海洋石油平台控制系统概况与分析

高志刚

中海油能源发展股份有限公司，北京 100010

在当前能源需求日益增加的情况下，海洋石油成为石油产业的一股新生力量。而中央控制系统在海上石油平台生产过程中，占有至关重要的地位，它起着调节和监测各种工艺参数，保证工艺流程正常运行，协调和控制各个系统间关系的作用。海上石油工业以其特有的行业特点，在保证生产和提高原油产量的同时，也必须更好地保护平台操作人员、生产设备和周围的海洋环境，这为海洋石油平台控制系统的设计和可靠性提出了更高的要求。

中央控制系统和现代计算机科技的发展结合的非常紧密，随着现代科技的飞速发展，海洋石油平台的中央控制系统经历了简单控制、继电器控制和DCS、PLC的集成控制，现在已经达到了高级先进控制、实时监控、远程通讯等现代化的控制水平。本文将着重通过分析现代海洋石油平台控制的组成和功能，实现设计时能够选择更优化方案。

1 中央控制系统的硬件结构

中央控控制系统在功能上要求完成工艺流程监控、紧急事故状态下的安全保护以及发生火灾或者天然气泄漏情况下的报警及保护功能，因此，中央控制系统一般由3个系统组成：过程控制系统（PCS）、紧急关断系统（ESD）和火气探测报警系统（F&G）。

1.1 过程控制系统（PCS）

过程控制系统是基于DCS为基础的控制系统，控制器具有强大的运算处理能力，通过对现场的温度、压力、液位、流量等工艺参数的采集和处理，在操作站上进行显示和报警，利用PID回路调节功能，实现对现场控制阀门的自动调节。输入/输出系统主要由普通的4mA～20mA模拟量输入输出卡以及具有开关触点的数字量输入/输出卡件组成。通讯模块具有和第三方设备进行接口的功能，可以将第三方设备控制系统上的信息通过通讯接口和中央控制系统相连接，实现中央控制系统对第三方设备的监控，如过程控制系统和主发电机、天然气压缩机控制盘等都可以通过与通讯接口相连，实现在中央控制系统上显示现场控制盘和现场设备的参数和状态。通讯协议一般有RS485 Modbus, Profibus PA/DP, ControlNet, EtherNet、DeviceNet等。

1.2 紧急关断系统（ESD）

紧急关断系统是基于PLC为基础的控制系统，控制器具有强大的逻辑处理能力。紧急关断系统为海洋石油平台上的人员和设备提供保护功能，能够连续监测工艺过程和公用系统，可以启动相应的报警和逻辑保护功能。

紧急关断系统的设备要求有高可靠性，其中控制器、输入/输出模块、网络卡件都需要有TUV认证，满足SIL3或者AK6的要求。TUV是国际上最早对安全控制系统进行级别划分，并对其进行检验和认证的机构，在国际上具有一定的权威性，IEC61508和ANSI84都对安全控制系统的级别进行划分。

海上平台的安全控制系统要求有很高的可靠性和可用性，其要求相当于SIL3级。普通的冗余系统无法达到SIL3级或TUV的AK6级的要求，只有容错的系统结构包括1OO2D （二选一表决自诊断系统）、2OO4D（四选二表决自诊断系统）和TMR（三选二表决系统）可以达到这样的要求。

紧急关断系统的输入信号和输出信号都是硬线连接，重要的维修和启动旁通功能、ESD手动按钮和复位按钮可以安装在操作台上。

平台上的紧急关断系统一般分为4级：一级关断为弃平台关断，是最高级关断；二级关断为火灾及可燃气气体严重泄漏关断；三级关断为生产/工艺关断；四级关断为单元关断。其中，高级别的关断可以引起低级别的关断，但是低级别的关断不能引起高级别的关断。

紧急关断系统的设计遵循“故障安全型”原则，在正常生产情况下，输入系统和输出系统都是处于“闭合”状态，当现场发生故障，需要紧急停车时，输入信号“断开”，通过逻辑运算，相应的输出信号“断开”处于失电状态，保证现场的安全。

1.3 火气探测报警系统（F&G）

火气探测报警系统利用火焰、气体探测元件对平台上可能存在的火焰和危险气体进行自动检测，并对意外的危险源进行预报警，在危险的情况下，通过手动和自动方式启动平台的安全消防系统，为平台操作人员和生产设施提供安全保障。

火气探测报警系统的设计要满足NFPA72的要求，其控制器和输入输出卡件要求满足SIL2的要求，可以设计成点对点的直接硬线连接方式也可以设计成可寻址回路方式。

火气探测报警设备包括有天然气探测器、火焰探测器、烟雾报警器、手动报警站、手动释放站以及声光报警单元等。

1.4 操作站和工程师站

操作站和工程师站是进行系统监控和显示的重要设备。现场操作人员通过操作站完成现场各种参数的监控，对各个系统进行内部监视，工程师站可以完成系统组态修改、下装软件的功能。操作站和工程师站通过不同层次的密码保护，使相应资格的人员可以进入不同的控制层次。

中央控制系统的各个硬件系统之间通过专用的控制网络如工业100M/10M Ethernet连接。

2 中央控制系统的软件配置

中央控制系统的软件包括操作系统软件和控制系统软件，而控制系统软件主要包括下面几个部分：

1）组态软件：完成逻辑处理、计算等功能，经过编程之后下装到控制器中完成控制功能。

2）人机界面软件：显示流程画面、火气探测设备平面布置等，能够完成历史数据显示、趋势显示、报警清单等和操作、监视相关的所有信息。

3）计算软件：按照系统要求，完成相应的计算功能。

紧急关断系统专用软件中包括因果逻辑编程软件。

3 海洋石油平台控制系统发展思路

伴随着现代科学技术的发展，特别是控制器和控制网络技术的飞速发展，海洋石油平台控制系统的技术也是日新月异，新技术、新思想层出不穷，以后的设计将重点发展和跟踪国内外控制系统的最新趋势，主要包括下列内容：

1）平台群之间控制系统连接和数据通讯；

2）安全控制系统设计和应用；

3）SIL安全级别在控制系统和现场仪表设计中的应用；

4）水下井口控制系统设计；

5）FPSO工艺处理控制系统设计；

6）信息和职能化实现控制系统对现场资产管理；

7）控制系统网络通讯技术和整体解决方案。

通过对海洋石油平台控制系统技术的学习和应用，将为海洋石油工程提供更加有力的支持，满足日益增加的安全控制、自动控制、智能化管理的要求。