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國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)在海洋石油工程中的應(yīng)用趨勢(shì)

0引言

隨著海工裝備作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)被納入國(guó)家“十二五”規(guī)劃,以及海洋油氣成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要部分,可以預(yù)見我國(guó)海洋石油工程產(chǎn)業(yè)在未來十年將迎來蓬勃發(fā)展期。中控系統(tǒng)作為海上油氣田開發(fā)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是海上油氣田各種開發(fā)設(shè)施的大腦和安全衛(wèi)士。中控系統(tǒng)不僅檢測(cè)和控制海上油氣田各項(xiàng)生產(chǎn)、公用設(shè)備的正常運(yùn)行，還對(duì)各種意外事故進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況，系統(tǒng)將在第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警并經(jīng)過系統(tǒng)邏輯自動(dòng)進(jìn)行控制處理，以便將不安全的因素控制在最小的范圍內(nèi)，從而保障海上油氣田的生產(chǎn)安全，確保人員、設(shè)施的安全。只有中控系統(tǒng)發(fā)揮良好，才能保障海上油氣田得以順利地開發(fā)。

1中控系統(tǒng)的構(gòu)成

海洋石油工程的中控系統(tǒng)包括集散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)和安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system,SIS)兩大部分，其中SIS又包括緊急關(guān)斷系統(tǒng)(emergency shutdown system,ESD)和火氣系統(tǒng)(fire alarm and gas detctor system,FGS)。DCS和SIS兩大系統(tǒng)是獨(dú)立的，互不依賴，但共享操作員站、打印機(jī)和通信設(shè)備。中控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　中控系統(tǒng)示意圖

1.1集散控制系統(tǒng)(DCS)

集散控制系統(tǒng)又叫分布式控制系統(tǒng)，是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程集中監(jiān)視、操作、管理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[1]。DCS主要由工程師站、操作員站、打印機(jī)、DCS主控制器、從控制器以及現(xiàn)場(chǎng)表組成,如圖2所示。操作員站主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的功能。DCS控制站是集散控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要控制功能由它來實(shí)現(xiàn)。

圖2　DCS結(jié)構(gòu)圖

1.2安全儀表系統(tǒng)(SIS)

海洋石油工程中的SIS由FGS和ESD兩部分組成[2]。SIS一般處于靜態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)，只有在確定存在危險(xiǎn)狀況的條件下，才會(huì)采取ESD緊急關(guān)斷，使人員和設(shè)備處于安全狀態(tài)。

1.2.1火氣系統(tǒng)(FGS)

FGS能夠準(zhǔn)確及時(shí)地探測(cè)到可能發(fā)生或己經(jīng)發(fā)生的火情或者可燃?xì)饧坝卸練怏w的泄漏,以及時(shí)采取必要的安全措施(如報(bào)警、應(yīng)急關(guān)斷、消防等)來保護(hù)人員及生產(chǎn)設(shè)備的安全?；饸庀到y(tǒng)接受現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)儀表的信號(hào)并判斷,一旦確認(rèn)發(fā)生危險(xiǎn)或者逾時(shí)未確認(rèn),會(huì)立即發(fā)出火氣報(bào)警信號(hào),同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的ESD關(guān)斷[3]。

1.2.2應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)

海洋石油工程中，相對(duì)集中的平臺(tái)工作人員和生產(chǎn)設(shè)備處于易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境中,因此對(duì)系統(tǒng)安全控制要求特別高。為了保護(hù)平臺(tái)人員和設(shè)施的安全,防止海洋污染,必須減少事故并將可能的事故損失降到最低。海上油氣田通常都設(shè)置專門的ESD。一旦發(fā)生危險(xiǎn)事故,ESD將自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急關(guān)斷邏輯,避免事故的擴(kuò)大化或?yàn)?zāi)難性事故的發(fā)生,以保障海上油氣田人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全，減少損失。

2海洋石油工程中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1975年美國(guó)Honeywell公司推出TDC-2000控制系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，控制技術(shù)日趨成熟，并且形成了標(biāo)準(zhǔn)體系。中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)需要遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織確認(rèn)并公布的其他國(guó)際組織制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]。其中，海洋石油工程中對(duì)中控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求可以歸納為以下三個(gè)層次。

第一層次，有關(guān)海洋石油工程中控系統(tǒng)安全重要儀表和控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行各階段如何滿足中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全要求的標(biāo)準(zhǔn)，其作為中控系統(tǒng)的頂層標(biāo)準(zhǔn)，具體有以下主要標(biāo)準(zhǔn)。

(1) IEC 61508。該標(biāo)準(zhǔn)基于安全相關(guān)系統(tǒng)的可靠性，是安全相關(guān)系統(tǒng)功能安全的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。其不僅要求設(shè)備的完整性，同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)、操作、測(cè)試和維護(hù)都有要求。

(2) ISA S84.01 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries，流程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)也是有關(guān)安全儀表系統(tǒng)的規(guī)范，沿用了IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，并保留了DIN V 19250標(biāo)準(zhǔn)，另外與IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)在組織和技術(shù)方面都存在差異。我國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 10045-2003《工業(yè)生產(chǎn)過程中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用》等同采用了ISA S84.01-1996。

(3) IEC 61511 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process industry Sector,功能安全——流程工業(yè)的安全儀表系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)在流程工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，給出了安全儀表系統(tǒng)的規(guī)范、設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行和維護(hù)要求。

(4) IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的有關(guān)局域網(wǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802規(guī)范定義了網(wǎng)卡如何訪問傳輸介質(zhì)(如光纜、雙絞線、無線等)以及如何在傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的方法，定義了傳輸信息的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間連接建立、維護(hù)和拆除的途徑。遵循IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品包括網(wǎng)卡、橋接器、路由器以及其他一些用來建立局域網(wǎng)絡(luò)的組件。

第二層次，有關(guān)海洋石油工程中控系統(tǒng)在安全重要儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的標(biāo)準(zhǔn)，是頂層標(biāo)準(zhǔn)中安全要求的細(xì)化，具體有以下主要標(biāo)準(zhǔn)。

(1) API RP 14C Analysis，Design，Installation and Testing of Basic Surface Safety Systems for Offshore Production Platforms，海上平臺(tái)上部設(shè)施安全系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、安裝和測(cè)試。該標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于平臺(tái)上部設(shè)施安全系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、安裝和測(cè)試的一個(gè)推薦性規(guī)范。該規(guī)范提出的安全分析概念和推薦做法是現(xiàn)在海上平臺(tái)上部設(shè)施安全系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T-2000等同采用了API RP 14C-1994。

(2)ISA-S5.1，儀表符號(hào)和標(biāo)志。該標(biāo)準(zhǔn)的目的是為檢測(cè)和控制所用的儀表和儀表系統(tǒng)建立一個(gè)統(tǒng)一的命名方法。為此，提出一個(gè)包括符號(hào)和標(biāo)志代號(hào)的命名系統(tǒng)。

(3)IEC 61131.3，編程語言。該標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 61131第三部分，是關(guān)于編程語言的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)ISO 7398 Open System Interconnection a Model，開放系統(tǒng)互聯(lián)模型。該標(biāo)準(zhǔn)是有關(guān)異構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，它將互聯(lián)模式定義為七個(gè)規(guī)程層次。各國(guó)際組織IEC、EIA、IEEE和CCITT等在七層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上皆相應(yīng)制定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

第三層次：有關(guān)設(shè)備鑒定、安裝和維修規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)，例如以下部分標(biāo)準(zhǔn)。

(1) NFPA 72 Installation, Maintenance, and Use of Protective Signaling System，保護(hù)信號(hào)系統(tǒng)的安裝、維護(hù)和使用。該標(biāo)準(zhǔn)是有關(guān)安全信號(hào)系統(tǒng)及報(bào)警方面的規(guī)范。

(2)API RP 554。該標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了被選擇設(shè)備的性能要求和注意事項(xiàng)，規(guī)范和安裝，以及過程儀表和控制系統(tǒng)的測(cè)試；此外，該標(biāo)準(zhǔn)也覆蓋石油行業(yè)的控制中心。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不作為一種購買的規(guī)則，但為最低要求提出了建議，也為最低的設(shè)計(jì)和規(guī)范提供了一個(gè)指導(dǎo)。

3國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)比較有代表性的中控系統(tǒng)廠家有：和利時(shí)、上海新華、浙江中控、國(guó)電智深等。通過調(diào)研；數(shù)據(jù)分析，目前新一代國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)與進(jìn)口產(chǎn)品比較，綜合性能相差無幾。各類全封閉設(shè)計(jì)模件具有免維護(hù)性能，總的I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)用也達(dá)到國(guó)外水平，軟件可以在WINDOWS環(huán)境下運(yùn)行，組態(tài)軟件全中文環(huán)境，易于理解和掌握，修改方便，中控界面友好，應(yīng)用功能基本包括了海洋石油工程的全部需求。下面以和利時(shí)和浙江中控為代表介紹國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)，根據(jù)中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和海洋石油工程對(duì)中控系統(tǒng)的特殊要求，分析國(guó)產(chǎn)中控應(yīng)用到海洋石油工程中的可行性[5-10]。

3.1和利時(shí)中控系統(tǒng)

3.1.1技術(shù)革新與應(yīng)用

和利時(shí)新一代的中控系統(tǒng)采用了目前世界上先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，支持多種主流總線，智能化儀表可以方便地和系統(tǒng)相連，可在智能現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)之間進(jìn)行無縫信息流傳送，能方便地實(shí)現(xiàn)工廠智能化、管控一體化。公司核心中控系統(tǒng)產(chǎn)品已成功應(yīng)用在百萬千瓦超超臨界大型火電站、千萬噸煉油裝置、百萬千瓦核電站等重大工程中，PLC與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品相繼獲得CE、UL認(rèn)證。

3.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

和利時(shí)中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)制定的標(biāo)準(zhǔn)，以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織確認(rèn)并公布的其他國(guó)際組織制定的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際組織規(guī)定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于海洋石油工程的特殊要求，和利時(shí)的技術(shù)部門也制定了相應(yīng)的解決方案，目前已基本滿足海洋石油工程對(duì)中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)。無論是在技術(shù)方面，還是標(biāo)準(zhǔn)方面，和利時(shí)中控系統(tǒng)都滿足海洋石油工程的要求，應(yīng)用到海洋石油工程是可行的。

3.2浙江中控系統(tǒng)

3.2.1自主創(chuàng)新與應(yīng)用

浙江中控新一代產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工、煉油、石化、冶金、電力等流程工業(yè)，以及智能交通、水處理及教育領(lǐng)域等公共事業(yè)部門；公司在6 300多家企業(yè)實(shí)施了9 400多個(gè)項(xiàng)目，在千萬噸級(jí)煉油等國(guó)家重大工程領(lǐng)域打破了國(guó)外壟斷。所以浙江中控有經(jīng)驗(yàn)、有能力承擔(dān)重大工程。

3.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

浙江中控根據(jù)中控系統(tǒng)所要求的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，制定了一套自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有針對(duì)性，完全符合中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；此外，還領(lǐng)銜制定了(ethernet for plant automation,EPA)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。浙江中控通過完善企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足對(duì)于海洋石油工程中的特殊要求。中控產(chǎn)品可以達(dá)到海洋石油工程的標(biāo)準(zhǔn)要求，有實(shí)力承擔(dān)海洋石油工程項(xiàng)目。

3.3國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

隨著國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，性能參數(shù)也在不斷地提升。目前和利時(shí)和浙江中控的系統(tǒng)規(guī)模以及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

4國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在可靠性方面，國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)經(jīng)過這些年的穩(wěn)健發(fā)展，不斷吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，在性能、功能和質(zhì)量等方面全已與國(guó)際水平接軌。近幾年國(guó)產(chǎn)中控以和利時(shí)與浙江中控產(chǎn)品為代表，成功投入重大項(xiàng)目運(yùn)行后，系統(tǒng)的硬、軟件運(yùn)行狀況良好，消除了國(guó)內(nèi)很多企業(yè)的擔(dān)憂；而且根據(jù)資料顯示，各種事故并不多于進(jìn)口中控系統(tǒng)。由此，國(guó)產(chǎn)中控產(chǎn)品已取得質(zhì)的飛躍，具備與主流進(jìn)口中控系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

在響應(yīng)方面，由于國(guó)外公司對(duì)于核心技術(shù)管理嚴(yán)格，中控系統(tǒng)核心部件出現(xiàn)問題時(shí)，往往需要到總部去調(diào)換，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，響應(yīng)緩慢。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在這方面明顯優(yōu)于國(guó)外。

在開放性方面，國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)一體化。例如國(guó)電莊河電廠EDPF-NT成功實(shí)現(xiàn)主輔控在內(nèi)的一體化中控系統(tǒng)，減少不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信及交換，幾乎不存在與外系統(tǒng)兼容性問題，具有生產(chǎn)維護(hù)統(tǒng)一、方便等優(yōu)點(diǎn)。

在價(jià)格方面，國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)服務(wù)費(fèi)用大大低于進(jìn)口中控系統(tǒng)，總體維護(hù)費(fèi)用也低于國(guó)外中控系統(tǒng)；而且國(guó)產(chǎn)中控品牌提升有利于打破進(jìn)口中控系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)的壟斷局面，降低了投資成本。

5結(jié)束語

國(guó)內(nèi)中控系統(tǒng)經(jīng)過這些年的飛速發(fā)展，根據(jù)ARC最新發(fā)布的《分布式控制系統(tǒng)全球市場(chǎng)調(diào)研》顯示[11]，它們已經(jīng)從中小型終端市場(chǎng)進(jìn)入高端市場(chǎng)。雖然到目前為止，國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)尚未應(yīng)用到海洋石油工程，但其產(chǎn)品性能完全滿足海洋石油工程對(duì)中控系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，而且國(guó)內(nèi)廠家的服務(wù)態(tài)度和到位及時(shí)性都明顯高于國(guó)外廠家。因此，憑借國(guó)產(chǎn)中控的優(yōu)勢(shì)和國(guó)家大力倡導(dǎo)的核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)應(yīng)用到海洋石油工程中是必然趨勢(shì)。

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Application Trend of Domestic Central Control Systems in Offshore Oil Engineering

許建軍

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津300452)

摘要：海洋石油工程的中央控制系統(tǒng)具有高可靠、高穩(wěn)定性等技術(shù)要求，國(guó)外的中控系統(tǒng)始終作為主流產(chǎn)品壟斷我國(guó)海洋石油工程。為了改變這一現(xiàn)狀，提出了中控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化要求。根據(jù)海洋石油工程對(duì)中控系統(tǒng)的特殊要求，對(duì)國(guó)產(chǎn)和利時(shí)和浙江中控的中控系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研，從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)性能參數(shù)等方面分析了國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)能否滿足海洋石油工程的要求，并與國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果說明，國(guó)產(chǎn)中控系統(tǒng)在海洋石油工程中的應(yīng)用已具備可行性。

關(guān)鍵詞：海洋石油設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)產(chǎn)化性能分析DCS安全儀表系統(tǒng)(SIS)緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)火氣系統(tǒng)(FGS)

Abstract：The offshore oil engineering has technical requirements of the high reliability, stability, etc., the central control systems of offshore oil engineering in our country are always monopolized by foreign mainstream products. In order to change this situation, localization of the central control systems is put forward. According to the special requirements of the central control system of offshore oil engineering, the central control systems of HollySys and Zhejiang SUPCON are investigated. Whether home-made central control systems can meet the technical requirements of offshore oil engineering or not is analysed based on the aspects of international standards, systematic performance parameters and so on. Comparing the home-made systems and foreign products, it is concluded that the feasibility of applying domestic central control systems in offshore oil engineering has been possessed.

Keywords:Offshore oilDesign standardDomesticPerformance analysisDistributed control system(DCS)Safety instrument system(SIS)Emergency shutdown system(ESD)Fire alarm and gas detector system(FGS)

中圖分類號(hào)：TH7;TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604002

修改稿收到日期：2015-05-06。

作者許建軍(1971-)，男，1994年畢業(yè)于西安石油學(xué)院電子儀器與測(cè)量技術(shù)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事數(shù)字油田方向的研究。