分布式控制系統(tǒng)在油氣田站場模塊化中的應(yīng)用

姚彬，楊靜，張玉恒

(1. 中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011; 3. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257000)

模塊化設(shè)計(jì)和制造的研究開始于19世紀(jì)50年代末60年代初。模塊化技術(shù)在現(xiàn)代多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展和實(shí)施，主要包括核電行業(yè)、遠(yuǎn)洋船舶、大飛機(jī)制造行業(yè)。受其他行業(yè)發(fā)展的啟發(fā)，石油行業(yè)在熱能機(jī)組、海洋平臺(tái)、煉油化工等領(lǐng)域，開始逐步應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)及建造技術(shù)。

隨著非常規(guī)、邊際油氣田和海外項(xiàng)目的逐漸增多，對控制系統(tǒng)模塊化/撬裝化的需求也越來越多。典型的如海上中心平臺(tái)、油氣田集中處理站等，均有近百個(gè)工藝撬塊。目前，油氣田站場工藝撬塊集成度較高，而與之配套的控制系統(tǒng)仍沿用集中式布置，這樣造成撬塊到中控系統(tǒng)間的電纜較多，而且必須在現(xiàn)場敷設(shè)，增加了現(xiàn)場施工和調(diào)試工作量。另外在撬塊搬遷時(shí)，大量電纜還必須重新敷設(shè)，有些甚至還必須重新采購。因此，為適應(yīng)工藝模塊化/撬裝化的要求，控制系統(tǒng)的模塊化/撬裝化也勢在必行。

1 模塊化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的工廠，控制系統(tǒng)一般多采用I/O卡件集中布置在機(jī)柜間/站控室，現(xiàn)場儀表閥門等信號(hào)一般采用從現(xiàn)場儀表端或接線箱通過控制電纜連接到控制機(jī)柜端子的方式。這樣的連接方式使得所有的控制電纜必須在現(xiàn)場進(jìn)行敷設(shè)，也使得儀表只能在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試[1]。

隨著越來越多的傳感器被用于監(jiān)控環(huán)境信息、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過程的各類參數(shù)，這些數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝轉(zhuǎn)型為分布式安裝，即基于遠(yuǎn)程I/O的分布式控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)在智能化生產(chǎn)時(shí)代會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)可組態(tài)分布式I/O模式的應(yīng)用使得系統(tǒng)搭建更為靈活。因此，在采用模塊化建設(shè)方式時(shí)，控制系統(tǒng)往往會(huì)采用遠(yuǎn)程分布式I/O的方式，并將之集中在各個(gè)模塊設(shè)置的電儀室或者現(xiàn)場機(jī)柜間內(nèi)。各模塊的遠(yuǎn)程I/O再通過光纖連接到中心控制室，而光纖則可采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。這樣的方案使得現(xiàn)場施工的工作量降到最低，而且每一個(gè)模塊中的儀表都可以在模塊預(yù)制車間完成工藝安裝和撬塊內(nèi)接線的工作，運(yùn)抵到現(xiàn)場后，僅需要連接預(yù)埋好的通信光纖即可。

因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡早確定系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)以及對控制柜的要求，以盡早開展現(xiàn)場電儀室/機(jī)柜間的設(shè)計(jì)。同時(shí)盡早邀請系統(tǒng)硬件供應(yīng)商的加入，提前確定控制系統(tǒng)的軟硬件方案以滿足現(xiàn)場電儀室/機(jī)柜間設(shè)計(jì)的要求。

2 實(shí)際案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

為了配合某含硫氣井的開發(fā)，在該地區(qū)建造了一套滿足單井試采要求的單井撬裝脫硫裝置。該裝置采用雙塔工藝進(jìn)行脫硫和硫磺回收，采用三甘醇脫水工藝脫水、采用熔硫和造粒工藝得到副產(chǎn)品硫磺。隨著試采結(jié)束，該套裝置需要考慮搬遷至其他試采井進(jìn)行試采。該研究內(nèi)容立足于吸取前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，通過論證優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，更好滿足撬裝化的設(shè)計(jì)要求，為設(shè)備建設(shè)及搬遷提供方便。

2.2 擬采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該套撬裝裝置在撬裝化控制室設(shè)置站場控制系統(tǒng)(SCS)，完成站內(nèi)工藝參數(shù)的采集、控制、顯示和存儲(chǔ)，對于工藝參數(shù)越限、火災(zāi)和氣體泄漏實(shí)現(xiàn)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)。SCS由過程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)構(gòu)成。PCS采用通用的PLC，負(fù)責(zé)站內(nèi)的生產(chǎn)流程以及輔助流程的數(shù)據(jù)采集和控制[1]。SIS采用SIL2認(rèn)證的PLC，為故障安全型，負(fù)責(zé)站內(nèi)SIS儀表信號(hào)的采集和聯(lián)鎖控制。

2.2.1不設(shè)置現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O方案

SCS均設(shè)置于控制室內(nèi)，信號(hào)電纜由現(xiàn)場儀表設(shè)備敷設(shè)至控制室。

2.2.2設(shè)置區(qū)域遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜方案

按照區(qū)域布置遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜，分別位于天然氣處理區(qū)、硫磺回收區(qū)、硫磺成型區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬，分別根據(jù)現(xiàn)場I/O點(diǎn)數(shù)設(shè)置一面或多面遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。各區(qū)域檢測與控制點(diǎn)分別將信號(hào)引入本區(qū)域的遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜中，再通過光纖與控制室內(nèi)的SCS機(jī)柜進(jìn)行通信。I/O機(jī)柜采用增安或隔爆設(shè)計(jì)。

由于可能存在井口區(qū)與脫硫站場分別分開設(shè)置的情況，因此井口區(qū)可能單獨(dú)設(shè)置遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。另外除井口與天然氣處理區(qū)外，SIS檢測控制點(diǎn)僅在天然氣處理區(qū)較多，因此可僅考慮在井口區(qū)與天然氣處理區(qū)設(shè)置SIS的遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。

2.2.3設(shè)置撬塊遠(yuǎn)程I/O箱方案

該方案在每個(gè)需要檢測控制的撬塊上設(shè)置1面遠(yuǎn)程I/O箱，撬塊遠(yuǎn)程I/O箱可隨撬塊一同成撬，該遠(yuǎn)程I/O箱替代了原控制方案中隨撬塊成撬的接線箱。

根據(jù)現(xiàn)場檢測控制點(diǎn)布置情況，井口區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬、機(jī)柜間的I/O配置與區(qū)域遠(yuǎn)程I/O箱方案相同。由于該方案中，每個(gè)撬塊SIS點(diǎn)數(shù)較少，因此不考慮設(shè)置撬塊SIS遠(yuǎn)程I/O箱，采用上述方案中的區(qū)域SIS I/O箱或不設(shè)置SIS現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。

2.3 對比分析

2.3.1硬件成本

對無現(xiàn)場I/O機(jī)柜方案、區(qū)域I/O機(jī)柜方案和采用配置撬塊I/O箱方案進(jìn)行定量對比分析，見表1所列。

表1 無現(xiàn)場I/O機(jī)柜方案、區(qū)域I/O機(jī)柜和撬塊I/O箱方案對比

設(shè)置區(qū)域I/O機(jī)柜或撬塊I/O箱的方案，不但增加了機(jī)柜或箱體數(shù)量、系統(tǒng)用電負(fù)荷，還需要考慮防爆區(qū)內(nèi)的機(jī)柜/箱體的防爆要求。由于增加了系統(tǒng)輸入輸出模塊數(shù)量，因此提高了控制系統(tǒng)的硬件投資，但可以有效減少電纜長度，大幅減少現(xiàn)場施工工作量。

2.3.2施 工

隨撬塊一同成撬的撬塊遠(yuǎn)程I/O箱方案可以將控制系統(tǒng)集成于撬塊當(dāng)中，作為撬塊一部分，僅需要增加電源以及SCS的光纖敷設(shè)的現(xiàn)場施工工程量，并且減少了接線箱的安裝工程量。因此撬塊遠(yuǎn)程I/O箱方案現(xiàn)場施工工程量最低。

不管設(shè)置撬塊遠(yuǎn)程I/O箱還是區(qū)域遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜，均能夠使大部分的施工工程量調(diào)整到加工工廠中安裝完成，并且有利于撬塊整體搬遷。同時(shí)，電纜工程量大幅度減少，與之配套的橋架、鋼管等材料也相應(yīng)減少。而電纜、橋架、鋼管現(xiàn)場安裝的工作量很大，可以減少現(xiàn)場的施工工程量，加快項(xiàng)目進(jìn)度。

2.3.3調(diào) 試

系統(tǒng)調(diào)試難度增加，現(xiàn)場調(diào)試檢測難度降低，減少現(xiàn)場側(cè)物理接線的檢查工作量，大部分工作改為總線通信調(diào)試，軟件調(diào)試工作量增加，但軟件的修改相較硬件調(diào)試更為直接方便，提高了調(diào)試效率，但前提是調(diào)試人員要具備相應(yīng)的技術(shù)能力。

2.3.4維 護(hù)

維護(hù)要求門檻提高，原先的硬接線形式對于維護(hù)人員的要求不高，熟悉基本的電氣原理即可勝任。采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)后，維護(hù)工作量集中在通信和軟件調(diào)試，需要有一定軟件操作基礎(chǔ)的工程師才可以勝任。

2.3.5經(jīng)濟(jì)效益

隨著采集測控點(diǎn)數(shù)量的增加，使用優(yōu)化后的系統(tǒng)有更為明顯的經(jīng)濟(jì)效益： 首先，由于分布式I/O技術(shù)的總線數(shù)據(jù)傳輸，減少了現(xiàn)場的接線和調(diào)試工作量；其次，大部分工作為軟件調(diào)試，通信一旦建立，可以不受不良天氣的影響，可以縮短工期，有效減少投資。

3 防爆和防護(hù)及環(huán)境控制

對于設(shè)置于非防爆區(qū)、溫濕度可控的環(huán)境，常規(guī)控制柜即可滿足要求的情況，本文不再做進(jìn)一步的論述，下面主要討論在防爆2區(qū)、室外情況下的控制柜防爆、防護(hù)及環(huán)境控制。

3.1 遠(yuǎn)程I/O控制柜防爆及防護(hù)

3.1.1隔爆型控制柜

采用隔爆型控制柜，最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以采用普通的卡件，選擇范圍廣，成本低。但相應(yīng)的需要面對以下問題：

1)I/O卡件、電源安裝在隔爆控制柜內(nèi)，隔爆控制柜露天安裝，無遮陽，長期運(yùn)行，內(nèi)部散熱只能依靠柜體本身與外界的溫差自然散熱，且由于隔爆殼體厚重，炎熱及陽光直曬環(huán)境下散熱效率低，造成內(nèi)部高溫，加快電子原件的老化甚至由于溫度過高而無法工作。

2)隔爆控制柜造價(jià)高，且殼體厚重，如果接入的測控點(diǎn)較多，控制柜的體積和質(zhì)量難以控制。

3)現(xiàn)場檢修、維護(hù)及測試工作進(jìn)行前，需切斷電源，且必須確保周圍環(huán)境中可燃?xì)怏w含量在安全范圍內(nèi)，同時(shí)防爆型柜體開關(guān)相對費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3.1.2增安型控制柜

采用本安型遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜及配套的電源、空氣開關(guān)等，理論上選擇防護(hù)等級(jí)滿足室外防護(hù)要求的控制柜即可，不需考慮防爆要求，但根據(jù)實(shí)際的案例和經(jīng)驗(yàn)，業(yè)主方往往要求選擇增安型控制柜以增加可靠性和安全性。采用增安型控制柜，需要注意以下問題：

1)I/O模板、電源、空氣開關(guān)、保險(xiǎn)等均需有防爆2區(qū)認(rèn)證，硬件成本高。

2)對施工水平和質(zhì)量要求高，日后維護(hù)成本也較采用普通卡件加隔爆控制柜的方式要高。

3)由于增安型控制柜對密封的要求，其內(nèi)部散熱也與隔爆型控制柜類似，只是殼體相對較薄，內(nèi)部元件散熱量相對較少，但極端環(huán)境下的散熱仍是需要考慮的問題。

3.1.3建 議

雖然隔爆型控制柜在柜體上造價(jià)較高，但是在總體成本上仍遠(yuǎn)低于本安卡件及其相關(guān)聯(lián)硬件，如電源、空氣開關(guān)等帶來的費(fèi)用增加。

對于本安型遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，目前西門子公司可以提供全套的解決方案，由于防爆2區(qū)認(rèn)證的電源、空氣開關(guān)市面上相對較多，羅克韋爾公司和倍加福公司則只提供I/O卡件本身，需要另外配套本安電源等。

綜合來說，環(huán)境情況良好時(shí)，即溫度適宜、無太陽直曬等，可以考慮采用隔爆型控制柜加普通卡件的方式以節(jié)約成本；環(huán)境相對嚴(yán)苛?xí)r，若業(yè)主方可以忽略成本的前提下，增安型控制柜加本安型卡件是優(yōu)先選擇。

3.2 遠(yuǎn)程I/O控制柜環(huán)境控制

遠(yuǎn)程I/O控制柜的環(huán)境控制，主要是保證其內(nèi)部環(huán)境工作溫度在電子器件適宜的范圍內(nèi)。對于低溫區(qū)域，采用隔爆型的電伴熱即可滿足要求，且技術(shù)成熟，選擇范圍廣。因此，本節(jié)主要討論的是隔爆和增安型控制柜內(nèi)部散熱的方法及對應(yīng)的環(huán)境策略。

3.2.1控制柜的散熱方式

目前市面上常見的遠(yuǎn)程I/O模塊，其工作溫度范圍基本為-20～60 ℃，有些廠家的產(chǎn)品可以做到-40～70 ℃。因此，如果環(huán)境溫度適宜，適當(dāng)增加遮陽等措施，在國內(nèi)大多數(shù)區(qū)域是可以滿足現(xiàn)場使用要求的。

在氣候環(huán)境相對嚴(yán)苛的條件下，比如熱帶沙漠地區(qū)，太陽光照強(qiáng)烈，環(huán)境溫度常年高溫，建議從以下方面加以完善：

1)露天陽光直射的防爆控制柜應(yīng)加裝遮陽板，注意遮陽板與柜體間留有一定通風(fēng)間隙。

2)防爆控制柜后端加裝散熱板，易于柜體的散熱，且注意柜體內(nèi)的發(fā)熱元件安裝布置擺放應(yīng)盡量松散一些，留出散熱空間。

3)出于安全考慮可以采用正壓防爆控制柜，控制柜內(nèi)通壓縮空氣或氮?dú)饩?。尤其是體積較大的控制柜，采用正壓防爆型。

3.2.2新技術(shù)的應(yīng)用

半導(dǎo)體制冷技術(shù)也叫溫差制冷技術(shù)或者熱電制冷技術(shù)，它是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，是基于帕爾貼效應(yīng)的原理達(dá)到制冷目的，即在兩種不同金屬組成的閉合線路中，通以直流電流，一端會(huì)產(chǎn)生熱量，一端會(huì)吸收熱量[3]。

將半導(dǎo)體制冷片固定在控制箱隔壁外殼壁內(nèi)，熱端一側(cè)緊貼隔爆外殼壁，在外殼壁與半導(dǎo)體制冷片冷端之間涂導(dǎo)熱硅膠，使外殼壁和半導(dǎo)體制冷片充分接觸，減少因接觸空隙產(chǎn)生的溫差，提高了半導(dǎo)體制冷的效率[3]。為了使熱量能夠及時(shí)散發(fā)出去，一般情況下還需要在外殼外部焊接輔助散熱翹片，提升散熱能力。

利用半導(dǎo)體制冷法具有易于調(diào)控、無制冷劑、無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無噪聲以及無污染等優(yōu)點(diǎn)。但仍有以下兩點(diǎn)問題需要解決：

1)市面上缺少成熟的、有實(shí)際應(yīng)用案例的并取得防爆2區(qū)及以上認(rèn)證的半導(dǎo)體制冷設(shè)備。

2)半導(dǎo)體制冷產(chǎn)生的冷凝水處理問題，尤其是機(jī)柜內(nèi)部產(chǎn)生的冷凝水會(huì)對電子元件造成損害，因此需要考慮機(jī)柜內(nèi)部的溫濕度控制。

4 結(jié)束語

模塊化建設(shè)較傳統(tǒng)建設(shè)模式能更好地適應(yīng)油氣田地面建設(shè)工程，可以縮短工程施工周期，降低現(xiàn)場的管控風(fēng)險(xiǎn)，提高施工質(zhì)量，讓業(yè)主方更早投產(chǎn)，及早見到效益[4]。采用基于遠(yuǎn)程I/O的和撬塊I/O的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路相比，結(jié)構(gòu)簡單、易于現(xiàn)場實(shí)施，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方案不具備的系統(tǒng)復(fù)用性。對于實(shí)際項(xiàng)目控制系統(tǒng)方案的選擇，還需根據(jù)實(shí)際情況及項(xiàng)目后期安排在初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行優(yōu)化，以更好地服務(wù)于模塊化建設(shè)。