基于光纖通信的總線技術(shù)在海上平臺的應(yīng)用

劉愛明，陳建玲，封 園，許曉英

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

海上平臺中央控制系統(tǒng)（CCS）是平臺的大腦，通常由過程控制系統(tǒng)（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD） 和火災(zāi)可燃氣探測報警系統(tǒng)（FGS） 組成。CCS 是保障平臺安全生產(chǎn)運行的核心，其常規(guī)架構(gòu)以集散式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，現(xiàn)場接線量大、模塊功能單一、機柜數(shù)量多，耗費大量的施工、人力和材料成本?；诠饫w通信的總線技術(shù)（O-FCS）的應(yīng)用，提供了全新的解決方案，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，可以降低整體投資、縮短工期、減少人力投入，便于后期操作和維護。

多功能集成模塊（MIM）替代了傳統(tǒng)的輸入輸出卡件，并可全部放置于現(xiàn)場防爆接線箱進行布線，僅將控制器機柜和操作站等監(jiān)控設(shè)備布置于中控室內(nèi)，現(xiàn)場儀表閥門的信號通過一對一接線形式接入現(xiàn)場接線箱的多功能集成模塊，MIM 與光纖轉(zhuǎn)換器通訊將現(xiàn)場儀表閥門的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再通過冗余的光纖將信號傳輸?shù)娇刂破鳈C柜進行統(tǒng)一監(jiān)控操作。與傳統(tǒng)集散式控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的接線工作量、機柜數(shù)量、卡件數(shù)量等明顯減少，在海上平臺控制系統(tǒng)的應(yīng)用上有很大的前景。

1 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，海上平臺普遍應(yīng)用的控制系統(tǒng)為第三代以集散式控制系統(tǒng)（DCS）為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示，其架構(gòu)通常為：設(shè)備層、控制層及信息層[1-2]。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

1）設(shè)備層主要由先進的過程控制儀表（傳感器、執(zhí)行器等）組成，是控制系統(tǒng)的最底層，海上平臺目前主要包括測量溫度、流量、壓力、液位4大參數(shù)的儀表以及閥門。

2）控制層主要由邏輯控制器組成，用于管理所有輸入/輸出系統(tǒng)、控制策略的執(zhí)行及通訊網(wǎng)絡(luò)的維護，同時報警和事件的時間標簽由控制器執(zhí)行，以確保精確的事件順序記錄。

3）信息層主要是將設(shè)備層采集的所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過控制層進行處理后傳至控制管理網(wǎng)絡(luò)，用于對生產(chǎn)過程實施監(jiān)控。

平臺控制系統(tǒng)的接線復(fù)雜、控制盤柜多、現(xiàn)場工作量大，耗費大量的施工、人力和材料成本。以常規(guī)海上井口平臺的控制系統(tǒng)為例，單個PCS系統(tǒng)控制柜的現(xiàn)場接線點位接近1 000 個，機柜數(shù)量10～15 個，接線的復(fù)雜程度和數(shù)量導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)試的工期長、工作量大。系統(tǒng)調(diào)試和改造維修時，工作人員需要花費大量的時間進行理線、校準和接線等工作，影響了工作效率，也容易發(fā)生接線錯誤或接線故障等問題。

針對DCS 接線復(fù)雜、維修改造工作困難等問題，國外控制系統(tǒng)廠家開發(fā)了自定義I/O 模塊的電子布線技術(shù)，單卡卡件對應(yīng)單通道模式，卡件通道類型可以實現(xiàn)自定義類型，一定程度上解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)面臨的困難[3-5]。

O-FCS 技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了卡件多通道集成、多功能集成，在電子布線技術(shù)的基礎(chǔ)上提供了全新的解決方案，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，可以降低整體投資、縮短工期、減少人力投入，便于后期操作和維護。

2 基于光纖通信的總線技術(shù)

2.1 O-FCS的系統(tǒng)組成

圖2為基于O-FCS技術(shù)的控制系統(tǒng)架構(gòu)，主要由現(xiàn)場儀表、MIM、光纜、控制器柜以及上位機等組成。MIM是O-FCS技術(shù)的關(guān)鍵部件，單通道配置，可支持現(xiàn)場任何類型的I/O信號，比如AI/AO/DI/DO/RTD等，MIM嵌入到通用的端子模塊及底板中，將I/O信號經(jīng)過現(xiàn)場接線箱內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換，然后通過光信號傳至中控室控制柜的控制器實現(xiàn)監(jiān)控。

圖2 基于O-FCS技術(shù)的控制系統(tǒng)架構(gòu)

O-FCS 技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)通過光纖實現(xiàn)現(xiàn)場接線箱信號與控制室控制柜的通信，替換傳統(tǒng)的4～20 mA 模擬電信號或0～5 V 數(shù)字電信號的電纜接線方式[6]，減少了通信距離導(dǎo)致的信號衰減、信號干擾、信號丟失的問題，保障了通信傳遞過程的安全性，減少了故障點的數(shù)量[7-8]。

區(qū)別于常規(guī)的單一I/O 模塊，MIM 是一種靈活的集成型I/O 形式，是通過應(yīng)用特性化模塊來實現(xiàn)的，它可以對通道的信號類型進行自定義；同時，MIM 的應(yīng)用實現(xiàn)了端子排的集成，通過通道與獨立接線端子的組塊，可以實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)配置，替代I/O 模塊+端子排的功能。MIM 支持在任意位置連接各種信號類型的現(xiàn)場接線，無需集線柜或交叉布線，節(jié)省電纜，減少工作量及潛在的故障點。

2.2 技術(shù)對比

傳統(tǒng)的布線方式通過線纜將現(xiàn)場設(shè)備的信號接至現(xiàn)場接線箱，然后從接線箱送到控制室機柜的端子排，然后通過柜間線連接至相應(yīng)類型的卡件，從而完成現(xiàn)場信號的傳輸過程，如果出現(xiàn)后期設(shè)計變更或者布線錯誤，將會導(dǎo)致時間和人力成本的追加，嚴重時會導(dǎo)致整個項目進度的滯后。

基于O-FCS 技術(shù)的控制系統(tǒng)只需將現(xiàn)場設(shè)備信號接至現(xiàn)場防爆接線箱的MIM 模塊，再由光電轉(zhuǎn)換卡采用冗余的光纖連接至控制室控制器即可完成接線工作，減少了接線箱至控制室及柜間電纜及橋架的連接。如果出現(xiàn)設(shè)計變更或者布線錯誤，只需要將對應(yīng)的MIM 卡上的點位類型進行重新編輯，節(jié)省人力和工期。

基于O-FCS 技術(shù)與DCS 控制系統(tǒng)的技術(shù)對比如表1所示。

表1 基于O-FCS技術(shù)與DCS控制系統(tǒng)的技術(shù)對比

通過表1 可以看出，O-FCS 技術(shù)將傳統(tǒng)16 個接線點縮減到4個，大量節(jié)省了由現(xiàn)場接線箱至控制系統(tǒng)的電纜；傳統(tǒng)卡件多設(shè)計為8、16、32 通道，O-FCS 技術(shù)使用MIM，無需考慮特定類型和特定順序，設(shè)置通道隔離，比傳統(tǒng)I/O 卡件的可靠性更高；O-FCS 技術(shù)可將原來的系統(tǒng)柜接線箱取消，只需布置1 套機柜布置控制器和服務(wù)器即可，為平臺節(jié)約空間；O-FCS 技術(shù)節(jié)省了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線的人工時，提高了工作效率。

3 工程項目的應(yīng)用情況

3.1 平臺原控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

渤海某海域C 平臺投產(chǎn)穩(wěn)定運行15 年，控制系統(tǒng)采用的是DeltaV 系統(tǒng)，平臺原系統(tǒng)存在多個問題及隱患。

1）該平臺經(jīng)過多次調(diào)整改造，控制系統(tǒng)已無剩余點位，且系統(tǒng)較老不具備擴容條件，無法滿足新項目接入的點位需求。

2）控制系統(tǒng)控制器、I/O卡件等配件老化，系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性大大降低。系統(tǒng)控制器于2013 年停產(chǎn)，電源模塊于2009 年1 月停產(chǎn)，出現(xiàn)故障后無法買到與現(xiàn)有版本兼容的控制器。

3）DeltaV 軟件超過市場生命周期，無法與現(xiàn)有新技術(shù)、新產(chǎn)品兼容。C 平臺與該油田的B 平臺控制系統(tǒng)共用一套數(shù)據(jù)庫，B 平臺控制系統(tǒng)升級后，C 平臺控制系統(tǒng)將會無法進行組態(tài)及程序在線工作，直接加大了維護維修難度，系統(tǒng)一旦發(fā)生故障將無法及時修復(fù)，對平臺的安全平穩(wěn)運行造成很大威脅。

為了能夠盡可能地減少停產(chǎn)時間，減少改造工作量，快速完成控制系統(tǒng)的升級改造，采用OFCS技術(shù)的控制系統(tǒng)替換平臺原控制系統(tǒng)。

3.2 具體方案實施

針對該平臺的改造工作，項目組提前進行了技術(shù)方案的調(diào)研與準備工作，主要包括確認平臺控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、控制系統(tǒng)I/O 點位、平臺安裝改造空間、施工改造流程順序、關(guān)斷邏輯、系統(tǒng)調(diào)試等。

完成施工方案前的技術(shù)準備工作后，陸續(xù)開展相關(guān)的施工方案的設(shè)計，主要包括以下內(nèi)容。

1）陸上準備工作。該項目屬于生產(chǎn)平臺控制系統(tǒng)的改造，要求盡可能減少改造停產(chǎn)導(dǎo)致的產(chǎn)量損失，設(shè)備采購、設(shè)備集成、軟硬件模擬測試以及出廠測試工作盡可能在陸上準備工作中完成。

2）平臺上準備工作。與平臺技術(shù)人員共同確認現(xiàn)場施工的條件，制定冷工、熱工、信號旁通作業(yè)程序，新老控制系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)同時進行監(jiān)控，設(shè)備間新增的控制器機柜、MIM 接線箱停產(chǎn)前安裝到位，現(xiàn)場施工條件確認后開始控制系統(tǒng)機柜空間清理以及光纖鋪設(shè)。根據(jù)新系統(tǒng)的耗電能量，需要新增24 VDC 電源，安裝相應(yīng)容量的開關(guān)電源。

3）控制系統(tǒng)安裝調(diào)試。順序開展模擬仿真測試、新系統(tǒng)安裝通電測試、服務(wù)器連接測試以及現(xiàn)場驗收測試，測試完成后進行控制網(wǎng)絡(luò)連接、因果邏輯確認、接線核實，最后按照旁通計劃調(diào)整自動閥為手動狀態(tài)，順序接線。

4）聯(lián)合調(diào)試及驗收。針對控制的設(shè)備進行聯(lián)合調(diào)試，按照從重要到次要的順序，首先對關(guān)鍵大型設(shè)備進行調(diào)試，保證可以正常運行。驗收合格后，確保運行無誤，并對所有測試作好記錄，按照現(xiàn)場測試表檢測通過后，投入生產(chǎn)。

該項目停產(chǎn)前后共用10 天時間完成了所有的改造工作，最后停產(chǎn)時間僅24 h 就完成了改造工作。若按照傳統(tǒng)技術(shù)海上施工調(diào)試時間近1 個月，停產(chǎn)需要近一周時間?？梢?，采用O-FCS 技術(shù)最大化縮短了停產(chǎn)時間。

4 結(jié)束語

通過應(yīng)用O-FCS 技術(shù)的控制系統(tǒng)，縮短了海上平臺的改造工期，減少了停產(chǎn)導(dǎo)致的原油產(chǎn)量損失。通過實際項目中的穩(wěn)定運行，表明基于O-FCS技術(shù)的控制系統(tǒng)可以滿足海上平臺的實際需求。未來通過技術(shù)的發(fā)展以及安全等級的突破，在火災(zāi)可燃氣系統(tǒng)和關(guān)斷系統(tǒng)中實現(xiàn)應(yīng)用后，O-FCS技術(shù)將會進一步助力海上油田的安全和生產(chǎn)。