張 輝 中國石化勝利油田分公司海洋采油廠

借助冗余技術(shù)提高埕島油田測控系統(tǒng)可靠性

張 輝 中國石化勝利油田分公司海洋采油廠

冗余系統(tǒng)是指為增加測控系統(tǒng)的可靠性，采用兩套或兩套以上相同、相對獨立的配置設(shè)計而連接組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過提供關(guān)鍵組件冗余的方法，組成具備容錯能力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件主動接入并自動承擔(dān)故障部件的工作，以此減少系統(tǒng)的故障時間。海上自動化測控系統(tǒng)使用的冗余系統(tǒng)包括電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、服務(wù)器操作站冗余、CPU冗余和I/O模塊冗余等。冗余方案采用雙UPS供電，正常情況下這2個電源均衡負載，同時為整個系統(tǒng)提供電力，當(dāng)1臺電源發(fā)生故障時，另1臺電源可承擔(dān)所有負載，實現(xiàn)了AC、DC雙冗余。測控系統(tǒng)中PCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)均采用雙CPU配置，通過遠程模板經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接，兩者信息共享、互相診斷，一旦主CPU發(fā)生故障，從CPU將自動接管，保證系統(tǒng)可靠性。

埕島油田；冗余技術(shù)；測控系統(tǒng)；配置

埕島油田分布在渤海灣南邊極淺海的部分海域。正式開發(fā)埕島油田是從1993年開始，至今已有了20多年的歷史，埕島油田自動化測控系統(tǒng)始建于1997年，2000年正式投產(chǎn)，經(jīng)過不斷擴充，現(xiàn)已建成了包括1座陸地監(jiān)控中心、3座中心平臺站和70余座衛(wèi)星平臺站的大型灘海油田SCADA系統(tǒng)。埕島油田測控系統(tǒng)分為過程控制系統(tǒng)（PCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS）。PCS系統(tǒng)對平臺油氣水集輸處理實現(xiàn)整個過程參數(shù)測量、高低限報警、液位壓力參數(shù)自動調(diào)節(jié)；SIS系統(tǒng)完成安全參數(shù)的監(jiān)控及極限報警的關(guān)斷。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[1]。因此，開展對埕島油田海上平臺監(jiān)控系統(tǒng)選型研究，對提高埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 測控系統(tǒng)分析

1.1 數(shù)據(jù)采集和控制準(zhǔn)確性

安全控制系統(tǒng)主要采集和控制安全生產(chǎn)的參數(shù)（如管線壓力、容器液面，容器壓力等），對參數(shù)進行監(jiān)測、判斷，通過與預(yù)設(shè)的極限值比對并按照相應(yīng)的連鎖邏輯關(guān)系進行ESD關(guān)斷控制輸出，因此，對數(shù)據(jù)采集和控制的實時性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性提出較高的要求，不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集以及錯誤的邏輯輸出都將導(dǎo)致嚴重的安全事故。

1.2PLC系統(tǒng)失效或故障

埕島海上平臺自動化測控系統(tǒng)選用通用邏輯控制系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)），該系統(tǒng)實現(xiàn)了平臺的油水井實時數(shù)據(jù)檢測、機泵的啟?？刂?、參數(shù)超限報警、液位壓力調(diào)節(jié)、緊急關(guān)斷、火災(zāi)和可燃氣體報警等功能，系統(tǒng)需處理的數(shù)據(jù)量多、功能復(fù)雜，當(dāng)PLC系統(tǒng)失效或者故障時將導(dǎo)致平臺失去監(jiān)控而存在嚴重的安全隱患。

1.3 上位機軟件故障

上位監(jiān)控軟件為操作人員提供友好的人機接口；實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化控制；為服務(wù)器與PLC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，搭建PLC硬件與軟件的橋梁。上位機軟件出現(xiàn)故障也將導(dǎo)致平臺失去監(jiān)控而存在嚴重的安全隱患。

1.4 設(shè)計冗余系統(tǒng)的必要性

冗余系統(tǒng)（Redundant System）是指為增加測控系統(tǒng)的可靠性，采用兩套或兩套以上相同、相對獨立的配置設(shè)計而連接組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過提供關(guān)鍵組件冗余的方法，組成具備容錯能力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件主動接入并自動承擔(dān)故障部件的工作，以此減少系統(tǒng)故障時間。冗余系統(tǒng)的使用會增加設(shè)計和施工的難度，增加用戶投資和后期運行維護的成本，但是可以提高整個系統(tǒng)的平均無故障時間，縮短了平均修復(fù)時間。因此，采取冗余系統(tǒng)是提高測控系統(tǒng)可靠性的有效方法之一[2]。

2 冗余系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 構(gòu)成及功能

海上自動化測控系統(tǒng)使用的冗余系統(tǒng)包括電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、服務(wù)器操作站冗余、CPU冗余和I/O模塊冗余等。

海上平臺測控系統(tǒng)的冗余方案采用雙UPS供電，正常情況下這2個電源均衡負載，同時為整個系統(tǒng)提供電力，當(dāng)1臺電源發(fā)生故障時，另1臺電源可承擔(dān)所有負載，實現(xiàn)了AC、DC雙冗余。

測控系統(tǒng)中PCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)均采用雙CPU配置，通過遠程模板經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接，兩者信息共享、互相診斷，一旦主CPU故障，從CPU將自動接管，保證系統(tǒng)可靠性。同時為了保證數(shù)據(jù)采集速度，中心平臺的PCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊的方式，分別接入2臺交換機上。

服務(wù)器和操作站都采用雙網(wǎng)卡設(shè)計，每個網(wǎng)卡連接到不同的交換機中。兩個交換機之間通過跨接專用線纜連接，在主通道出現(xiàn)故障的情況下，自動切換到其他通道實現(xiàn)通訊的不間斷。

SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制，采用了I/O模板的冗余設(shè)計，也就是說現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信號同時進入2塊相同輸入模板，控制輸出信號也由2塊模板同時控制輸出。

2.2 硬件選型和配置方案

（1）上位機監(jiān)控冗余系統(tǒng)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由工程師站、操作站、冗余服務(wù)器、冗余交換機等設(shè)備組成。服務(wù)器軟件選擇Honeywell Experion PKS完成數(shù)據(jù)的集中管理、報警、參數(shù)控制、狀態(tài)顯示及報表打印等功能；通訊軟件選擇Rockwell公司的RSLinx Gateway通訊軟件。

（2）下位機PLC冗余系統(tǒng)。采用美國Rockwell公司Allen-Bradley ControlLogix 1756系列產(chǎn)品組成冗余控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有2個完全相同的1756-A7機架。每個機架中包含1塊1756-L61控制器，負責(zé)完成信號的采集和邏輯的控制等功能；1塊1756-RM冗余模板，負責(zé)實現(xiàn)兩機架中1756-L61控制器之間的冗余控制和數(shù)據(jù)同步；1塊1756-EN2T通訊模板，負責(zé)控制器和上位機服務(wù)器之間的通訊，采用以太網(wǎng)通訊；1塊1756-CN2R通訊模板，負責(zé)實現(xiàn)通訊器和I/O模塊之間的通訊。2個機架間的冗余模板采用光纖連接。

（3）模擬量信號冗余輸入。模擬量輸入現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信號需要同時輸入2塊輸入模板，需將4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將2塊輸入模板并聯(lián)接入儀表檢測回路中。由于模擬量采用了雙通道數(shù)據(jù)采集方式，因此，在程序中需對采集到的兩組數(shù)據(jù)進行比對處理，以判定采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。首先對每個檢測到的數(shù)據(jù)要進行有效性的確認。這需要對檢測通道的故障、錯誤等工作狀態(tài)進行判斷，一旦確認某個通道的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，則將該通道檢測數(shù)據(jù)丟棄，并采用另一個狀態(tài)良好的通道檢測得到的數(shù)據(jù)作為該監(jiān)控點的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)。當(dāng)確認兩個通道的工作狀態(tài)均處于正常狀態(tài)，則可確認兩個通道檢測數(shù)據(jù)均為有效。此時，就需要對兩個通道的采集數(shù)據(jù)進行差值比較。若兩者之間差值小于設(shè)置的偏差界限時，可判斷兩個信號都是真實的，可任取其一作為現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)；若兩者之間差值大于設(shè)置的偏差界限時，有可能就是兩個檢測回路中的某一個回路出現(xiàn)了問題。此時，就需要與前次正常數(shù)據(jù)進行比較，選取其中差值較小的一路信號數(shù)據(jù)作為本次的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)字量信號冗余輸入。直接將2塊數(shù)字量輸入模板并聯(lián)接入檢測回路中，與模擬量采集相同，數(shù)字量采集也是采用雙通道數(shù)據(jù)采集，因此在程序中也需對采集到的兩組數(shù)據(jù)進行對比處理，以判定采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。針對數(shù)字量，只需將兩組采集到的數(shù)據(jù)進行簡單的“或”邏輯運算，當(dāng)兩路獨立的模板輸入的信號一致為“0”時，可確定現(xiàn)場輸入信號真實、有效（注：安全控制系統(tǒng)采用的是反邏輯，即正常時邏輯輸入為“1”，故障或報警時邏輯輸入為“0”。）；同時，對兩組數(shù)字量輸入數(shù)據(jù)進行實時“異或”對比，一旦得到異或結(jié)果為“1”，則可判斷數(shù)字量雙重冗余輸入錯誤。

（5）數(shù)字量輸出。數(shù)字量信號的雙重冗余輸出與雙重冗余輸入類似，直接將2塊數(shù)字量輸出模板并聯(lián)接入控制回路中，只要有一路輸出觸點接通即可控制相應(yīng)的設(shè)備動作[3]。

3 結(jié)語

埕島油田海上平臺冗余技術(shù)的應(yīng)用，提高了海上自動化測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，雖然在項目建設(shè)時增加了一定的投資和后期運行成本，但在運行的過程中減少了事故發(fā)生概率，增強了生產(chǎn)現(xiàn)場安全性和可靠性，經(jīng)實踐檢驗證明取得了極大的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]黃少偉，謝騰騰．提高埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)可靠性初探[J]．電子設(shè)計工程，2012，11（20）：64-67.

[2]管豐年．生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的可靠性措施[J]．石油化工自動化，2005，24（3）：5-8.

[3]張泉城．埕島中心三號平臺自控系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2014，33（2）：69-70.

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.001