海上油氣田儀控系統(tǒng)智能化方案探討

張 穎，何驍勇，鄭 偉，徐正海，鐘雨桐

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

油氣行業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，是企業(yè)提高核心競爭力和加快自身發(fā)展的必然要求，是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢。

海上油氣田智能化建設(shè)旨在提高海上油氣田數(shù)字化和智能化水平，提高設(shè)備可靠性和生產(chǎn)時(shí)率，減少現(xiàn)場操作維護(hù)工作量并優(yōu)化人員配置，提高油田全生命周期效益。為生產(chǎn)指揮和經(jīng)營決策提供數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)海上油氣田生產(chǎn)業(yè)務(wù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

海上油氣田智能化建設(shè)涉及勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、管理到?jīng)Q策各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的全面感知、協(xié)同發(fā)展、科學(xué)決策及自主優(yōu)化[1]。海上油氣田儀表與控制系統(tǒng)作為海上平臺感知與控制中心，在智能化建設(shè)中起著十分重要的作用。本文分析了海上油氣生產(chǎn)平臺儀控系統(tǒng)現(xiàn)狀，并結(jié)合油田智能化建設(shè)目標(biāo)，提出了儀控系統(tǒng)的智能化方案。

1 海上油氣田儀控系統(tǒng)現(xiàn)狀

儀控系統(tǒng)是海上油氣田的生產(chǎn)與控制中心，是實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)高度自動化與設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心。海上平臺儀控系統(tǒng)一般由中控系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表、就地控制盤等部分組成?，F(xiàn)場儀表負(fù)責(zé)生產(chǎn)流程參數(shù)的采集、感知，并執(zhí)行中控發(fā)來調(diào)節(jié)動作；中控系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，對工藝公用生產(chǎn)過程進(jìn)行分析與控制，并監(jiān)測平臺生產(chǎn)、設(shè)施安全狀態(tài)，在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)措施以保護(hù)平臺人員及設(shè)施的安全[2]。

目前，海上平臺儀控系統(tǒng)自動化程度較高。現(xiàn)場儀表多選用帶HART協(xié)議的智能儀表，但在HART儀表的智能化管理及應(yīng)用方面尚存在改進(jìn)空間。此外，儀控系統(tǒng)的優(yōu)化控制、儀控設(shè)備的在線監(jiān)測與診斷、智能化管理軟件的應(yīng)用等方面，也是儀控系統(tǒng)智能化的重點(diǎn)方向。

2 海上平臺儀控系統(tǒng)智能化方案

儀控系統(tǒng)智能化方案主要通過對中控系統(tǒng)（PCS、ESD、FGS）、現(xiàn)場儀表/閥門、火氣探測設(shè)備以及其它相關(guān)設(shè)備進(jìn)行智能化提升，包括配置智能儀表管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制、現(xiàn)場的全面感知以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)程控制等，提高油氣田自動化能力，減少人員干預(yù)過程，提高控制可靠性，最終在油氣田生產(chǎn)的整個(gè)壽命周期內(nèi)提高經(jīng)濟(jì)效益和控制水平。

2.1 生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制

海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施儀控系統(tǒng)的自動化程度與產(chǎn)品性能一直處于國內(nèi)領(lǐng)先、世界先進(jìn)的水平。隨著自動化技術(shù)和控制系統(tǒng)產(chǎn)品的不斷發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)施儀控系統(tǒng)的自動化程度與安全可靠性得到了很大的提升。目前，海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施控制系統(tǒng)基本上都采用常規(guī)的PID控制，中控系統(tǒng)具有一定的負(fù)責(zé)控制算法，采用智能或優(yōu)化控制技術(shù)的平臺很少，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)沒有被充分利用和挖掘。

優(yōu)化控制[3]是海上平臺儀控系統(tǒng)智能化的一個(gè)重要方向。優(yōu)化控制可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，獲取生產(chǎn)過程不同層次的過程信息，并提供生產(chǎn)過程的更優(yōu)控制方法，提高效率，降低能耗。主要包括但不限于以下幾個(gè)方面：

1）采用多變量預(yù)測控制方法，為存在交互作用的工業(yè)裝置提供先進(jìn)控制和優(yōu)化功能，保證工藝過程的平穩(wěn)運(yùn)行，并使工藝過程接近最佳操作點(diǎn)。

2）采用實(shí)時(shí)動態(tài)優(yōu)化控制方法，保證控制系統(tǒng)在動態(tài)中的全局優(yōu)化。不僅確定優(yōu)化操作點(diǎn)，同時(shí)規(guī)劃到達(dá)該優(yōu)化操作點(diǎn)的最佳路徑。

3）針對PID較難控制場合的模型預(yù)估控制方法，如利用分析儀產(chǎn)生不連續(xù)信號的控制問題，存在長時(shí)間滯后的過程控制，罐的液位控制等。

4）針對復(fù)雜控制過程的優(yōu)化控制，如分餾塔等工藝過程的優(yōu)化控制。

2.2 儀控系統(tǒng)的智能監(jiān)測與管理

海上平臺控制系統(tǒng)是一類由被控對象、傳感器、控制器和執(zhí)行器組成的大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)，包含上百個(gè)控制回路。儀表與控制系統(tǒng)是整個(gè)平臺的生產(chǎn)及控制中心，是實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)高度自動化與設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心。儀控系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，關(guān)系到平臺能否安全生產(chǎn)與作業(yè)。

因此，儀控設(shè)備的智能監(jiān)測與管理，控制系統(tǒng)的在線監(jiān)測、故障預(yù)警及診斷，具有重要的應(yīng)用意義。

1）儀控設(shè)備的智能監(jiān)測與管理

由于容錯(cuò)控制技術(shù)的成熟，再加上在海上平臺儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對安全完整性等級（SIL）以及冗余設(shè)置的要求，使得控制器軟、硬件可靠性已達(dá)到了較高水平，傳感器和執(zhí)行器的故障成為目前控制系統(tǒng)失效的主要原因。

目前，大部分海上平臺已配備帶有HART協(xié)議的智能儀表，中控系統(tǒng)配置智能儀表管理系統(tǒng)[4]，可以在線獲得帶有HART協(xié)議的現(xiàn)場儀表和閥門的過程信息及診斷信息，實(shí)現(xiàn)對智能現(xiàn)場設(shè)備的智能化管理，包括在線組態(tài)、調(diào)整、校驗(yàn)、診斷等，主要包括以下功能：

① 系統(tǒng)組態(tài)：在線進(jìn)行智能儀表組態(tài)修改并記錄相關(guān)事件。

② 在線狀態(tài)監(jiān)測與報(bào)警：在線監(jiān)測與系統(tǒng)相連的智能儀表健康狀態(tài)（如HART協(xié)議儀表、閥門定位器等）；在線診斷儀表故障信息（如儀表無反應(yīng)、傳感器老化故障、導(dǎo)壓管堵塞等）；智能儀表報(bào)警檢測組態(tài)，提供聲光報(bào)警并在數(shù)據(jù)庫中自動記錄報(bào)警事件。

③ 校驗(yàn)管理：快速完成回路測試、聯(lián)鎖調(diào)試，并自動生成儀表狀態(tài)報(bào)告，自動進(jìn)行校驗(yàn)管理。

④ 閥門管理：實(shí)現(xiàn)閥門的專家診斷分析功能，如摩擦力以及死區(qū)變化分析，是否卡澀、閥門跟隨特性、彈簧預(yù)緊力，閥桿行程、填料狀況、閥座狀況、閥門流通特性力等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門隱患及故障原因，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，提高生產(chǎn)時(shí)率。

⑤ 自動記錄管理：自動記錄與智能儀表設(shè)備相關(guān)的所有事件和報(bào)警，包括組態(tài)記錄、校驗(yàn)信息、診斷信息、報(bào)警及維修信息等，便于操作人員從歷史信息中尋找高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

2）控制系統(tǒng)的在線監(jiān)測與診斷

盡管控制系統(tǒng)可靠性已達(dá)到較高水平，但控制系統(tǒng)長時(shí)間工作于復(fù)雜環(huán)境中，一旦故障，造成的生產(chǎn)及安全上的影響巨大。因此，控制系統(tǒng)的在線監(jiān)測與診斷也是一個(gè)重要的研究方向。

控制系統(tǒng)狀態(tài)的在線監(jiān)測主要包括控制系統(tǒng)負(fù)載率、卡件連接、信號狀態(tài)、疲勞狀態(tài)等的在線監(jiān)測，并對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的故障及時(shí)報(bào)警，并給出操作指導(dǎo)。

2.3 智能化管理軟件的應(yīng)用

海上生產(chǎn)設(shè)施中控系統(tǒng)存儲有至少1年的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)，包括關(guān)斷、報(bào)警、調(diào)節(jié)等數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的智能化分析軟件，充分挖掘歷史數(shù)據(jù)中的內(nèi)在信息，為生產(chǎn)決策提供支持，是智能化建設(shè)的一個(gè)重要方向。如報(bào)警管理、安全生命周期管理等。

2.3.1 報(bào)警管理

報(bào)警管理可通過制定完整有效的報(bào)警設(shè)計(jì)流程和管理策略，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息精細(xì)化管理，幫助識別風(fēng)險(xiǎn)，識別出在工藝過程、控制和操作方面需要改進(jìn)的地方，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并給出處理建議，保證生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

報(bào)警管理系統(tǒng)具有以下功能：

1）報(bào)警優(yōu)先級定義：定義報(bào)警優(yōu)先級，對高優(yōu)先級的報(bào)警優(yōu)先展示。

2）報(bào)警歷史管理：報(bào)警數(shù)量、原因統(tǒng)計(jì)分析（包括反復(fù)報(bào)警和瞬時(shí)報(bào)警的定位和分析、頑固報(bào)警定位和分析等）。

3）報(bào)警事件過濾：提供多級過濾機(jī)制，剔除無效無用報(bào)警信息。

4）報(bào)警指導(dǎo)：分析報(bào)警原因，并對操作員處理報(bào)警時(shí)需要確認(rèn)事項(xiàng)及操作步驟進(jìn)行清晰地指導(dǎo)。

5）報(bào)警信息診斷分析：通過最頻繁報(bào)警和最持久報(bào)警來識別滋擾報(bào)警，找到生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定環(huán)節(jié)和瓶頸點(diǎn)，通過報(bào)警之間的相互關(guān)系來識別同源報(bào)警。

報(bào)警管理可解決生產(chǎn)過程中可能存在的以下問題：

a）報(bào)警過載：報(bào)警點(diǎn)配置較多導(dǎo)致的報(bào)警過載現(xiàn)象，操作人員需要處理的報(bào)警信息較多。

b）報(bào)警信息掌握不全面：當(dāng)單個(gè)設(shè)備觸發(fā)報(bào)警時(shí)，上游設(shè)備和下游設(shè)備可能會發(fā)生報(bào)警傳遞，形成一條因果鏈，可能導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)突然產(chǎn)生大量報(bào)警信息，不利于操作人員及時(shí)掌握報(bào)警信息。

c）報(bào)警干擾：關(guān)鍵報(bào)警信息被其他次重要的報(bào)警信息干擾而不能突出顯示，不利于操作人員對關(guān)鍵異常工況迅速做出反應(yīng)。

d）缺乏操作指導(dǎo)：報(bào)警發(fā)生后，高效、準(zhǔn)確的報(bào)警操作指導(dǎo)對安全和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。目前，報(bào)警發(fā)生后需依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，缺少有依據(jù)的報(bào)警指導(dǎo)。

2.3.2 安全生命周期管理系統(tǒng)

安全儀表系統(tǒng)是保障工業(yè)過程安全生產(chǎn)的重要措施之一，對安全生產(chǎn)具有重大意義。安全儀表系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)與管理，貫穿了石化裝置的整個(gè)生命周期。

安全生命周期管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對安全儀表系統(tǒng)全生命周期的管理，通過導(dǎo)入生產(chǎn)流程模型、SIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、SIL分析內(nèi)容，構(gòu)建出平臺安全儀表系統(tǒng)模型。在生產(chǎn)過程中對SIS系統(tǒng)所有操作、所有獨(dú)立保護(hù)層進(jìn)行監(jiān)控，通過分析提供決策支持，確保安全儀表系統(tǒng)高效運(yùn)行。

安全生命周期管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

1）自動生成關(guān)斷及SIF回路報(bào)告。

2）監(jiān)控所有的獨(dú)立保護(hù)層狀態(tài)。

3）旁路狀態(tài)管理。

4）SIF回路安全功能貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)。

5）SIF回路性能評估。

6）實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評估。

7）提供改進(jìn)建議，以減少SIF回路動作次數(shù)。

設(shè)置安全生命周期管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對安全儀表系統(tǒng)的監(jiān)控管理有助于減少維修工作，降低維修成本，提高生產(chǎn)時(shí)率。

3 結(jié)術(shù)語

儀控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)高度自動化與設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心。采用智能化手段實(shí)現(xiàn)對儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)的高效管理，有助于提高儀控系統(tǒng)的可靠性，提高油氣田全生命周期效益，為安全、高效生產(chǎn)保駕護(hù)航。