FPSO中央控制系统构架浅析

朱静波，张海龙，郭晓波（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）



FPSO中央控制系统构架浅析

朱静波，张海龙，郭晓波
（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

摘 要：在现代海工项目中，中央集成控制系统（简称中控系统）的系统集成度越来越高，在整个项目中承担着越来越重要的角色，故对于系统的完整性和安全性等的设计要求也就越来越高。文章以某大型FPSO中央控制系统设计为例，从系统的冗余性、高集成化和独特性等方面来分析整个系统。

关键词：FPSO；中央控制系统；冗余；自动化控制

0 引言

就FPSO中央控制系统设计而言，该系统的主要功能是保证人身安全、保证生产的持续性、保护原油系统和整体浮式油轮及其设施。该系统不仅要满足有关船级社规范［1］和相关规范规则［2，3］的要求，还需要考虑整个系统的完整性、冗余性、安全性、自动化控制程度以及与其他系统的接口。

1 项目概述

FPSO（Floating Production Storage Offloading）是浮式生产储油装置，是全海式油田开发工程中的核心单元。FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性大型海上石油生产基地。与其他形式的石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大以及可转移和重复使用等优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产方式。FPSO作为一种海上生产设施，通常为船型，集海上油气处理、储存、外输、生活和动力于一体，长期系泊于固定海域，所以为非自航船。

2 中央控制系统构架

2.1系统的组成

FPSO集成了多个相对独立的系统，如全船过程控制系统（HCS）、应急切断系统（ESD）和火气系统（FGS）等。

HCS包含全船过程控制系统功能，主要有：设备实时监控、状态指示和报警；模拟量的控制；开关量的控制；历史数据的存储。该系统还监测所有带电仪表的信号。

HSD执行使全船设备处于安全状态下所有必要动作，预防全船出现危险。主要作用有：设备的切断，准备弃船、应急状态下的顺序处理等。HSD系统根据全船过程状况以及在指定限制外发生的情况去执行动作发起切断，来保护设备被损坏而长时间出现的生产干扰，以及避免危险情况的进一步发展。HSD系统能够减小受环境影响的生产过程时间及个人的损失。HSD的连锁动作必须与HCS系统隔离并独立。

HFGS主要功能有：火警探测和消防动作；气体探测；与通用报警和广播有接口发出警报；与通风专业有接口实现风油切断。应急切断功能的实现和执行是通过火气系统的确认，由中央控制系统中的HFGS来执行，并且不允许独立的可寻址火警系统去执行这个功能。

HFGS系统与可寻址火警系统的关系：通过可寻址火灾盘、温度、感烟探头和可寻址手动报警按钮等形成一个探测和宣布着火的数字量系统，所有的内部连接都是通过双冗余的闭环通讯形式连接到HFGS监测系统。

FPSO整个中央控制系统框架见图1，该中控系统分为四个层级：

第一级：HMI人机界面。FPSO共有五套A～G人机界面工作站，通过冗余的网络电缆与服务器连接，HMI人机界面窗口显示以下功能：通过图像显示所有工艺和过程，包括撬块单元；显示和记录各种设备的状态信息；通过显示屏中的命令按钮来起停和开关设备；有历史数据的趋势图、有关每一层切断的因果关系的因果逻辑图、安全逻辑图、显示火气探测的结果、哪些区域是否着火；报警和事件的管理等。接收并显示子系统处理模块传递的信息，并输出控制信号，控制就地的相关设备，该设备放在中控室（CCR）。

图1　FPSO中央控制系统框架

第二级：子系统的服务器柜和处理模块，是整个系统的心脏。FPSO有一个数据服务器，双冗余备份。整个系统的数据服务器连接到过程控制系统、应急切断系统、火气系统的数据服务器；历史数据服务器连接到撬块单元服务器；所有数据3 s需要更新一次，并且能至少保持存储20天，每个数据服务器带有一个移动数据记录单元，可以至少存储48h，就是所谓的黑匣子功能。

FPSO还有一个处理柜，包含过程控制、应急切断、火气等三个系统，通过双冗余的网络电缆连接服务器和就地信号采集柜，将就地仪表柜采集的信号经过系统处理模块处理后，传递到人机操作界面。同时将收到的操作者的操作命令，通过现场信号采集柜发送到现场。这些子系统的处理模块做成标准的控制箱柜，集中放置在仪表间（LIR）。

第三级：现场信号采集柜（I/O panel，即 I/O柜）共有7个，每个采集柜内分成3屏～4屏，含有HCS、ESD和FGS三个独立又有关联的采集模块。采集柜用于收集现场仪表信号，并通过相应I/O模块，将采集到的信号存放在相应地址里，便于处理模块的选择与读取，并将处理模块发送的控制信号发送给就地设备。7个I/O柜之间是通过双冗余的光纤形成环路进行数据采集和传输。这些现场信号采集柜放置在全船各个位置，通常会根据就地仪表或设备集中区域进行布置。

第四级：就地仪表及设备，包括各种传感器、执行机构和驱动装置。现场仪表的自带处理模块，将采集到的温度、压力、行程等信号转化为电信号，发送到现场信号采集柜中的HCS采集模块，火气探头信号传送到FGS采集模块。

2.2系统电源和接口

2.2.1系统电源

整个中控系统以及相关的设备需要由两路隔离且独立的不间断电源箱供电，对于就地仪表需要24 V直流电源，由中控系统的输入输出模块来实现。

2.2.2系统接口

1）系统与撬块单元的接口

为了与中控系统标准化的集成接口，以及更有利于信息交换，根据中控系统和自动化集成的程度，撬块单元可以定义成三大类：

（1）P0设备：该撬块没有就地控制箱，由中控控制并且保护，该撬块的就地仪表信号通过电缆接到撬块上的接线盒，这些接线盒再接到信号采集柜（I/O柜）中相对应的HCS、ESD、FGS采集模块，由中控直接进行操作控制和切断。

（2）P1设备：该撬块有自己的就地控制箱，相关信号接进中控系统。该撬块的信号直接通过电缆或接线箱接到就地盘（LCP），而就地盘再通过硬线接入中控系统，中控系统仅仅监控就地盘。

主要接入的四组信号为：应急关断状态信号（UAS，Unit Shutdown Signal，DI）、通用报警信号（UAM，Unit Malfunctioning Alarm，DI）、运行/停止状态（YSHL，Running/Stop signal）、应急关断信号（XSL，Unit Shutdown Signal，DO），可以根据实际使用情况增加相关信号接口，如遥控启停等。

（3）P2设备：该设备有自己的就地控制箱并且在中控系统可以远程监控。该撬块的信号直接通过电缆或者接线箱接到就地盘（LCP），该就地盘带有人机界面和处理模块，可以自己控制、监测、作连锁等，同样具有P1设备的功能以外，还增加了一个串行信号（网线或者光纤通讯），通过冗余的网络接进中控的网关，由中控系统进行记录、远程控制、连锁和监测等。

2）系统与以下独立系统的接口

（1）电力功率管理系统；

（2）装载计算机和液位遥测系统；

（3）位置参考系统；

（4）油水分析仪；

（5）卸油监测和测量系统（OMTS）；

（6）原油计量系统；

（7）惰气发生器系统；

（8）货泵和压载泵控制系统。

中控系统通过与以上各系统的连接实现了高集成化，见图2。

图2　FPSO的接口逻辑图

2.3系统的特点

通过FPSO中央控制系统的组成，对该系统组合的描述，能看出整个系统高冗余性，所有通讯网络在管理、控制和联锁这一层需要冗余，数据服务器具有内部热备的功能，每个系统也需要冗余。

使用这种系统的集成，便于全船散点信号的收集，也可以共用网络系统，共用HMI人机界面，便于操作人员的安全快捷操作。

7个现场采集柜的冗余环路连接也是FPSO项目中控系统的一大特点，见图3。由图3可知，通过中控处理柜中的三大系统HCS、ESD和FGS，分别通过双冗余光纤接到现场采集柜的A柜中的相对应的HCS、ESD和FGS系统，然后A柜再通过双冗余的光纤接到下一个采集柜D柜，一直串联到最后一个采集柜G柜，最终接到中控的处理柜，形成一个冗余的环路。这样使整个采集系统安全可靠，可以互相传输信号，节省电缆。

图3　FPSO现场采集柜结构图

3 结论

在进行大型FPSO中央控制系统设计时，需要综合考虑全船设备、撬块和系统的分类，进行集成化和自动化的程度，整个系统冗余的程度，三大系统HCS、ESD和FGS是否独立还是组合进中控系统，都需要明确，以便更好地设计该系统。本文以理论与实际项目相结合，但本文仅在整个系统的构架上做了阐述，更多细节的仍需在今后的设计和实践中进一步总结和归纳，并希望能为类似的海工项目提供一些参考和借鉴。

参考文献：

［1］ ABS. ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］. 2010.

［2］ IEC 60092-201 Electrical Installations in Ships - Part 201： System Design - General［S］. 1994.

［3］ IEEE std 242 IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems［S］. 2001.

［4］ 黄健章. 船舶设计实用手册［M］. 北京： 国防工业出版社， 2013.

中图分类号：U665.13

文献标志码：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.005

作者简介：朱静波（1986—），女，助理工程师，研究方向：船舶与海洋工程电气专业设计。

Simple Analysis of FPSO Central Control System Architecture

Zhu Jing-bo， Zhang Hai-long， Guo Xiao-bo
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Abstract：In modern offshore projects， the central control system （CCS） becomes more and more important with high integration and plays a more and more significant role in whole project. So the design demands for the integration and safety of the system are also higher and higher. The article， based on the design of the FPSO central control system， analyzes the whole system from the aspects of redundancy，completion and safety.

Key words：FPSO； central control system； redundancy； automation control