤碼儀。

2.2.4 通信單元設備通信質(zhì)量測試

測試水下生產(chǎn)控制網(wǎng)絡的每個通信單元設備的通信質(zhì)量，將每個通信單元設備連入第三方準備的三層交換機，以工作帶寬的兩倍測試每個通信單元設備的通信丟包率，并測試最大通信速率。

2.2.5 通信設備集成測試

根據(jù)水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，測試水下生產(chǎn)控制網(wǎng)絡的通信集成設備通信質(zhì)量，水下數(shù)據(jù)采集設備組網(wǎng)測試，采用數(shù)據(jù)模擬設備生成兩倍工程數(shù)據(jù)量測試通信功能。測試過程中，修改通信速率，模擬掉線故障恢復，記錄通信恢復功能和恢復時間、丟包率，并測試最大通信速率。由于兩個通信子設備具有多個端口，將相同功能口交叉互換，記錄通信恢復功能，驗證冗余功能。

2.2.6 水下設備同時與通信設備集成測試

根據(jù)水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，測試水下設備與通信設備的通信質(zhì)量，水上水下通信設備、水下數(shù)據(jù)采集設備等組網(wǎng)測試，采用數(shù)據(jù)模擬設備生成兩倍工程數(shù)據(jù)量測試通信功能。測試過程中，修改通信速率，模擬掉線故障恢復，記錄通信恢復功能和恢復時間、丟包率，并測試最大通信速率。由于兩個通信子設備具有多個端口，將相同功能口交叉互換，記錄通信恢復功能，驗證冗余功能。測試過程中通信速率配置為最高，連續(xù)測試48 h，并開展熱插拔測試，驗證通信恢復功能。

2.2.7 控制系統(tǒng)通信集成測試

根據(jù)水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，測試水下生產(chǎn)控制網(wǎng)絡的所有設備組網(wǎng)的通信質(zhì)量，水上監(jiān)測設備、水上水下通信設備、水下數(shù)據(jù)采集設備組網(wǎng)測試，測試內(nèi)容與2.2.6節(jié)相同。

3 樂東22-1水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡現(xiàn)場測試

3.1 樂東22-1水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性分析

綜合API 17F標準中給出的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)典型結(jié)構，以樂東22-1氣田為例，分析水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。樂東22-1網(wǎng)絡拓撲結(jié)構如圖3所示。

3.1.1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

樂東22-1控制網(wǎng)絡采用星型結(jié)構，以光端機作為中心連接點，利用交換機搭建了5個VLAN段：VLAN2——采油樹SEMA、VLAN3——采油樹SEMB、VLAN4——管匯SEMA、VLAN5——管匯SEMB、VLAN6——水下監(jiān)控系統(tǒng)CCTV/水聽器、水下路由模塊SRM狀態(tài)監(jiān)測，從而形成星型的結(jié)構形式，結(jié)構靈活，單節(jié)點出現(xiàn)故障時，對整體網(wǎng)絡結(jié)構的影響較小，容易拓展，VLAN設置合理，層次清晰。

3.1.2 網(wǎng)絡通信協(xié)議

樂東22-1控制網(wǎng)絡采用光纖、DSL混合通信，從MCS到SRM采用全雙工光纖通信鏈路，從SRM到廠家A的SCM采用的是DSL電纜通信，從SRM到廠家B的SCM采用的以太網(wǎng)通信。網(wǎng)絡通信協(xié)議使用Modbus TCP和TCP/IP協(xié)議，這兩種協(xié)議的傳輸速率一般為10 MB/s，光纖的通信速率可達100 MB/s，符合API 17F通信標準。

3.1.3 網(wǎng)絡冗余配置

樂東22-1控制網(wǎng)絡水下生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集層（采油樹SEM、管匯SEM）和水上控制系統(tǒng)監(jiān)測層的設備（MCS）均進行了冗余配置，使得控制網(wǎng)絡更加安全、有效，實時性更高，可提高整個網(wǎng)絡的容錯性、耐久性和可靠性。

3.1.4 水下控制系統(tǒng)設備接入網(wǎng)絡方式

樂東22-1水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集設備（采油樹SEM、管匯SEM、水下監(jiān)控系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)）通過Access端口連入SRM交換機，通信速率可達10 MB/s；MCS和SRM通過Trunk端口連入光端機，通信速率可達100 MB/s。

樂東22-1水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡設備接入網(wǎng)絡方式見表3。

3.2 樂東22-1水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性現(xiàn)場測試

根據(jù)筆者制定的水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法，對樂東22-1氣田開展水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性現(xiàn)場測試（圖4）。

經(jīng)現(xiàn)場測試，樂東22-1水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集單元設備測試、通信單元設備測試、通信集成測試設備測試、水下集成測試以及控制系統(tǒng)集成測試的網(wǎng)絡連通性及通信質(zhì)量良好，通信速率、丟包率、訪問延時等各項性能指標測試均能達到API 17F以及筆者提出的水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信參數(shù)的詳細要求。在Ping過程中修改通信速率，模擬斷電-供電故障切換，通信恢復功能和恢復時間結(jié)果良好。在無丟包的情況下，以最大通信速率開展10次故障模擬以及連續(xù)運行48 h熱插拔測試，試驗情況良好。

4 結(jié)論

4.1 提出一種水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法，該方法測試通信速率、丟包率、訪問延時、模擬斷電-供電故障切換、通信恢復功能，驗證冗余功能。

4.2 從層次結(jié)構、通信協(xié)議、冗余配置、設備接入方式等方面分析水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。

4.3 成功應用于樂東22-1氣田現(xiàn)場測試，驗證了所提出的水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法，為樂東22-1氣田的成功開發(fā)提供了技術支持，也為相關深水油氣田控制網(wǎng)絡可靠性測試提供了參考。

參 考 文 獻

［1］ 左信，岳元龍，段英堯，等.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)綜述［J］.海洋工程裝備與技術，2016，3（1）：58-66.

［2］ API.Standard for Subsea Production Control Systems：API 17F［S］.Washington D.C.，USA：API，2017.

［3］ PIMENTEL J，ARIF J.Communication Network Optimization for Subsea Processing Fields Development［C］//2019 Petroleum and Chemical Industry Conference Europe.Piscataway，NJ：IEEE，2019：1-8.

［4］ Subsea Instrumentation Interface Standardization（SIIS）） Recommended Practice：SIIS RP［S］.2016.

［5］ 李弋強，徐中偉，喻鋼.交叉冗余體系結(jié)構的安全性分析［J］.計算機工程與應用，2010，46（12）：198-200.

（收稿日期：2023-09-20，修回日期：2024-06-11）

Reliability Test Method for Subsea Control System Network and Its Application in LD22-1 Gas Field

LI Yu-hang， ZHANG Lei， LI Qing-li， LIU Lu-jing， YUE Yuan-long， ZUO Xin

（College of Information Science and Engineering /College of Artificial Intelligence， China University of Petroleum （Beijing））

Abstract " The reliability test method for underwater control system network was studied. Firstly， the underwater control system’s network structure was analyzed and its reliability test method was proposed to test both connectivity and communication quality of the network； and then， the network reliability of the underwater control system was analyzed from hierarchical structure， communication protocol， redundant configuration and the way of having the equipment accessed to the network； finally， the test method was successfully applied to reliability testing of the underwater control system’s network communication in LD22-1 gas field.

Key words " subsea control system， network reliability， reliability test method， communication quality， redundant configuration

作者簡介：李宇航（1999-），碩士研究生，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)布局優(yōu)化、水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設計工作。

通訊作者：岳元龍（1984-），高級工程師，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、水下通信協(xié)議、高可靠性嵌入式系統(tǒng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合的研究，yueyuanlong@cup.edu.cn。

引用本文：李宇航，張磊，李晴莉，等.水下控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性測試方法及在樂東22-1氣田的應用［J］.化工自動化及儀表，2024，51（4）：699-705.