朱靜波，張海龍，郭曉波（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

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FPSO中央控制系統(tǒng)構架淺析

朱靜波，張海龍，郭曉波
（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

摘 要：在現代海工項目中，中央集成控制系統(tǒng)（簡稱中控系統(tǒng)）的系統(tǒng)集成度越來越高，在整個項目中承擔著越來越重要的角色，故對于系統(tǒng)的完整性和安全性等的設計要求也就越來越高。文章以某大型FPSO中央控制系統(tǒng)設計為例，從系統(tǒng)的冗余性、高集成化和獨特性等方面來分析整個系統(tǒng)。

關鍵詞：FPSO；中央控制系統(tǒng)；冗余；自動化控制

0 引言

就FPSO中央控制系統(tǒng)設計而言，該系統(tǒng)的主要功能是保證人身安全、保證生產的持續(xù)性、保護原油系統(tǒng)和整體浮式油輪及其設施。該系統(tǒng)不僅要滿足有關船級社規(guī)范［1］和相關規(guī)范規(guī)則［2，3］的要求，還需要考慮整個系統(tǒng)的完整性、冗余性、安全性、自動化控制程度以及與其他系統(tǒng)的接口。

1 項目概述

FPSO（Floating Production Storage Offloading）是浮式生產儲油裝置，是全海式油田開發(fā)工程中的核心單元。FPSO是對開采的石油進行油氣分離、處理含油污水、動力發(fā)電、供熱、原油產品的儲存和運輸，集人員居住與生產指揮系統(tǒng)于一體的綜合性大型海上石油生產基地。與其他形式的石油生產平臺相比，FPSO具有抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力大以及可轉移和重復使用等優(yōu)點，廣泛適合于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產方式。FPSO作為一種海上生產設施，通常為船型，集海上油氣處理、儲存、外輸、生活和動力于一體，長期系泊于固定海域，所以為非自航船。

2 中央控制系統(tǒng)構架

2.1系統(tǒng)的組成

FPSO集成了多個相對獨立的系統(tǒng)，如全船過程控制系統(tǒng)（HCS）、應急切斷系統(tǒng)（ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS）等。

HCS包含全船過程控制系統(tǒng)功能，主要有：設備實時監(jiān)控、狀態(tài)指示和報警；模擬量的控制；開關量的控制；歷史數據的存儲。該系統(tǒng)還監(jiān)測所有帶電儀表的信號。

HSD執(zhí)行使全船設備處于安全狀態(tài)下所有必要動作，預防全船出現危險。主要作用有：設備的切斷，準備棄船、應急狀態(tài)下的順序處理等。HSD系統(tǒng)根據全船過程狀況以及在指定限制外發(fā)生的情況去執(zhí)行動作發(fā)起切斷，來保護設備被損壞而長時間出現的生產干擾，以及避免危險情況的進一步發(fā)展。HSD系統(tǒng)能夠減小受環(huán)境影響的生產過程時間及個人的損失。HSD的連鎖動作必須與HCS系統(tǒng)隔離并獨立。

HFGS主要功能有：火警探測和消防動作；氣體探測；與通用報警和廣播有接口發(fā)出警報；與通風專業(yè)有接口實現風油切斷。應急切斷功能的實現和執(zhí)行是通過火氣系統(tǒng)的確認，由中央控制系統(tǒng)中的HFGS來執(zhí)行，并且不允許獨立的可尋址火警系統(tǒng)去執(zhí)行這個功能。

HFGS系統(tǒng)與可尋址火警系統(tǒng)的關系：通過可尋址火災盤、溫度、感煙探頭和可尋址手動報警按鈕等形成一個探測和宣布著火的數字量系統(tǒng)，所有的內部連接都是通過雙冗余的閉環(huán)通訊形式連接到HFGS監(jiān)測系統(tǒng)。

FPSO整個中央控制系統(tǒng)框架見圖1，該中控系統(tǒng)分為四個層級：

第一級：HMI人機界面。FPSO共有五套A～G人機界面工作站，通過冗余的網絡電纜與服務器連接，HMI人機界面窗口顯示以下功能：通過圖像顯示所有工藝和過程，包括撬塊單元；顯示和記錄各種設備的狀態(tài)信息；通過顯示屏中的命令按鈕來起停和開關設備；有歷史數據的趨勢圖、有關每一層切斷的因果關系的因果邏輯圖、安全邏輯圖、顯示火氣探測的結果、哪些區(qū)域是否著火；報警和事件的管理等。接收并顯示子系統(tǒng)處理模塊傳遞的信息，并輸出控制信號，控制就地的相關設備，該設備放在中控室（CCR）。

圖1　FPSO中央控制系統(tǒng)框架

第二級：子系統(tǒng)的服務器柜和處理模塊，是整個系統(tǒng)的心臟。FPSO有一個數據服務器，雙冗余備份。整個系統(tǒng)的數據服務器連接到過程控制系統(tǒng)、應急切斷系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)的數據服務器；歷史數據服務器連接到撬塊單元服務器；所有數據3 s需要更新一次，并且能至少保持存儲20天，每個數據服務器帶有一個移動數據記錄單元，可以至少存儲48h，就是所謂的黑匣子功能。

FPSO還有一個處理柜，包含過程控制、應急切斷、火氣等三個系統(tǒng)，通過雙冗余的網絡電纜連接服務器和就地信號采集柜，將就地儀表柜采集的信號經過系統(tǒng)處理模塊處理后，傳遞到人機操作界面。同時將收到的操作者的操作命令，通過現場信號采集柜發(fā)送到現場。這些子系統(tǒng)的處理模塊做成標準的控制箱柜，集中放置在儀表間（LIR）。

第三級：現場信號采集柜（I/O panel，即 I/O柜）共有7個，每個采集柜內分成3屏～4屏，含有HCS、ESD和FGS三個獨立又有關聯的采集模塊。采集柜用于收集現場儀表信號，并通過相應I/O模塊，將采集到的信號存放在相應地址里，便于處理模塊的選擇與讀取，并將處理模塊發(fā)送的控制信號發(fā)送給就地設備。7個I/O柜之間是通過雙冗余的光纖形成環(huán)路進行數據采集和傳輸。這些現場信號采集柜放置在全船各個位置，通常會根據就地儀表或設備集中區(qū)域進行布置。

第四級：就地儀表及設備，包括各種傳感器、執(zhí)行機構和驅動裝置。現場儀表的自帶處理模塊，將采集到的溫度、壓力、行程等信號轉化為電信號，發(fā)送到現場信號采集柜中的HCS采集模塊，火氣探頭信號傳送到FGS采集模塊。

2.2系統(tǒng)電源和接口

2.2.1系統(tǒng)電源

整個中控系統(tǒng)以及相關的設備需要由兩路隔離且獨立的不間斷電源箱供電，對于就地儀表需要24 V直流電源，由中控系統(tǒng)的輸入輸出模塊來實現。

2.2.2系統(tǒng)接口

1）系統(tǒng)與撬塊單元的接口

為了與中控系統(tǒng)標準化的集成接口，以及更有利于信息交換，根據中控系統(tǒng)和自動化集成的程度，撬塊單元可以定義成三大類：

（1）P0設備：該撬塊沒有就地控制箱，由中控控制并且保護，該撬塊的就地儀表信號通過電纜接到撬塊上的接線盒，這些接線盒再接到信號采集柜（I/O柜）中相對應的HCS、ESD、FGS采集模塊，由中控直接進行操作控制和切斷。

（2）P1設備：該撬塊有自己的就地控制箱，相關信號接進中控系統(tǒng)。該撬塊的信號直接通過電纜或接線箱接到就地盤（LCP），而就地盤再通過硬線接入中控系統(tǒng)，中控系統(tǒng)僅僅監(jiān)控就地盤。

主要接入的四組信號為：應急關斷狀態(tài)信號（UAS，Unit Shutdown Signal，DI）、通用報警信號（UAM，Unit Malfunctioning Alarm，DI）、運行/停止狀態(tài)（YSHL，Running/Stop signal）、應急關斷信號（XSL，Unit Shutdown Signal，DO），可以根據實際使用情況增加相關信號接口，如遙控啟停等。

（3）P2設備：該設備有自己的就地控制箱并且在中控系統(tǒng)可以遠程監(jiān)控。該撬塊的信號直接通過電纜或者接線箱接到就地盤（LCP），該就地盤帶有人機界面和處理模塊，可以自己控制、監(jiān)測、作連鎖等，同樣具有P1設備的功能以外，還增加了一個串行信號（網線或者光纖通訊），通過冗余的網絡接進中控的網關，由中控系統(tǒng)進行記錄、遠程控制、連鎖和監(jiān)測等。

2）系統(tǒng)與以下獨立系統(tǒng)的接口

（1）電力功率管理系統(tǒng)；

（2）裝載計算機和液位遙測系統(tǒng)；

（3）位置參考系統(tǒng)；

（4）油水分析儀；

（5）卸油監(jiān)測和測量系統(tǒng)（OMTS）；

（6）原油計量系統(tǒng)；

（7）惰氣發(fā)生器系統(tǒng)；

（8）貨泵和壓載泵控制系統(tǒng)。

中控系統(tǒng)通過與以上各系統(tǒng)的連接實現了高集成化，見圖2。

圖2　FPSO的接口邏輯圖

2.3系統(tǒng)的特點

通過FPSO中央控制系統(tǒng)的組成，對該系統(tǒng)組合的描述，能看出整個系統(tǒng)高冗余性，所有通訊網絡在管理、控制和聯鎖這一層需要冗余，數據服務器具有內部熱備的功能，每個系統(tǒng)也需要冗余。

使用這種系統(tǒng)的集成，便于全船散點信號的收集，也可以共用網絡系統(tǒng)，共用HMI人機界面，便于操作人員的安全快捷操作。

7個現場采集柜的冗余環(huán)路連接也是FPSO項目中控系統(tǒng)的一大特點，見圖3。由圖3可知，通過中控處理柜中的三大系統(tǒng)HCS、ESD和FGS，分別通過雙冗余光纖接到現場采集柜的A柜中的相對應的HCS、ESD和FGS系統(tǒng)，然后A柜再通過雙冗余的光纖接到下一個采集柜D柜，一直串聯到最后一個采集柜G柜，最終接到中控的處理柜，形成一個冗余的環(huán)路。這樣使整個采集系統(tǒng)安全可靠，可以互相傳輸信號，節(jié)省電纜。

圖3　FPSO現場采集柜結構圖

3 結論

在進行大型FPSO中央控制系統(tǒng)設計時，需要綜合考慮全船設備、撬塊和系統(tǒng)的分類，進行集成化和自動化的程度，整個系統(tǒng)冗余的程度，三大系統(tǒng)HCS、ESD和FGS是否獨立還是組合進中控系統(tǒng)，都需要明確，以便更好地設計該系統(tǒng)。本文以理論與實際項目相結合，但本文僅在整個系統(tǒng)的構架上做了闡述，更多細節(jié)的仍需在今后的設計和實踐中進一步總結和歸納，并希望能為類似的海工項目提供一些參考和借鑒。

參考文獻：

［1］ ABS. ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］. 2010.

［2］ IEC 60092-201 Electrical Installations in Ships - Part 201： System Design - General［S］. 1994.

［3］ IEEE std 242 IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems［S］. 2001.

［4］ 黃健章. 船舶設計實用手冊［M］. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2013.

中圖分類號：U665.13

文獻標志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.005

作者簡介：朱靜波（1986—），女，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程電氣專業(yè)設計。

Simple Analysis of FPSO Central Control System Architecture

Zhu Jing-bo， Zhang Hai-long， Guo Xiao-bo
（COSCO Shanghai Shipyard Co.， Ltd.， Shanghai 200231， China）

Abstract：In modern offshore projects， the central control system （CCS） becomes more and more important with high integration and plays a more and more significant role in whole project. So the design demands for the integration and safety of the system are also higher and higher. The article， based on the design of the FPSO central control system， analyzes the whole system from the aspects of redundancy，completion and safety.

Key words：FPSO； central control system； redundancy； automation control