段玉波，陳靜石

（東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大慶 163000）

目前國(guó)內(nèi)的許多油田尤其是老油田都存在著DCS[1]中控系統(tǒng)嚴(yán)重老化的問題[2]。隨著生產(chǎn)工藝系統(tǒng)[3]的改變，中控PLC[4]使用壽命的減少，DCS系統(tǒng)的更新?lián)Q代[5]，為了保持油田正常、有序、平穩(wěn)、安全的運(yùn)行，迫切需要將DCS中控系統(tǒng)進(jìn)行更換，以此作為油田自動(dòng)化管理首要任務(wù)[6]。但是當(dāng)今在已經(jīng)進(jìn)行過DCS中控系統(tǒng)升級(jí)的油田企業(yè)，一般的做法都是在一個(gè)合適的時(shí)間，一個(gè)合適的環(huán)境，關(guān)停全廠，然后更換DCS中控系統(tǒng)[7]。這種方法簡(jiǎn)單易行、安全有序。但是這涉及到一個(gè)問題即企業(yè)利潤(rùn)。更換一整套DCS中控系統(tǒng)，至少需要20名專業(yè)技術(shù)人員，24 h×6 d的工作量。在一個(gè)大型油田企業(yè)中，6 d的時(shí)間能創(chuàng)造的價(jià)值高達(dá)數(shù)億元。所以，探討油田DCS中控系統(tǒng)不停產(chǎn)升級(jí)的做法，最終目的是使企業(yè)的利潤(rùn)最大化。為了探討此做法，本作者以曾經(jīng)工作過的中海油潿洲114-A平臺(tái)為例進(jìn)行探討，并進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示為潿洲114-A平臺(tái)油田原控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，圖中虛線左半部分為A平臺(tái)原控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。原控制系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)（PCS）和緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）2部分，2套系統(tǒng)均以PLC為控制核心，ESD系統(tǒng)PLC為AB公司SLC500，PCS系統(tǒng)PLC為AB公司PLC5，其與上位機(jī)通過RS232C通信，與動(dòng)力透平機(jī)組通過DH+網(wǎng)絡(luò)通信，上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)通信。

圖1 油田原控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Oilfield old control system topology diagram

此次不停產(chǎn)升級(jí)改造的對(duì)象為A平臺(tái)。改造后的控制系統(tǒng)以AB公司ControlLogix5000 PLC為核心，升級(jí)后的A平臺(tái)中控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。其中虛線框內(nèi)為B平臺(tái)監(jiān)控上位機(jī)。

圖2 升級(jí)后的A平臺(tái)中控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Control system architecture after the upgrade of the A platform

改造后中控系統(tǒng)由PCS系統(tǒng)、ESD[8]系統(tǒng)和上位監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成。PCS系統(tǒng)采用處理器、電源、通訊接口模塊的冗余控制；ESD系統(tǒng)采用處理器、電源、通訊接口模塊的冗余控制；I/O模塊采用雙路熱備控制；上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PCS和ESD系統(tǒng)通過交換機(jī)鏈入工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，同時(shí)B平臺(tái)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)也接入交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)A平臺(tái)與B平臺(tái)之間信息傳送。PLC全部采用AB ControlLogix PLC，CPU 型號(hào)為 5562。

2 臨時(shí)控制系統(tǒng)搭建

為做到不停產(chǎn)升級(jí)改造，保證升級(jí)期間的安全正常生產(chǎn)，必須搭建一套融合ESD&PCS控制功能的系統(tǒng)來進(jìn)行生產(chǎn)及緊急關(guān)?？刂?。臨時(shí)系統(tǒng)的輸入輸出做到最精簡(jiǎn)，對(duì)于不常用或不重要的參數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)人工監(jiān)控。

潿洲114-A平臺(tái)油田主要的工藝流程為A平臺(tái)油氣水混合液進(jìn)入三相分離器PV-102，B平臺(tái)油氣水混合液進(jìn)入三相分離器PV-103，分離后的原油進(jìn)入原油穩(wěn)定罐，經(jīng)外輸增壓泵輸送到陸地，分離后的液態(tài)水進(jìn)入污水分離器PV-201再次沉降，沉降過程之后的液態(tài)水進(jìn)入水力旋流器PV-208，廢液排海，PV-201及PV-208分離出的原油進(jìn)入PV-106閉排系統(tǒng)。

油氣水處理工藝中[9]，水液位、罐內(nèi)壓力、泵入口出口壓力等都屬于重要參數(shù)，因此集中采集了以下參數(shù)進(jìn)行集中顯示或控制，構(gòu)成臨時(shí)系統(tǒng)的PCS系統(tǒng)。

（1）模擬量輸入：P-V-102 油液位 LI-1132、水液位 LI-1131、 壓力 PI-1104；P-V-103油液位 LI-1158、水液位LI-1169、壓力PI-1166；原油穩(wěn)定液位LI-E1027、壓力PI-E1033；外輸發(fā)球器出口壓力PI-E1083、 溫度 TI-E1082；P-V-201罐壓力 PI-2012、液位LI-2005；閉排灌液位LI-106；火炬滌氣罐液位LI-1334；新水利旋流器出口壓力PI-202A、舊水利旋流器出口壓力PI-202B。

（2）模擬量輸出：P-V-102水出口液位調(diào)節(jié)閥LCV-1114，P-V-103水出口液位調(diào)節(jié)閥 LCV-1174，新水利旋流器出口壓力控制閥PCV-A2012、舊水利旋流器出口壓力控制閥PCV-M2010。

臨時(shí)系統(tǒng)的緊急關(guān)停系統(tǒng)輸入輸出邏輯如表1所示。

表1 臨時(shí)系統(tǒng)的緊急關(guān)停系統(tǒng)輸入輸出邏輯Tab.1 Emergency shut down system input and output logic of temporary system

臨時(shí)系統(tǒng)控制系統(tǒng)PLC為AB ControlLogix PLC5000[10]，采用9槽背板，1個(gè) CPU卡件、1塊 16點(diǎn)模擬量輸入卡件、1塊16點(diǎn)模擬量輸出卡件、1塊16點(diǎn)開關(guān)量輸入卡件、1塊16點(diǎn)開關(guān)量輸出卡件、1塊以太網(wǎng)卡。上位機(jī)采用舊系統(tǒng)的FIX32，借用舊系統(tǒng)上位機(jī)操作畫面，方便操作人員熟悉操作。

3 新舊系統(tǒng)切換過程

3.1 設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試

新中控系統(tǒng)經(jīng)過出廠測(cè)試后，發(fā)運(yùn)至油田。設(shè)備順利搬運(yùn)到位后，打開柜體檢查內(nèi)部各種卡件的緊固狀態(tài)，接入電源觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，下載程序，觀察程序運(yùn)行狀態(tài)。開啟新上位機(jī)，檢查上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及各個(gè)參數(shù)連接。

3.2 臨時(shí)系統(tǒng)搭建及測(cè)試

臨時(shí)系統(tǒng)到達(dá)油田后，也需要經(jīng)歷簡(jiǎn)單的試運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行功能測(cè)試。為加快工程進(jìn)度，減少不必要的工作量，同樣也減少梳理舊系統(tǒng)的線纜時(shí)可能導(dǎo)致的關(guān)停事件，將臨時(shí)系統(tǒng)中需要采集的信號(hào)直接從中間接線箱轉(zhuǎn)接進(jìn)臨時(shí)系統(tǒng)。根據(jù)潿洲114-A平臺(tái)中間接線箱的分布規(guī)律，將臨時(shí)系統(tǒng)的PLC放置在油田電潛泵控制房，上位機(jī)放置在中控室內(nèi)，中間網(wǎng)線連接。臨時(shí)系統(tǒng)的電纜在工程準(zhǔn)備階段已經(jīng)布置到位，減少正式施工時(shí)間。

3.3 臨時(shí)系統(tǒng)的替代

完成臨時(shí)系統(tǒng)所有的功能測(cè)試，并讓操作人員熟悉所有功能后，召開施工前協(xié)調(diào)會(huì)，明確施工過程并分析相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，讓每一個(gè)人都熟知在應(yīng)急情況下自己的應(yīng)急職責(zé)。項(xiàng)目組組長(zhǎng)在工程開展前組織專門針對(duì)中控升級(jí)改造期間的應(yīng)急演練，熟悉各種應(yīng)急處理。

中控系統(tǒng)升級(jí)改造主要階段，臨時(shí)系統(tǒng)替代舊系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)、緊急關(guān)?？刂啤ＥR時(shí)系統(tǒng)替代過程分為2步，第1步是模擬量接入；第2步為開關(guān)量接入。其中第1步中不會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)，工況穩(wěn)定時(shí)，允許信號(hào)有間斷，模擬量輸入只需逐個(gè)信號(hào)接入即可，涉及到PID控制的先改變控制方式為手動(dòng)控制或就地氣動(dòng)控制，再接入模擬量輸出。在第2步開關(guān)量接入中，部分信號(hào)涉及到電氣、動(dòng)力設(shè)備的關(guān)停，因此制定了電氣動(dòng)力設(shè)備旁通表，如表2和表3所示。

在實(shí)際進(jìn)行臨時(shí)系統(tǒng)替代第二步中，為縮短現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備關(guān)停信號(hào)被旁通時(shí)間、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，接入順序按照臨時(shí)系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出邏輯表格進(jìn)行，先將所有輸入信號(hào)旁通，此時(shí)輸出信號(hào)全部正常。然后從上至下，接入一個(gè)輸入信號(hào)，接入相應(yīng)的輸出信號(hào)，確認(rèn)輸入無報(bào)警后，將輸入信號(hào)恢復(fù)正常。開關(guān)量輸出少部分為電氣、動(dòng)力設(shè)備關(guān)停干觸點(diǎn)，在動(dòng)力、電氣部門的配合下旁通后，拆除舊系統(tǒng)線纜，接入臨時(shí)系統(tǒng)，信號(hào)正常，通知電氣、動(dòng)力恢復(fù)正常即可。開關(guān)量大部分輸出為現(xiàn)場(chǎng)關(guān)斷閥，將現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)斷閥泄氣口接上氣源管線，確保在關(guān)斷閥電磁閥掉電時(shí)，關(guān)斷閥不會(huì)關(guān)斷，逐個(gè)接入臨時(shí)系統(tǒng)的輸出。接入后，應(yīng)該將泄氣口的氣源管線拆掉，以保證臨時(shí)系統(tǒng)能對(duì)其控制。

表2 電氣設(shè)備旁通表格Tab.2 Bypass form of electrical equipment

表3 動(dòng)力設(shè)備旁通表格Tab.3 Bypass form of power equipment

其中井口控制盤去電潛泵總關(guān)斷電磁閥SDY-1711（也是地面安全閥總開關(guān)）需要通過電池中轉(zhuǎn)，井下安全閥總開關(guān)SDV-1710強(qiáng)制拔出鎖定開的狀態(tài)，單井的關(guān)停信號(hào)在升級(jí)期間一直需要在井口控制盤上進(jìn)行旁通。

儀表風(fēng)就地控制盤有一個(gè)ESD信號(hào)需要短接旁通，使升級(jí)改造期間儀表風(fēng)系統(tǒng)一直保持正常運(yùn)行。

臨時(shí)系統(tǒng)替代完成后，觀察運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)無問題后進(jìn)行下一步。

3.4 原舊系統(tǒng)拆除

原系統(tǒng)拆除包含2部分，一部分是舊ESD/PCS柜體以及柜內(nèi)線纜的拆除，另一部分是中控操作臺(tái)的拆除。

舊系統(tǒng)拆除前，電氣、動(dòng)力、儀表再次確認(rèn)所有升級(jí)期間一直保持旁通狀態(tài)的信號(hào)全部旁通隔離或短接。然后逐步關(guān)閉ESD/PCS系統(tǒng)PLC，最后關(guān)閉上位機(jī)。

開始拆卸ESD/PCS柜內(nèi)的線纜，拆線纜前先測(cè)量所有的端子是否都已沒有電壓。拆線時(shí)做好標(biāo)記，其中舊的線碼應(yīng)保持完好。拆完所有的電纜后，拆下柜子的固定螺栓，整體移除控制柜。

3.5 新系統(tǒng)安裝調(diào)試

新系統(tǒng)安裝包含2個(gè)方面，第1是新控制系統(tǒng)柜體的安裝接線，第2是新中控操作臺(tái)的拼裝，各種上位機(jī)的就位。

在舊控制柜拆除并梳理完所有的信號(hào)線之后，將新的控制柜安裝就位，并固定好，按照廠家設(shè)計(jì)的端子圖逐一將信號(hào)線接入。

同時(shí)安裝新的中控操作臺(tái)，將上位機(jī)就位。信號(hào)線接入完成后，開啟上位機(jī)，觀察數(shù)據(jù)連接狀態(tài)。

新系統(tǒng)在正式投用前，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行功能測(cè)試，也就是關(guān)停測(cè)試。為了做到不停產(chǎn)，測(cè)試時(shí)采集中間接線箱的輸出、現(xiàn)場(chǎng)極限開關(guān)類信號(hào)輸入進(jìn)行測(cè)試。

3.6 新系統(tǒng)運(yùn)行

中控部門測(cè)試各種參數(shù)的設(shè)置、人機(jī)交互等界面，確認(rèn)各項(xiàng)控制功能都正常。連續(xù)運(yùn)行48 h無問題，標(biāo)志升級(jí)改造成功。

4 結(jié)語

本文以潿洲114-A平臺(tái)DCS中控系統(tǒng)不停產(chǎn)成功切換為前提，將這種中控系統(tǒng)不停產(chǎn)切換的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推廣，已啟發(fā)同行業(yè)中類似的工程改造問題。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，根據(jù)權(quán)威專家的測(cè)算，一個(gè)小型油田中控系統(tǒng)改造需要至少20名施工人員24 h不停工作業(yè)，時(shí)間大約為6 d左右。本文不停產(chǎn)改造的方法可成功地避免大約15000 m3的產(chǎn)量損失。按目前油價(jià)107.46美元一桶折算，不停產(chǎn)改造可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1013萬美元。同時(shí)不停產(chǎn)升級(jí)改造可保證充足的施工時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員可有條不紊地執(zhí)行相關(guān)操作，保證了施工的質(zhì)量，這是無法用經(jīng)濟(jì)效益估算的。

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