李 杰，薛 旻，陳亞杰，劉 赟

（711研究所，上海 201108）

0 引 言

進入 21世紀(jì)以來，隨著油氣開發(fā)投資規(guī)模的不斷擴大，我國的海洋工程產(chǎn)業(yè)得以大力發(fā)展，海洋工程裝備市場前景越來越廣闊[1]。通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)（如美國的Honeywell、Rockwell、日本的Yokogawa、歐洲的Siemens、ABB公司等），現(xiàn)代海洋工程裝備監(jiān)控技術(shù)在性能和技術(shù)水平上都有了很大提高[2]，實現(xiàn)了系統(tǒng)產(chǎn)品在海洋平臺上的應(yīng)用，系統(tǒng)集成技術(shù)已逐漸接近國際先進水平，部分國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)也正在研發(fā)和推向市場。海洋工程裝備監(jiān)控系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向迅速發(fā)展，F(xiàn)CS技術(shù)是海洋工程裝備監(jiān)控系統(tǒng)最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。它傳輸速率高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)靈活、可靠性好。對海洋工程裝備領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展將起著十分重要的作用。

1 FCS技術(shù)的優(yōu)勢

當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，對現(xiàn)場設(shè)備的控制提出了更高的要求，現(xiàn)場與外界信息溝通的范圍不斷擴大，這就需要把大量的現(xiàn)場信息送到外界，又需要遠程對現(xiàn)場進行診斷、維護和服務(wù)，實現(xiàn)從現(xiàn)場控制到監(jiān)控、管理、決策等各層次的信息交換和集成。海上油氣生產(chǎn)是在海洋平臺或其他海上生產(chǎn)設(shè)施上進行，生產(chǎn)設(shè)施要經(jīng)受各種惡劣氣候和風(fēng)浪的襲擊，采出的油氣易燃易爆因而發(fā)生事故的可能性很大，平臺空間有限要求設(shè)備尺寸小且自動化程度高，特別是邊際油田通常采用無人值守井口平臺的模式。因此，對海洋工程監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提出了極為嚴(yán)格的要求。FCS技術(shù)在這方面體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

1.1 高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)設(shè)備互操作性和互換性[3]。把遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家、不同品牌、功能相同的產(chǎn)品集成在同一個系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)成FCS，并可在同功能的產(chǎn)品之間進行相互替換，使用戶具有自控設(shè)備選擇、集成的主動權(quán)。

1.2 可靠的數(shù)字通信

現(xiàn)場設(shè)備具有數(shù)字通信功能。利用數(shù)字信號代替模擬信號，免去了D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換）與A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）變換，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%，其傳輸抗干擾性強，測量精度高，大大提高了系統(tǒng)性能。

1.3 智能化與可維護性

FCS采用全數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息[4]，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制，可以對現(xiàn)場裝置（包括變送器、執(zhí)行機構(gòu)等）進行遠程診斷、維護和組態(tài)。

1.4 高度分散性

現(xiàn)場設(shè)備智能化，實現(xiàn)徹底的分散控制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。海洋平臺空間相對狹小，F(xiàn)CS由于信息處理現(xiàn)場化，省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件及I/O柜，同時也節(jié)省了大量電纜、I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。

1.5 適應(yīng)性

大部分現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)是線狀的，且采用兩線制實現(xiàn)供電和通信，易解決網(wǎng)絡(luò)供電、本安防爆等問題，具有較強抗干擾能力[5]。系統(tǒng)功能擴充、結(jié)構(gòu)改型方便。

FCS技術(shù)改變了傳統(tǒng)的DCS（分布式控制系統(tǒng)）模式，開拓了總線控制的新時代。對于大型的、設(shè)備繁多的或者自動化要求高的系統(tǒng)，則更能體現(xiàn)出總線控制的優(yōu)越性。

2 FCS技術(shù)的應(yīng)用特點

以國外先進的FCS集成商Rockwell公司和Emerson公司的FCS架構(gòu)為例，簡要說明該技術(shù)的應(yīng)用特點。

2.1 Rockwell公司的FCS架構(gòu)

圖1 Rockwell公司的FCS架構(gòu)

圖1 為典型的FCS架構(gòu)之一，其分為3個層次：基于Ethernet/IP協(xié)議的信息網(wǎng)、基于ControlNet協(xié)議的主干網(wǎng)和基于DeviceNet協(xié)議的設(shè)備網(wǎng)。

2.1.1 設(shè)備網(wǎng)

設(shè)備網(wǎng)包含現(xiàn)場I/O Module模塊、傳感器以及自動閥等執(zhí)行機構(gòu)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字化及數(shù)據(jù)分析，并向同級的設(shè)備或上一級網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)，以及接收上一級的指令或者根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)驅(qū)動外圍的執(zhí)行機構(gòu)等。該設(shè)備網(wǎng)可以采用多種現(xiàn)場總線如DeviceNet 等，主要實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息傳輸功能。

2.1.2 主干網(wǎng)

主干網(wǎng)包含I/O Station、遠程I/O Station等，主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)監(jiān)控、擴展網(wǎng)絡(luò)、提供與信息網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)的通信接口，并完成相應(yīng)的通信以及驅(qū)動部分外圍的執(zhí)行機構(gòu)等功能，在這個層次上可以采用與設(shè)備網(wǎng)相同的總線協(xié)議。

2.1.3 信息網(wǎng)

信息網(wǎng)包含工控機、打印輸出及記錄設(shè)備、儀表顯示單元等。該網(wǎng)是FCS的核心部分。海洋工程裝備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)運行在信息網(wǎng)中的管理微機上，其監(jiān)測軟件可以實現(xiàn)對各現(xiàn)場信號進行集中的監(jiān)測報警，對事件進行程序設(shè)定的自動處理并向外報告。信息網(wǎng)為高速以太網(wǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，它建立在Ethernet/IP協(xié)議的基礎(chǔ)之上，具有良好的互聯(lián)性。FCS不但具有一般監(jiān)控軟件的基本功能，如參數(shù)集中顯示、越限報警、參數(shù)/報警打印等，還具有聯(lián)網(wǎng)所帶來的特殊功能，包括任意監(jiān)測裝備故障時的自動化切換、網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測、任意監(jiān)測主機之間資源共享等。

2.2 Emerson公司FCS架構(gòu)

圖2 Emerson公司的FCS架構(gòu)

圖2 為Emerson公司典型的FCS架構(gòu)，分為：基于Ethernet協(xié)議的信息網(wǎng)、基于Foundation Fieldbus、Profibus協(xié)議的設(shè)備網(wǎng)。

2.2.1 設(shè)備網(wǎng)

設(shè)備網(wǎng)包含：現(xiàn)場Remote-IO模塊、HART傳感器、無線傳感器等設(shè)備，可以采用多種現(xiàn)場總線如Foundation Fieldbus、Profibus等，主要實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息傳輸功能。

2.2.2 信息網(wǎng)

信息網(wǎng)的核心是Delta V軟件，主要完成系統(tǒng)管理、與外圍其他網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)通信、主機參數(shù)綜合顯示、人機交互等功能。信息網(wǎng)為冗余高速以太網(wǎng)。

2.3 兩個系統(tǒng)的主要特點

海洋工程中需要監(jiān)控的設(shè)備和調(diào)節(jié)的儀表控制回路較多，應(yīng)用FCS技術(shù)的效果明顯。特別是FPSO（浮式生產(chǎn)儲油輪）和油田群的中心平臺，通常需要對鄰近的井口平臺群以及周邊的海上設(shè)施進行監(jiān)控，因而需要監(jiān)控的設(shè)備很多，情況也較為復(fù)雜。通過采用FCS技術(shù)，將重要的調(diào)節(jié)回路放到現(xiàn)場控制，只將部分信號送到過程控制系統(tǒng)供中央控制室監(jiān)控，不僅能使設(shè)計、繪圖的工作簡化，布線及調(diào)試時間也大大縮短，在油田投產(chǎn)后，還會帶來一系列長遠利益，如方便檢修與維護，提高資產(chǎn)效率，降低運行成本等。在海洋工程設(shè)備監(jiān)控方面應(yīng)用FCS技術(shù)有下列主要特點：

1) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)組態(tài)靈活、可擴展性強、適用范圍廣；

2) 采用透明機制，從下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)連接到上層高速信息網(wǎng)絡(luò)，增強了實時性；

3) 統(tǒng)一的通信接口，降低了成本，減少了工作量，增加了網(wǎng)絡(luò)可靠性；

4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快，可達100Mbit/s。

5) 節(jié)點數(shù)量大；

6) 能夠提供更豐富的現(xiàn)場信息，更深入地掌握現(xiàn)場生產(chǎn)過程情況、設(shè)備儀表信息。

3 FCS技術(shù)在海洋工程上的典型應(yīng)用

以某海洋平臺為例，介紹FCS技術(shù)在海洋工程上的典型應(yīng)用。

圖3 為應(yīng)用FCS技術(shù)的大型綜合平臺，該平臺系統(tǒng)分為設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層和生產(chǎn)管理層。

3.1 設(shè)備層

設(shè)備層包括儀表、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動器等，采用DEVICENET等現(xiàn)場總線，同時包括CANBUS和HART等總線設(shè)備和無線傳感器。信號檢測、智能設(shè)備診斷在這里實現(xiàn)。

3.2 控制層

控制層實現(xiàn)I/O過程控制，采用第三方PLC（可編程邏輯控制器）控制器，形成PCS（過程控制系統(tǒng)）、ESD（應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)）和F&G（火氣探測系統(tǒng)）。其中ESD系統(tǒng)由安全控制系統(tǒng)組成；另外還采用自有設(shè)備形成公用系統(tǒng)的部分監(jiān)控，分別以監(jiān)控分站、電能管理系統(tǒng)、串口服務(wù)器等設(shè)備實現(xiàn)公用部分的監(jiān)控。

3.3 監(jiān)控層

監(jiān)控層實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，操作員能與系統(tǒng)進行人機對話，完成常規(guī)控制。除采用自有的監(jiān)控軟件及延伸報警等設(shè)備外，也采用第三方的軟件和設(shè)備，如過程自動化應(yīng)用服務(wù)器、工程師站、操作員站等設(shè)備。

3.4 生產(chǎn)管理層

生產(chǎn)管理層提供生產(chǎn)管理與性能監(jiān)視功能。支持的管理功能有：資產(chǎn)管理、性能分析、報表及優(yōu)化。

由于采用了FCS技術(shù)，使得控制系統(tǒng)電纜、橋架、本安安全柵與端子柜、I/O模塊等的使用量大大減少。如果應(yīng)用普通的控制系統(tǒng)，中心平臺與井口平臺之間會有大量電纜穿越，而采用FCS技術(shù)，僅有幾根電纜穿越，節(jié)省了大量的電纜費用。同時，由于該技術(shù)回路測試簡易、方便，縮短了整個項目的調(diào)試時間，使得該平臺能夠提前投產(chǎn)，直接帶來了經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 語

目前，海洋工程裝備監(jiān)控系統(tǒng)正向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及全分散的方向發(fā)展，隨著FCS技術(shù)的不斷完善, 其應(yīng)用范圍將逐漸擴大。作為最終用戶，希望選用順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流、運行成本低、可靠性高、管理維護容易、結(jié)構(gòu)簡單、易擴充和具有高度系統(tǒng)集成主動權(quán)的控制系統(tǒng)。而FCS技術(shù)正好符合技術(shù)的發(fā)展，滿足用戶的需求，將在海洋工程裝備領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 張廣欽. 關(guān)于進軍海工裝備市場的思考與對策[J]. 上海造船，2011, (1): 55-61.

[2] 張樹軍. 海洋工程裝備——船舶工業(yè)未來發(fā)展之路[J]. 中國水運，2009, (9).

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