国产化DCS在海洋石油平台上的应用

史书臣

(中海油工业自控(天津)有限公司，天津 300451)

近年来，国际石油价格持续在低位游走，给海洋石油企业带来了很大的成本压力。用于石油生产的海洋石油平台处于海洋环境中，湿度大、高盐雾、腐蚀性强。在渤海地区，环境中灰尘较多、温度变化大、冬天环境温度较低，由于海冰作用平台震动大；在南海地区，平台容易受到热带风暴、台风侵扰。在海洋石油平台上，作为控制中枢的中央控制系统，一直被国外品牌垄断，使海洋石油平台中央控制系统的建设成本和运维成本一直高居不下，研究国产化DCS在海洋石油平台上的应用，可以有效地降低平台中央控制系统的建设成本、维护成本，提高维护的时效性。

1 海洋石油平台PCS

1.1 架构与作用

海洋石油平台中央控制系统是石油平台生产运行的管控中枢，也是与陆地管控中心进行数据信息交流的核心，一般由PCS，ESD，FGS三部分组成。

海洋石油平台PCS由DCS实现，用于完成对生产装置的监控与控制管理。ESD/FGS由SIS实现，ESD完成对生产流程、工艺设备、机械设备等的安全保护；FGS完成对海洋石油平台的火灾、易燃易爆气体、有毒有害气体等的监控，防止火灾或中毒情况的发生，与ESD和消防系统以及通风系统联动，保证平台生产的安全。

1.2 PCS技术关键

依据海洋石油平台的环境和连续生产的特点，对PCS关键技术要求如下：

1)基本要求。控制系统规模容量及控制器控制能力，包括： 内存、运算速率、总线速率、回路数量、支持点数，控制器容错冗余功能，I/O卡件热插拔功能及通道独立隔离，模拟信号AI卡件具有HART协议信号采集功能，冗余供电功能及冗余电源容量，系统具有自诊断功能，扫描周期、用户程序在线下载功能，PCS控制器平均负荷不应超过30%等。

2)操作站和工程师站通过冗余高速以太网和服务器连接，监控网和控制网通过连接服务器通信，网络负载在正常操作状态下应高于50%。

3)在操作站上能够实现对具用HART协议功能的现场检测仪表进行量程标定，操作站每幅画面不超过100个动态点，可动态显示生产流程、主要工艺参数、设备的运行状态。

4)控制网上任何节点的单个通道通信故障不会影响整个网络的效率，所有输出通信故障时可保持原有状态，具有开放性网络结构，采用Modbus RTU协议串行通信能力，具有很好的兼容性和扩展能力，能够充分发挥标准化技术优势，不断融进新技术的特征。

5)DCS应具有多层次冗余容错实时自动切换能力。

6)DCS硬件环境防腐技术性能必须满足ISA71.04标准G3等级要求；系统硬件在高震动环境下，能够稳定工作；能够安全、稳定、长期地工作在恶劣的海洋环境。

2 国产化DCS应用于海洋石油平台可行性

国产DCS起步于20世纪70年代中期，在20世纪90年代初形成了几家有代表性的国产DCS专业化制造公司，如： 浙江中控公司、和利时公司、上海新华公司等，国产DCS经过多年技术积累和实践，以较高系统性价比占据了各行各业一定的市场份额。

基于对国产DCS性能及业绩的梳理甄别，以国产ECS-700 DCS为对象，研究分析其在海洋石油平台上应用于PCS的可行性。

2.1 系统可靠性和稳定性

海上油气平台的连续作业对DCS的可靠性和稳定性要求较高，在生产过程中DCS发生故障或意外损坏，轻者造成设备损坏，重者将直接导致正常生产中断，造成极大的经济损失。因此，DCS的可靠性和稳定性对海上石油平台正常生产至关重要。

ECS-700系统采用冗余设计结构和高性能硬件设计配置系统，冗余设计结构包括： 冗余供电系统、冗余通信网络、互为备用的操作员站、冗余控制站和全冗余的输入/输出模块。系统在冗余配置下，任意一处的电源故障不会影响系统的整体供电，任意单一部件的故障不影响系统的正常运行，任意通信链路故障也不影响系统的正常通信。系统的各个冗余模块可以快速在线自动无扰切换，无需任何人工干预，系统运行具有较好的可靠性和稳定性。

2.2 系统安全性

ECS-700系统的控制器，通过了网络安全Achilles Level 2级的网络安全认证，具有较好的安全可靠性。

1)冗余切换机制。在技术特性上，ECS-700系统的各个层级模块具有冗余配置功能，具有在线冗余切换管理机制，系统在上位通信总线、控制器、电源、现场控制通信总线、I/O模件、第三方通信等均可实现自诊断，自动冗余实时切换。

2)故障分层管理机制。系统将模块的故障情况，根据性质划分为重故障和轻故障，依据故障性质进行有效针对性的预处理：

a)系统控制站、服务器故障时，通过冗余措施使系统不受影响；UPS供电意外中断时，系统在安全设置下，保障现场阀门处于安全位置，维持生产装置的安全。

b)系统I/O接口具有较高的隔离保护能力，使现场侧和系统侧安全隔离，保证整体系统安全性。

2.3 系统维护性和扩展性

系统维护性是指系统能否在出现局部故障时，运行维护人员能够尽快发现并及时处理，尽量缩短维修时间。ECS-700系统具有模块带电热插拔功能，为维护人员提供了非常方便的维护手段，系统发生故障时，系统能够提供良好的维护手段，能够及时方便地处理故障，有效防止系统事故扩大。

ECS-700系统支持在线扩容、扩展、并网，系统具有分域管理、多人协同组态、单点在线下载、在线发布等关键技术，通过这些技术可实现系统的无扰动在线扩容、扩展；同时系统支持在不停产的情况下在线扩展新类型模块，使当前最新技术可以无扰地应用到现有系统中。

2.4 系统开放性

2.4.1 开放式应用环境

ECS-700系统采用Windows系列操作系统，工程师和操作员站硬件采用通用的工业级PC机，同时可集成Windows平台下丰富的功能软件。用户在不同层次上可以通过Excel软件、VBA语言、OPC数据交互协议、TCP/IP网络协议等开放接口与DCS进行信息交互；系统人机交互界面(HMI)与Windows操作界面相同，操作简便、开放。

2.4.2 现场总线综合集成

系统采用高速以太网构建控制网络和信息网络，通过TCP/IP或UDP/IP进行直接的信息交互，系统在统一的设备管理平台上管理多种现场总线设备，无缝整合了Profibus，FF，HART，EPA等国际标准总线，对于任何符合标准总线协议的供应商设备，ECS-700系统都可以将其设备内的参数作为维护信息读取到系统中。

2.5 系统性能对比

在海洋石油平台上，中央控制系统一直被国外DCS品牌垄断，为此针对DCS产品进行国内外主要性能的对比、研究。

2.5.1 系统主要性能对比

国内外DCS的主要性能分析、对比见表1所列。

表1 国内外DCS主要性能对比分析

2.5.2 系统次要性能对比

国内外DCS在操作监控的数据管理安全形式、多人协同组态技术、组态方式、在线/离线组态、Web浏览在线下载几个方面，具有相同的技术性能；在统计和报表、编程语言方面，均支持Execel的连接应用和FDB语言，有很大的相似性；I/O卡件采用模块化设计；在通信网络异构互联方面，均支持Modbus/OPC；在通信网络现场总线方面，均支持HART/Profibus-DP/FF协议;在是否支持Modbus/AS-i/DeviceNet/ControlNet协议上，略有差异。

通过上述分析，国产化DCS具有较好的应用于海洋石油平台作为PCS用于生产监控的可行性。

3 国产化PCS应用海洋石油平台的设计

针对渤海海域的某新建可移动自升式采油平台，采用国产化DCS设计实施了该海洋石油平台的PCS。

3.1 系统拓扑结构

基于ECS-700系统设计的可移动自升式海洋石油平台的PCS，系统主要卡件采用冗余配置技术，提高了PCS的可靠性。采用冗余配置设计的卡件设备主要有： 主控器、系统电源卡件、系统通信卡件、与第三方Modbus RTU通信卡件、AI/AO卡件、关键DI/DO信号卡件(接受SIS信号)，非关键DI/DO卡件(接受非SIS信号)采用非冗余配置方式设计；系统通信网络采用冗余配置总线式结构，保障系统通信网络的工作可靠性。PCS拓扑结构如图1所示。

图1 PCS拓扑结构示意

3.2 硬件选型

由于海洋石油平台环境相对恶劣，盐雾大、震动大，在系统硬件选型设计时，除了考虑系统性能外，还要重点考虑系统硬件必须能够适应海洋的恶劣环境并具有良好的抗震动性能，硬件须满足ISA71.04标准的G3等级环境防腐要求。

1)控制器。依据海洋石油平台PCS控制器平均负荷不超过30%的要求，可移动自升式石油平台控制系统控制点数规模为2 500点；当控制站满负荷时，系统软件、通信负荷具有至少40%以上的工作裕量等技术要求，系统控制器设计选型为FCU712-S01CS，采用冗余设计结构。

2)I/O模件。依据PCS技术要求，结合I/O卡件特性，现场过程信号处理I/O模件设计选型如下：

a)AI/AO信号模件为通道独立隔离的8通道模件，采用冗余方式设计。

b)DI/DO信号模件为32通道模件，与ESD相关的信号处理卡件采用冗余方式设计。

3)通信模件。据系统结构设计，PCS与第三方ESD/FGS采用Modbus RTU进行信息交换，以冗余方式作为PCS与第三方通信的通道，保证PCS与第三方通信的可靠性。

4)工程师站和操作员站。依据PCS操作监控的技术特性要求，系统工程师站和操作员站，设计选用工业计算机产品。

5)系统网络交换机。结合系统硬件网络拓扑结构、网络连接设备数量、接口通信速率等要求，选用的交换机具有14个100/1 000 M自适应RJ-45端口，2个光纤模块插槽。

3.3 软件设计

PCS软件设计主要包括两方面： 一是系统软件和应用软件的选型设计，二是用户监控应用软件、用户控制逻辑软件、系统状态监控软件设计编制等。

3.3.1 系统软件及应用软件设计

依据系统监控功能与管理功能技术要求，PCS的系统软件及应用软件设计包括： 系统操作站软件、统工程师站软件、SAMS设备管理软件；SAMS设备管理客户端、历史数据管理等软件；PCS操作站和工程师站操作系统选用Windows10专业版；PCS服务器操作系统设计选用Windows Sever2012网络版；病毒监控分析软件、工控网络安全分析管理软件。

3.3.2 用户应用软件设计

主要完成的用户应用软件包括： 工艺过程控制、特征逻辑控制、数据采集传输、数据通信控制等；工艺生产流程监控HMI界面、历史管理数据库、实时过程数据库；过程报警监控、首要报警监控GUI、安全操作监控管理、用户管理监控软件；系统通信状态监控软件、系统硬件状态监控软件；网络安全管理策略设计配置、病毒监控分析配置、白名单写入报警设计配置。

3.3.3 首要报警监控与特征控制逻辑设计

1)首要报警监控设计。为了利于报警事故分析与处理，设计编制首要报警监控GUI，用于扫描采集报警监控软件组态的首要报警信息以及SIS传输来的首要报警信息，并对其进行处理、存储；当系统检测监控到首要报警信息时，首要报警GUI以最高报警级别弹出，置顶闪烁显示，便于操作监控人员分析处理。

2)特征控制设计。针对工艺流程与设备，设计编制特征“1oo3”控制、“2oo3”控制、“1oo2”结合“1oo3”延时输出控制、“1oo3”输出保持延时控制等。

3)通信状态及系统硬件状态监控设计。为了实现系统与第三方通信状态的实时监控、系统硬件状态的实时监控，利于用户对系统通信和硬件的维护，提高系统通信故障或硬件故障维修效率，采用VisualField组态编制系统通信状态以及系统硬件状态的底层监控软件，设计组态编制上层监控GUI，用户通过GUI可以直观地掌握系统通信状态和系统硬件状态，准确地判断系统工作状况。

3.4 系统网络信息安全设计

采用InTrust可信工控安全平台的自主可信计算技术、智能可信度量系统运行“白名单”技术、USB管控技术，结合工业隔离网闸，设计PCS网络信息安全运行保障体系，对计算机后门程序、木马、病毒、数据扫描、密钥数据块攻击、黑客攻击等多元化的风险及威胁进行安全防护，提高了控制系统的安全性。网络安全结构如图2所示。

图2 PCS网络安全结构示意

4 结束语

通过分析研究，采用国产化DCS设计的渤海某海域海洋石油平台PCS，经过一年多的实际使用，验证了系统硬件具有很好的防腐性能，控制器、I/O卡件、通信卡等均无故障地稳定运行，控制器与第三方系统通信稳定，系统灵活的操作很好地满足了石油平台生产监控的各类需要，进一步证明了国产化DCS能够较好地应用于海洋石油平台的生产监控。

国产化DCS成功地应用于海洋石油平台的生产监控，不但打破了国外品牌对海洋石油平台PCS的垄断，而且也降低了海洋石油平台PCS建造维护成本和系统维修的时效性，具有较好的经济效益和社会效益。