环网交换机通讯技术在边际油田开发中的应用

环网交换机通讯技术在边际油田开发中的应用

吕瑞升

1，何金平2（1. 中海油能源发展股份有限公司边际油田开发项目组，天津 300457；2. 中海油能源发展采油服务公司，天津300457）

本文过介绍环网交换机通讯技术，实现远程无人驻守井口平台与依托平台之间的信号传输及控制，

环网交换机 光纤 VLAN技术

1 中心平台中控系统介绍

中控系统包括过程控制系统（PCS）、应急关断（ESD）系统和火气探测（F&G）系统3套控制系统，并通过系统集成手段设计成一个整体，实现分散控制，集中管理的目的。

过程控制系统（PCS）完成对平台的生产和公用流程的温，压，流，液数据进行采集和监测，并监控泵的状态以及重要阀门的状态，在监控数据出现异常时启动报警信号。

设置应急关断系统（ESD）的主要目的是为了保护平台人员和设施的安全，防止环境污染，将事故的损失限制到最低。应急关断系统的设计应满足故障安全型系统的要求，同时应确保某一级别的关断指令只能启动本级别和所有较低级别的关断，而不能引起较高级别的关断。

设置火气探测系统（FGS））的主要目的是及时、准确地探测到可能发生或已经发生的火情或可燃气体泄漏，及时采取相应的安全措施（如报警、关断、消防等），以保护平台人员和设备的安全。

2 无人驻守井口平台控制系统介绍

鉴于无人驻守井口平台的特殊性，并不需要在其上设置中控系统，该平台上面的控制功能将通过网络交换机来实现。由于目前无人驻守井口平台和依托平台的开采方式采用“三一”模式，即一座平台（无人驻守井口平台），一条海管管线和一条海底电缆。无人驻守井口平台需要的控制参数包括：

1) 过程控制系统（PCS）通过网络和海缆的光纤引入中心平台的中控系统进行统一监控管理；

2) 紧急关断系统（ESD）通过网络和海缆的光纤引入中心平台的中控系统进行统一监控管理；

3) 火气探测系统（FGS）通过网络和海缆的光纤引入中心平台的中控系统进行统一监控管理；

4) 无人驻守井口平台房间内设置电话，电话通过网络和海缆的光纤接入中心平台的 PABX系统中，实现平台之间的电话通信联系；

5) 无人驻守井口平台房间内设置扬声器，扬声器通过网络和海缆的光纤接入歧口中心平台的PAGA系统中，实现平台生产调度、火气报警、紧急指令发布功能；

6) 无人驻守井口平台房间内设置网络接口，网络接口通过网络和海缆的光纤接入中心平台的LAN系统中，实现两平台之间的信息传输及处理；

7) 无人驻守井口平台上设置若干摄像头，摄像头信号通过网络和海缆的光纤接入中心平台的CCTV系统中，实现两平台之间的重点设备的生产安全及危险区域进行实时监控。

3 环网TN1U系统切换原理

3.1 环网交换机框架图

环网交换机框架图见图1。

3.2 环形网络切换原理

环形拓扑为所有的电路提供多种路由的能力。如果某一个公共部件有故障，比如TN1U群路部件或者CMUX部件，信息自动变更路由到备用通道，切换时间小于3 ms。图1和图2举例说明当光纤产生故障时信息是如何变更路由和经过节点。

图1 环网交换机框架图

正常情况下，某个TU-1（业务）被指定在站A和B之间通信。通常两个站之间的最短途径被指定为优先路径。通信量沿着两个路径传送但只有一个方向被接收。通道切换发生在一对CMUXE部件内。虽然效果上有两个CMUXE部件（一个接左TN1U群路部件，一个接右TN1U群路部件），但以上显示的CMUX部件是作为一个部件。

当发生故障时，通信量（信息）将自动变更路由到备用（Standby）路径。业务信息经过在备用路径上的所有节点，同时保持所有的电路通信。TU经过节点的延时根据使用的群路部件 TN1U的类型的不同而不同（STM-1或者STM-4），每节点的延时为16 μs到20 μs。当排除异常情况后，系统自动恢复回优先路径。

4 无人驻守井口平台各系统接入方案

4.1 无人驻守井口平台各系统接入方案示意图

无人驻守井口平台各系统接入方案见图4。

4.2 管理型环网交换机技术参数

1) 支持POE 供电和千兆级联的10 端口网管型工业以太网交换机8 个10/100BaseTX RJ45端口，支持 802.3af / 802.3at；

2) 最多支持 2 个千兆以太网光纤端口；

3) 最多支持 2 10/100/1000BaseTX 双绞线端口；

4) 1 个 54VDC，160W（8 端口供电支持802.3af标准或 4 端口供电支持 802.3at 标准）；

5) 1个 54VDC，160W（8 端口供电支持802.3at标准）；

6) 基于 VLAN（802.1Q）的网络通信隔离和安全。

图2正常配置情况

图3光纤故障情况下的保护切换

图4无人驻守井口平台各系统接入方案示意图

中心平台及无人平台分别布置两台管理型环网交换机，合计4台环网交换机，每台交换机上有两个用于组环的端口，交换机之间通过手拉手形式构成了环形的网络拓扑，通过光纤组成环网，环网的优点是某一根光纤出现故障，可以自动跳到另一条光缆进行通讯。

无人驻守井口平台的 PCS、ESD、FGS、电话系统、扬声器、摄像头等系统必须具备网络接口，可通过网线直接接入管理型环网交换机。

中心平台的中控系统、电话系统、扬声器、CCTV等系统需具备网络接口，可通过网线直接接入管理型环网交换机，如不具备，需通过改造增设网络接口。

虚拟局域网（Virtual Local Area Network，简写 VLAN）是一种建构于局域网交换技术(LAN Switch)的网络管理的技术。VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。对于平台内各系统IP地址不在同一网段的情况，环网交换机具备VLAN技术，可以把同一物理局域网内的不同系统逻辑地划分成不同的广播域，由于是从逻辑上划分，而不是从物理上划分，所以同一个VLAN内的各个工作站没有限制在同一个物理范围中，即这些工作站可以在不同物理 LAN网段。由VLAN的特点可知，一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。

4.3 专用设备（DTT卡）的可靠性

4.3.1 紧急关断DTT专用卡

图5 DTT-XMT单元前面板

鉴于安全系统的重要性，安全系统应设计成独立于控制和报警系统，使其不受控制和报警系统故障的影响。[2]传输紧急关断等干接点信号，设备的可靠性必须非常高，不能有任何的误动作，否则会影响生产，甚至导致油田停产，这就要求专用的卡件电路中每个回路的设计必须完全独立并隔离，DTT卡件中传输干接点信号的4个电路设计完全独立并隔离，接收端在收到，也只有收到一个完整的正确的 96－bit帧时才发出一个预定的动作信号。图表96中显示了各种传输误码率的误动作概率。在正常传输下，误动作的概率优于10-72，这是实际应用时的最低点，同时， 甚至在连续的0.1误码率（最坏情况），误动作概率也只有 10-16，也就是300,000年一次。

图6 误动作概率

4.3.2 DTT卡的传输编码及延时

从DTT－XMT传来的输入信号是连续的同步比特流。比特流含有紧邻的96－BIT结构，除此外，将会提前中止出一个空闲的帧来加快高优先级帧（新的远动信号）的传输。从图中可看出，96位编码中：16位的头编码，24位的地址编码，12位的关断数据，8位测试码，4位报警码，32位的循环冗余校验 CRC（Cyclic Redundancy Check）编码。这样在传输上彻底避免了由于数据的误码和错码造成的误关断。

一般两平台之间的关断信号主要延时来自设备本身的延时（信号在海底光缆的传输速度为5 μs/km，可不考虑，见图8），专用设备卡件的端到端延时为3 ms，能够完成最严格的关断信号延时要求。

总之，随着海上平台工艺设施安全保护要求的不断提高，一些海上油气田开始采用高完整性压力保护系统（HIIPS）来保护生产设施和人员安全[3]。对于紧急关断信号的稳定性及安全性的要求也越来越高，这也给各生产厂商提出了更高的要求，一般安全系统的 SIL等级也要求达到SIL2甚至SIL3的等级。

5 结束语

简易井口平台设施少，仪控系统尽量设置简单，但对于无人驻守井口平台一般依托现有设施进行遥控、监测和关断，仪控系统简单而又要求可靠，实现自动化生产，提高了平台的自持能力，减少人员登平台的次数[4]。环网交换机在控制方面发挥了重要的作用。对于环网交换技术的应用，达到了自动化系统的设计应使运行过程中出现的一个故障不会导致其他故障的产生，并且其产生的危险性会降到尽可能低的程度的要求[5]。通过以上方案的阐述，在边际油田开发方面，控制方案的优化及应用将对目前形势下的降本增效提供有力的实践意义，同时为海上石油开发中通讯网络的设计积累经验及借鉴。

图7 BC96 码

图8 DTT延时逻辑图

[1] 中国海洋石油总公司. Q/HS 3024-2012 海上无人驻守井口平台设计规定[S]. 2013.

[2] 海洋石油工程设计指南编委会. 海洋石油工程电气仪控通信设计[M]. 北京: 石油工业出版社, 2007.

[3] 徐正海等. 海上平台仪控系统发展现状[M]. 2013.

[4] 海洋石油工程设计指南编委会. 海洋石油工程边际油气田开发技术第 13册[S]. 北京: 石油工业出版社, 2010.

[5] 中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

The Communication Technology of Ring Network Applicated in Marginal Oil Fields Development

Lyu Ruisheng1, He Jinping2

(1. CNOOC Energy Technology & Services-Marginal Oil Fields Development Project Group, Tianjin 300457, China;

2. CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

This article introduces the ring network- switch communication technology. The technology realizes signal transmission and control between the remote unmanned wellhead platform and relying platform. It is better than that of the optimal terminal machine in cost and is feasible in technical which plays a certain practical application role in communication technology for the marginal oilfield.

ring network switch; optical fiber; VLAN technology

TN915.05

A

1003-4862（2017）02-0074-04

0 引言

2016-08-12

吕瑞升（1980-），男，工学学士，工程师。研究方向：船舶及海洋工程发电、配电系统。

E-mail: lvrsh@cnooc.com.cn制系统是海上油气田开发工程中的关键环节之一，它是海上油气田各种开发设施的大脑和安全卫士。只有仪表控制系统发挥良好的功能才能保障海上油气田得以顺利的开发[2]。

在成本费用上优于光端机，技术上可行，为今后边际油田在通讯技术方面起到了一定的实践应用意义。

海上采油平台的生产过程离不开自动化控制系统，该系统是整个平台开采、生产和集输及消防安全正常运行的保证。随着海洋石油事业的不断发展，根据开采规模的不同，海洋石油平台向着两极发展。一方面，将所有的油气生产及处理、人员生活区都集中在一个平台上，即形成一个中心平台（CEP），另一方面，对于边际油田的开采开发，由于井数少、平台设施简化，无动力设施、油气处理设施。正常生产条件下，平台上无人进行生产操作，特殊情况下，如检修、应急故障处理、调查，以及定期巡检期间，可以登平台，但不得在平台住宿，即所谓的无人驻守井口平台[1]。这就需要不同的控制方案对不同规模的进行控制，控制系统的选型也随之不同。仪表控