黃少偉 ， 謝騰騰

（1.中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 山東 東營(yíng) 257026）

埕島油田無(wú)人值守平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)始建于1997年，2000年正式投產(chǎn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海上采油平臺(tái)無(wú)人值守和整個(gè)埕島油田的生產(chǎn)自動(dòng)化管理，確保了埕島海上油田的少人、高效、安全運(yùn)行。海上生產(chǎn)受天氣和環(huán)境的影響巨大，在惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)作為操作員“手”和“眼”的延伸，成為生產(chǎn)和安全唯一可以依賴的手段。如果系統(tǒng)不可靠，輕則無(wú)法開(kāi)關(guān)井影響生產(chǎn)，重則面對(duì)泄漏井噴束手無(wú)策，發(fā)生嚴(yán)重的安全環(huán)保事故。因此系統(tǒng)的可靠與否，是關(guān)乎生產(chǎn)和安全的大事。同時(shí)，新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施以及人們對(duì)安全生產(chǎn)認(rèn)識(shí)的不斷提高，要求采油平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)具有更高的可靠性。因此，開(kāi)展對(duì)勝利海上無(wú)人值守采油平臺(tái)安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究，對(duì)提高埕島油田無(wú)人值守平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 系統(tǒng)安全性分析

通過(guò)對(duì)埕島油田采油平臺(tái)生產(chǎn)工藝、關(guān)鍵設(shè)備、生產(chǎn)流程和無(wú)人值守的現(xiàn)狀進(jìn)行安全生產(chǎn)分析，確定了影響采油平臺(tái)安全生產(chǎn)的主要因素有以下幾個(gè)方面。

1.1 系統(tǒng)無(wú)法實(shí)施緊急關(guān)斷

目前，埕島油田自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)為一套常規(guī)邏輯控制系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)）。所有的采油泵過(guò)載安全保護(hù)、平臺(tái)集輸工藝參數(shù)采集、超限報(bào)警、緊急切斷控制、可燃?xì)怏w及火災(zāi)報(bào)警聯(lián)鎖等都由這套系統(tǒng)處理完成。測(cè)控參數(shù)多，功能繁雜，緊急關(guān)斷功能不突出。在PLC系統(tǒng)失效或故障時(shí)，將無(wú)法實(shí)施緊急關(guān)斷，存在嚴(yán)重安全隱患。

1.2 缺少有效的確認(rèn)和報(bào)警手段

平臺(tái)生產(chǎn)采取無(wú)人值守與日常巡檢相結(jié)合的方式。這種方式改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，但存在以下問(wèn)題：1）惡劣天氣下無(wú)法進(jìn)行巡檢。在監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，不能確認(rèn)是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)出現(xiàn)了問(wèn)題，還是自控系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，只能遙控停井保安全，嚴(yán)重影響了原油產(chǎn)量。2）事故狀態(tài)下缺少確認(rèn)手段。當(dāng)管線閥門(mén)泄漏等情況發(fā)生時(shí)，操作人員無(wú)法確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，增加了事故處理的難度，延誤了事故處理時(shí)間。

1.3 缺少必要的監(jiān)控手段

埕島油田屬于灘海油田，距離陸地近，漁船作業(yè)多，漁民非法登平臺(tái)盜竊平臺(tái)原油及生產(chǎn)物資的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這種情況，無(wú)人值守采油平臺(tái)缺少有效的監(jiān)控報(bào)警。

2 系統(tǒng)可靠性研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)冗余系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性

采用冗余技術(shù)，可以使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不受局部故障的影響，而且故障部件的維護(hù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)沒(méi)有影響，并可以實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，使故障部件得到及時(shí)的修復(fù)。冗余設(shè)計(jì)會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，冗余配置會(huì)增加用戶系統(tǒng)的投資，但這種投資換來(lái)了系統(tǒng)的可靠性，它提高了整個(gè)用戶系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF），縮短了平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。因此，采用冗余技術(shù)是提高測(cè)控系統(tǒng)可靠性的有效方法之一[1]。增強(qiáng)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 增強(qiáng)型冗余系統(tǒng)Fig.1 Enhanced redundancy system

2.1.1 冗余系統(tǒng)的構(gòu)成

海上自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：增強(qiáng)型冗余系統(tǒng)（切換式配置系統(tǒng)）、全冗余系統(tǒng)（雙通道配置系統(tǒng)）和混合配置系統(tǒng)。按照“從實(shí)際出發(fā)，在保證生產(chǎn)正常、安全的前提下，盡可能利用已有設(shè)施，降低工程投資和造價(jià)”的原則，埕島油田無(wú)人值守平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)中冗余系統(tǒng)方案選擇增強(qiáng)型冗余系統(tǒng)。

增強(qiáng)型冗余系統(tǒng)至少包含兩個(gè)主機(jī)架和一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。每個(gè)主機(jī)架上都包含一個(gè)中央處理器模塊 （CPU），以實(shí)現(xiàn)CPU的冗余。輸入輸出（I/O）模板放在擴(kuò)展機(jī)架上。每個(gè)主機(jī)架上的CPU都對(duì)擴(kuò)展機(jī)架上的輸入輸出模板進(jìn)行單獨(dú)尋址，并通過(guò)熱備模塊實(shí)現(xiàn)CPU的互相診斷。這種方式實(shí)現(xiàn)了CPU和電源模塊的冗余[2-4]。

在工作時(shí)，兩個(gè)主機(jī)架上的CPU分為主CPU和從CPU，主從CPU一起工作，一般情況下主CPU完成數(shù)據(jù)采集和控制，接收并執(zhí)行中心站的指令；熱備模板負(fù)責(zé)監(jiān)視主從CPU的工作狀態(tài)，保證兩者間的數(shù)據(jù)同步；在主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，從CPU會(huì)自動(dòng)切換為主CPU，并接管控制系統(tǒng)的所有工作，保障監(jiān)控與通訊的連續(xù)運(yùn)行。

2.1.2 冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1）系統(tǒng)構(gòu)成及功能

實(shí)施冗余方案的平臺(tái)自控系統(tǒng)由過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）兩套控制系統(tǒng)組成[5]，兩者有機(jī)結(jié)合互相診斷，通過(guò)遠(yuǎn)程模板經(jīng)DH+網(wǎng)絡(luò)相連，構(gòu)成統(tǒng)一的RTU系統(tǒng)。兩者信息共享，一旦PCS系統(tǒng)發(fā)生故障，中心平臺(tái)能夠通過(guò)SIS系統(tǒng)確保平臺(tái)有效的轉(zhuǎn)換至安全狀態(tài)。

過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）主要功能：將目前RTU系統(tǒng)改造成PCS系統(tǒng)。PCS系統(tǒng)采集、控制生產(chǎn)管理所需參數(shù)，包括：電泵運(yùn)行參數(shù)、油溫、油壓、回壓、井下的壓力和溫度、注水壓力、油氣水計(jì)量、套壓、注水計(jì)量等。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）主要功能：緊急關(guān)斷系統(tǒng)獨(dú)立于現(xiàn)有的PCS系統(tǒng)。其中ESD系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)安全參數(shù)，進(jìn)行報(bào)警及控制。安全參數(shù)包括：油井干溫、遙控電泵啟停、干壓、遙控關(guān)閉井下安全閥；遙控快速關(guān)斷原油平臺(tái)出口緊急關(guān)斷閥；平臺(tái)集輸工藝參數(shù)超限報(bào)警；FGS系統(tǒng)監(jiān)控火災(zāi)、可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警等。SIS系統(tǒng)安全等級(jí)為SIL 2。

2）緊急關(guān)斷系統(tǒng)兩級(jí)安全保護(hù)

埕島油田主體區(qū)域，采用衛(wèi)星平臺(tái)與中心平臺(tái)結(jié)合的集輸方式。衛(wèi)星平臺(tái)生產(chǎn)的油氣經(jīng)加熱計(jì)量后，靠井口壓力通過(guò)海底管線混輸至中心平臺(tái)進(jìn)行油氣分離及預(yù)脫水等處理，低含水原油通過(guò)海底管線輸送上岸至海三站，經(jīng)加熱、加壓后輸送至海四聯(lián)合站進(jìn)一步處理。無(wú)人值守采油平臺(tái)集輸工藝流程圖如圖2所示。

圖2 無(wú)人值守采油平臺(tái)集輸工藝Fig.2 Unmanned oil platform gathering process

通過(guò)對(duì)無(wú)人值守采油平臺(tái)集輸工藝研究，確定井下安全閥和緊急切斷閥為無(wú)人值守采油衛(wèi)星平臺(tái)的兩級(jí)安全保護(hù)。當(dāng)油井壓力過(guò)高或過(guò)低，生產(chǎn)流程中出現(xiàn)原油泄漏、生產(chǎn)設(shè)備溢油等事故時(shí)，為保障油井安全生產(chǎn)、避免發(fā)生井噴等嚴(yán)重事故，通過(guò)緊急關(guān)斷系統(tǒng)遙控關(guān)閉平臺(tái)去海底輸油管線緊急切斷閥，并同時(shí)停采油電泵。當(dāng)平臺(tái)發(fā)生井噴、火災(zāi)等重大事故時(shí)，通過(guò)緊急關(guān)斷系統(tǒng)遙控關(guān)閉井下安全閥、緊急切斷閥，并同時(shí)停采油電泵，從而確保平臺(tái)安全。

3）冗余緊急關(guān)斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

①硬件選型

冗余緊急關(guān)斷系統(tǒng)選用羅克韋爾RSLogix5000系列的1756-L61 ControlLogix5561控制器組成冗余控制系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)中包括一對(duì)完全相同的機(jī)架，每個(gè)機(jī)架中包括一個(gè)1756-L61控制器，用于完成系統(tǒng)的信號(hào)采集、邏輯控制、數(shù)據(jù)通訊等功能；一個(gè)1756-CNB/E通訊模板，用于實(shí)現(xiàn)控制器與I/O模塊機(jī)架之間數(shù)據(jù)通訊；一個(gè)1757-SRM冗余模板，用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)架中L61控制器之間的冗余控制、數(shù)據(jù)同步等功能。

②冗余配置

ControlLogix的冗余是由特殊的冗余硬件所控制的，系統(tǒng)通過(guò)使用一對(duì)完全相同的ControlLogix機(jī)架，來(lái)確保在其中一個(gè)機(jī)架中的設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下仍可照常運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)控制器的冗余，冗余模板（SRM模板）、冗余控制器安置在不同的機(jī)架上，并且有各自獨(dú)立的電源，它們之間的距離可以分開(kāi)10 m以上[5]。采用RSLogix5000系列PLC組建的冗余系統(tǒng)不需要額外編程，主控制器和備用控制器的同步對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是完全透明的。一旦系統(tǒng)故障后，可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。冗余模板之間是通過(guò)光纖連接的，并且可以在線替換，不影響用戶的過(guò)程控制。冗余的控制器可以共享所有的I/O卡件。

冗余系統(tǒng)方案實(shí)施之后，采油衛(wèi)星平臺(tái)控制系統(tǒng)由過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和冗余緊急關(guān)斷系統(tǒng)構(gòu)成。PCS系統(tǒng)完成采油平臺(tái)的生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控，ESD系統(tǒng)完成對(duì)生產(chǎn)的安全控制，兩者有機(jī)結(jié)合互相診斷，并通過(guò)冗余通訊鏈路完成與中心平臺(tái)的通訊。PCS系統(tǒng)與ESD系統(tǒng)可以通過(guò)DH+網(wǎng)絡(luò)或ControlNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，構(gòu)成統(tǒng)一的RTU系統(tǒng)，兩者信息共享，一旦PCS發(fā)生故障時(shí)，中心平臺(tái)仍然能夠通過(guò)緊急關(guān)斷系統(tǒng)采集到關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)發(fā)送指令，完成設(shè)備遙控，確保平臺(tái)可以有效無(wú)誤的轉(zhuǎn)換至安全狀態(tài)。

2.2 可視化安全監(jiān)控技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

采油平臺(tái)安全監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)不法分子進(jìn)入采油平臺(tái)，延緩或阻止不法分子對(duì)采油設(shè)施的盜竊、破壞，盡量減少經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，該系統(tǒng)通過(guò)信息實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)所監(jiān)視設(shè)備的異常。

在無(wú)人值守采油平臺(tái)安全監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)上，在體現(xiàn)“綜合防侵入體系”主體思想的同時(shí)，采用多重防侵入識(shí)別技術(shù)手段，引入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸、衛(wèi)星平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)技術(shù)以及遠(yuǎn)程防侵入報(bào)警監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)防非法侵入模式由被動(dòng)保護(hù)向主動(dòng)防御的逐步轉(zhuǎn)換。

2.2.1 可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海洋石油開(kāi)發(fā)無(wú)人值守采油平臺(tái)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件單元設(shè)計(jì)分海洋開(kāi)發(fā)平臺(tái)模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心模塊兩部分。其中，開(kāi)發(fā)平臺(tái)模塊分為非法侵入與生產(chǎn)過(guò)程故障信號(hào)采集、報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制、報(bào)警信息提示和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸4個(gè)子功能；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心模塊分為總體監(jiān)控和報(bào)警顯示兩個(gè)子功能[6]。兩個(gè)模塊之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)工作?？梢暬踩O(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

海洋開(kāi)發(fā)平臺(tái)模塊通過(guò)安全監(jiān)控主機(jī)以及RS-485總線讀取開(kāi)發(fā)平臺(tái)上所有的紅外探測(cè)傳感器、門(mén)磁開(kāi)關(guān)與生產(chǎn)監(jiān)控PLC數(shù)字量輸出端的輸出信號(hào)，進(jìn)行分析處理。若判斷為報(bào)警信號(hào)或故障信號(hào)，則控制視頻攝像系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)跟蹤到報(bào)警區(qū)域的預(yù)設(shè)位置進(jìn)行監(jiān)視錄像，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的聲光報(bào)警器報(bào)警，并將報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。為了方便平臺(tái)工作人員的正常作業(yè)，該模塊中設(shè)置了布防/撤防選擇開(kāi)關(guān)，可根據(jù)實(shí)際需要方便地進(jìn)行布防/撤防操作[7]。

圖3 可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.3 Visualization safety monitoring system overall design

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心模塊可以對(duì)海洋開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行總體的監(jiān)視與控制，并且可以及時(shí)地顯示平臺(tái)報(bào)警及故障信息。

2.2.2 可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)海上平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)組成，平臺(tái)防登陸識(shí)別主要包括平臺(tái)周界防范設(shè)計(jì)、海上平臺(tái)爬梯部位防非法侵入識(shí)別設(shè)計(jì)和海上平臺(tái)內(nèi)部防非法侵入識(shí)別設(shè)計(jì)3部分。通過(guò)對(duì)海上平臺(tái)的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定平臺(tái)重點(diǎn)防登陸部位包括：井口平臺(tái)周界、工藝平臺(tái)周界、平臺(tái)登陸梯、平臺(tái)登陸門(mén)等。海上平臺(tái)防登陸識(shí)別總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 海上平臺(tái)防登陸識(shí)別總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Offshore platforms，anti-landing identify the overall structure

根據(jù)目前防非法侵入識(shí)別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及海上平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，海上平臺(tái)防非法侵入識(shí)別手段主要采用紅外線探測(cè)、門(mén)磁開(kāi)關(guān)探測(cè)以及視頻監(jiān)測(cè)。其中，紅外探測(cè)器用于平臺(tái)周界、平臺(tái)登陸梯部位的侵入識(shí)別，門(mén)磁開(kāi)關(guān)主要用于平臺(tái)登陸門(mén)部位，視頻監(jiān)測(cè)[8-9]用于全平臺(tái)以及重點(diǎn)防范部位的監(jiān)視。

采油平臺(tái)可視化安全監(jiān)控技術(shù)采用紅外、門(mén)磁平面探測(cè)和視頻空間監(jiān)測(cè)的組合方式，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)，覆蓋所有非法侵入重點(diǎn)位置，保證了平臺(tái)整體非法侵入監(jiān)控效果，系統(tǒng)具有紅外、門(mén)磁探測(cè)與視頻聯(lián)動(dòng)跟蹤監(jiān)視功能，方便監(jiān)控人員對(duì)報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行快速、直觀地檢查，綜合驗(yàn)證平臺(tái)非法入侵信息的真?zhèn)?，可提高?bào)警信息準(zhǔn)確率，指導(dǎo)制定適當(dāng)非法侵入應(yīng)急措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)勝利海上自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)安全性分析，文章確定了影響系統(tǒng)可靠性的3個(gè)主要因素，并針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展了冗余系統(tǒng)研究和可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)研究。文章提出了提高埕島油田無(wú)人值守平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)可靠性措施并形成了實(shí)施方案。冗余系統(tǒng)和可視化安全監(jiān)控系統(tǒng)的建立，提高了埕島油田自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)可靠性，有效的防止了非法入侵，實(shí)現(xiàn)了埕島油田能夠在高自動(dòng)化程度的條件下，安全、高效的可持續(xù)生產(chǎn)。

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