渤海明珠號FPSO DCS控制系統(tǒng)升級改造研究

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

FPSO是對開采的石油進行油氣水三相分離，并兼具動力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲存和外輸、人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性大型海上石油生產(chǎn)設(shè)施。渤海明珠號FPSO于1993年建成，先后服役于綏中36-1油田、蓬萊19-3油田和渤中25-1油田。明珠號FPSO的工藝流程的監(jiān)控和管理主要由艾默生公司的RS3型DCS系統(tǒng)負責(zé)，在很大程度上實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化。

渤海明珠號的RS3控制系統(tǒng)(系統(tǒng)ID:0003-0000-3115)，自1993年投運，2002年做過一次RS3軟件版本升級(從V15升級到P1)和硬件擴展，系統(tǒng)至今軟件版本一直運行在P1版。根據(jù)服役的蓬萊19-3油田需要，經(jīng)過一次升級改造，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變?yōu)橹锌丶舆h程模式，遠程機柜安裝在LER(現(xiàn)場設(shè)備間，位于船艉)。中控IO接口和卡件分為冗余與非冗余模式，系統(tǒng)由UPS 110VAC電源供電。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

1)RS3控制系統(tǒng)屬于艾默生控制系統(tǒng)系列中較早期的產(chǎn)品，已經(jīng)連續(xù)工作了20多年，隨著設(shè)備使用年限的增長，可靠性逐漸降低，使得今后中控系統(tǒng)的生產(chǎn)穩(wěn)定性難以保障。

2)維護該系統(tǒng)正常運行的成本逐年增高。部分原始電子器件供應(yīng)商已經(jīng)限量或停止生產(chǎn)(例如磁帶機、硬盤), 從而導(dǎo)致RS3的備件價格逐年上漲，甚至停止供應(yīng)(國家要求相關(guān)產(chǎn)品在進關(guān)時需要提供相關(guān)的3C認證，由于RS3的某些備件由于是很老的產(chǎn)品，不能申請3C認證，所以無法進關(guān))。

3)RS3難以操作和維護，需要專業(yè)的RS3控制系統(tǒng)工程師維護，維護門檻很高，培訓(xùn)或培養(yǎng)維護和操作該系統(tǒng)的工程師較為困難。

4)操作站和軟件版本等軟硬件配置都比較低，RS3控制系統(tǒng)MTCC操作員站內(nèi)部電子單元的元器件已經(jīng)老化，故障率升高，經(jīng)常發(fā)生死機的現(xiàn)象[1]。

5)其中一臺MTCC操作員站(共兩臺)已經(jīng)出現(xiàn)故障，無法啟動，廠家工程師檢查也未解決該故障，初步診斷為CPU，SCSI卡和硬盤故障。

6)其中一套控制器(共兩套)已經(jīng)出現(xiàn)故障，根據(jù)CPU 卡件顯示故障紅燈，初步診斷為CPU故障；一套NV Memory 卡件顯示故障紅燈，初步診斷為NV Memory 卡件故障，現(xiàn)在處于帶病運行狀態(tài)。

7)隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，RS3控制系統(tǒng)逐步被新產(chǎn)品所取代，作為老一代DCS代表的RS3控制系統(tǒng)在報表、流程圖、可視化、易操作性等諸多方面均無法滿足日益提高的監(jiān)控和管理要求。

RS3控制系統(tǒng)是非常經(jīng)典的DCS系統(tǒng)，近20年來的運行情況也得到了充分的肯定。但是從發(fā)展的角度來看，作為老一代DCS代表的RS3控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益升級的監(jiān)控和管理要求。RS3控制系統(tǒng)操作環(huán)境、數(shù)據(jù)總線和網(wǎng)絡(luò)通信為封閉的系統(tǒng)，在平臺開放性方面功能較弱。RS3控制系統(tǒng)逐步被主導(dǎo)產(chǎn)品所取代，備件供應(yīng)困難、價格昂貴、維護成本高。RS3控制系統(tǒng)受到內(nèi)部功能和結(jié)構(gòu)的限制，擴展性能較差。明珠號如需到下一個油田服役，RS3控制系統(tǒng)將成為整個工藝流程控制的短板和隱患。綜上所述，對明珠號RS3型DCS系統(tǒng)進行軟硬件升級很有必要。

2 系統(tǒng)升級改造

2.1 系統(tǒng)升級選擇

當前海洋石油設(shè)施上的DCS系統(tǒng)的使用呈現(xiàn)多樣化的趨勢，比如海洋石油112采用的是FOXBORO公司的I/A Series系統(tǒng)，海洋石油113采用的HONEYWELL公司的PKS系統(tǒng)，渤海世紀號采用的是ABB公司的Advant controller 450系統(tǒng)[2]?？紤]到渤海明珠號FPSO已經(jīng)到達其生命周期的末期，如果簡單地對現(xiàn)有系統(tǒng)進行推倒重建，無疑將造成資源浪費。推倒重建不僅需要購買新系統(tǒng)的投資，還將涉及到重建新系統(tǒng)所需要的相關(guān)工程投資(比如人力，物力及財力等)，將使整個升級改造項目工作量大增，經(jīng)濟性降低。為了使現(xiàn)有DCS系統(tǒng)軟、硬件資源得到充分利用，首先應(yīng)考慮做操作站的改造，其次是考慮做控制器的升級改造，最終選擇做I/O級的改造。在充分利用好現(xiàn)有資源的同時，能夠讓升級改造后的系統(tǒng)保持整體性和一致性的方案才是最優(yōu)的。

艾默生公司后續(xù)推出的DELTA V控制系統(tǒng)在延續(xù)了RS3控制系統(tǒng)優(yōu)點的同時，還緊跟計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，融入了一些最新的自動化科技，使整個系統(tǒng)具備主流DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢特性，如：支持各種現(xiàn)場總線，基于工業(yè)以太網(wǎng)，易于擴展，可在線升級，同時內(nèi)嵌各種復(fù)雜控制算法和先進控制系統(tǒng)。DELTA V控制系統(tǒng)不但自身具有許多優(yōu)秀特性，最重要的是它能夠從RS3控制系統(tǒng)無縫升級，最大限度地保留原DCS系統(tǒng)的硬件，從而實現(xiàn)升級改造工作量最小化、改造投資最小化。

2.2 中控室的布局改造

由于改造明珠號FPSO上的空間有限，特別是中央控制室，布局緊湊，DCS系統(tǒng)改造必須結(jié)合中央控制室內(nèi)空間的的實際情況，否則就只能是紙上談兵。

根據(jù)明珠號F&G系統(tǒng)和ESD系統(tǒng)也需要升級改造的實際情況，對中控三大控制系統(tǒng)的升級改造可以根據(jù)需要將中控室的機柜挪位或拆除。優(yōu)化中控室的布局，充分利用有限空間。將原有DCS機柜拆除，進行重新布局，拆除兩臺RS3 CPU 機柜， 同時將ESD 機柜搬移到與PCS機柜并排擺放。

兩臺新機柜：一臺(2 100 H×600 W×800 D)用于更換高頻電話機柜； 一臺(2 100 H×800 W×800 D)用于更換外輸流量計PLC控制系統(tǒng)機柜，即將原柜內(nèi)的所有元件移至新機柜內(nèi)。PCS機柜為艾默生提供的升級后的兩臺新機柜，內(nèi)部集成DELTA V控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

為節(jié)約成本，ESD系統(tǒng)機柜不做改造，只是將位于PCS機柜的ESD繼電器和相應(yīng)端子移到新PCS機柜內(nèi)。F&G新機柜分為2 000 H×1 200 W×800 D和2 000 H×800 W×800 D 兩種規(guī)格。

1 200 W機柜內(nèi)部集成DELTA V控制系統(tǒng) SIS系統(tǒng)，用于點對點接入設(shè)備；800 W機柜用于接線柜，同時面板安裝原GD 探頭的Flame Detection System+Relay Module二次儀表設(shè)備；F&G可尋址盤柜用于連接原12條可尋址鏈路，內(nèi)部集成處理器、通信卡件、端子等，同時內(nèi)部集成后備電源，其容量滿足系統(tǒng)失電后可尋址盤仍能持續(xù)15～30 min運行；位于現(xiàn)場的遠程機柜外觀完好，不做更換，只將內(nèi)部RS3控制系統(tǒng)升級和更換相應(yīng)元件；為升級后F&G與PCS系統(tǒng)將提供新的110 VAC～24 VDC電源，在滿負載時仍預(yù)留20%～40%的余量。

2.3 控制網(wǎng)絡(luò)與通信方式選擇

RS3控制系統(tǒng)改造完成后，要求新系統(tǒng)具有開放性、通用性和良好的擴展性。首先得將現(xiàn)有RS3控制系統(tǒng)的PEERWAY通信協(xié)議通過專用網(wǎng)絡(luò)接口(包括硬件與驅(qū)動軟件)轉(zhuǎn)換成標準的以太網(wǎng)通信協(xié)議，與F&G系統(tǒng)以及ESD系統(tǒng)在控制、操作、通信等方面完全兼容。在確保這些數(shù)據(jù)的完整性及高度可靠性的前提下，實現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)、控制器數(shù)據(jù)、中間計算數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)的共享，快速實時數(shù)據(jù)交換[3-4]。最后，使得新的DCS控制系統(tǒng)在整個網(wǎng)絡(luò)框架下，與F&G系統(tǒng)及ESD系統(tǒng)各司其職，高可靠性地協(xié)同完成所有的生產(chǎn)過程控制。 因此整個系統(tǒng)各節(jié)點之間選擇合適的通信方式顯得尤為重要。

1)HMI與DELTA V控制系統(tǒng)之間的通信。DOR作為RS3控制系統(tǒng)的HMI軟件，雖然可以瀏覽DELTA V控制系統(tǒng)的畫面，但在功能上與DELTA V控制系統(tǒng)有著較大的差別。例如，由于工具欄和報警欄的不同，DOR無法打開DELTA V控制系統(tǒng)的報警列表和操作記錄，也不能看到DELTA V控制系統(tǒng)的實時報警條造車網(wǎng)版權(quán)所有，這樣對于在DOR上直接瀏覽DELTA V控制系統(tǒng)畫面顯然不方便，為此，HMI(人機界面)系統(tǒng)需要將RS3原有的MTCC操作站全部替換為Windows平臺上的DELTA V控制系統(tǒng)操作站[5-6]。

2)DELTA V控制系統(tǒng)與Tricon ESD之間的通信。渤海明珠號FPSO上的ESD系統(tǒng)采用的是TRICONEX公司的Tricon三重冗余容錯控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對全船的安全保護、安全緊急停車和事故記憶等任務(wù)。Tricon系統(tǒng)的I/O卡件均采用冗余結(jié)構(gòu)，每個輸入/輸出點的信號都采用三重選舉電路處理，因而安全性和可靠性極高。鑒于本套系統(tǒng)依然工作正常，且經(jīng)廠家檢測，依然具有足夠高的穩(wěn)定性和可靠性，不需要對其進行替換。

Tricon ESD系統(tǒng)需要將各個測量點的報警信息和控制流程傳送到DELTA V控制系統(tǒng)的操作界面上監(jiān)視，這些信息都是停車或工藝流程診斷的重要依據(jù)。作為一種簡單而又可靠的通信方式，Modbus通信成為了DELTA V控制系統(tǒng)與Tricon ESD系統(tǒng)之間通信的首選：DELTA V控制系統(tǒng)作為Modbus主站，Tricon ESD作為從站，實現(xiàn)兩者間通信[7]。

2.4 I/O點配置

根據(jù)現(xiàn)有I/O點，配置如表1。

當明珠號確定下一個目標油田后，根據(jù)目標油田所需要的工藝處理流程，可能需要增減設(shè)備，則可以在現(xiàn)有I/O配置表上增減新的I/O點。

2.5 操作站升級

1)采用目前主流服務(wù)器和工作站計算機。一臺PLUS站+兩臺操作員站。

2)PLUS站采用性能可靠的DELL或Thinksever服務(wù)器，雙電源、雙硬盤，預(yù)裝Windows Server 2008操作系統(tǒng)，PLUS具有對DELTA V控制的全部權(quán)限。

3)操作員站采用主流工作站計算機，每臺操作員站為雙顯示器配置，有利于操作人員全面及時的對生產(chǎn)監(jiān)控，操作員站預(yù)裝Windows 7操作系統(tǒng)。

表1 I/O點配置

4)配個多個用戶組，并給每個用戶組劃分不同的操作權(quán)限。各級別用戶憑借用戶名和密碼進行登錄。

5)配套提供專用操作臺和椅子。

2.6 軟件版本升級

將目前RS3控制系統(tǒng)升級為DELTA V控制系統(tǒng)V11.3版本，目前該版本為海油平臺廣泛使用版本，穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)具有以下特點。

1)新的V11.3版本DELTA V控制系統(tǒng) 畫面顏色更加細膩，圖素更全面、形象，操作界面日趨完美，改進的人機界面便于用戶迅速發(fā)現(xiàn)報警，及時處理生產(chǎn)裝置中出現(xiàn)的故障；

2)新的V11.3版本的軟件更加完善了系統(tǒng)的功能，用戶可以選擇自動配置功能塊下載到每個分區(qū)，每個分區(qū)功能塊的數(shù)量從64增加到96個。每個分區(qū)可以設(shè)置4個單獨的宏周期， 用戶可以根據(jù)控制和監(jiān)視設(shè)備不同的響應(yīng)周期需求，進行專門的設(shè)置?？梢詾橛脩魩順O大的便利；

3)改進的功能能夠紀錄每個采集點的完整文字狀態(tài)描述，為用戶分析過程故障提供便利；

4)操作功能、組態(tài)進行優(yōu)化，有效減輕系統(tǒng)負載，加快系統(tǒng)運行速度。

3.7 建立于其它系統(tǒng)的聯(lián)系

整個中控系統(tǒng)升級后，PCS系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))、ESD系統(tǒng)、F&G火氣系統(tǒng)，各個系統(tǒng)全部集成在同一冗余EtherNet網(wǎng)絡(luò)。PCS 系統(tǒng)分為3個節(jié)點，與ESD 系統(tǒng)仍沿用冗余Modbus 協(xié)議，采集ESD 系統(tǒng)的信號狀態(tài)、報警信息， 同時也實現(xiàn)對ESD 系統(tǒng)的控制操作。遠程PCS 機柜(No.3節(jié)點)采用冗余光纖接入中控主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。F&G 系統(tǒng)分為主DELTA V控制系統(tǒng) SIS系統(tǒng)和可尋址系統(tǒng)：SIS系統(tǒng)用于接入除可尋址設(shè)備之外的點對點設(shè)備，可尋址系統(tǒng)用連接12條可址鏈路設(shè)備，并采用冗余Modbus 協(xié)議與主SIS系統(tǒng)通信，進行數(shù)據(jù)交互。操作站采用1臺PLUS 站，2臺雙屏模式的操作員站，同時分配不同的控制權(quán)限，憑借用戶名和密碼進行登錄，并配備一臺針式報警打印機。手動操作盤將集成F&G 系統(tǒng)手動操作、復(fù)位、旁通、手動測試等的所有手動功能。升級改造后，明珠號中控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 明珠號中控系統(tǒng)最終結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)束語

渤海明珠號FPSO現(xiàn)?？吭谏胶ｊP(guān)船廠碼頭，處于停產(chǎn)擱置狀態(tài)。對一個服役目標油田而言，有針對性的設(shè)備改造具有現(xiàn)實意義。DCS系統(tǒng)作為生產(chǎn)工藝流程的大腦，升級改造工作將是重中之重。本文針對渤海明珠號FPSO的PCS系統(tǒng)——RS3控制系統(tǒng)的特點和現(xiàn)狀，以及F&G系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對整個中控系統(tǒng)的升級改造問題進行探索研究，并充分考慮升級改造工作的可行性及經(jīng)濟性，可供明珠號FPSO將來中控系統(tǒng)的升級改造參考。

[1] Rosemount Inc.RS3 Operator Station Software Release

Notes [M].Rosemount Inc.,1998.

[2] 高 娟,王世榮.化工儀表與自動控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3] Rosemount Inc.RS3 Control Block Configuration Manual [M].Rosemount Inc.,1996.

[4] Rosemount Inc.RS3 Service Manual Volume 1,2,3,4 [M].Rosemount Inc.,1994.

[5] 馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[6] 王先培.測控總線與儀器通信技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[7] 華 镕.從Modbus到透明就緒:施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計、安裝和應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.