海上平臺控制系統無人化研究

陳敘伸

[摘 ? ?要]現役海上平臺要實現網絡化、數字化、智能化，如何發展先進技術成為十分重要的命題。為了達成這一目標，考慮到海上環境的復雜性以及生產的不確定性等影響，需要進一步降本增效，提升平臺經濟性，通過自動化和數字化，使海上平臺實現無人化生產平臺。為了能在無人情況下更好地操控平臺流程，解決現場問題，及時恢復生產，要開展控制系統無人化研究，實現系統遠程操控，保證平臺高效穩定的生產運行。

[關鍵詞]海洋平臺;控制系統;無人化;遠程操控

[中圖分類號]TE95;TN948.6 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Research on Unmanned Control System of Offshore Platform

Chen Xu-shen

[Abstract]Active offshore platforms are required to be networked， digital and intelligent. How to develop advanced technology has become a very important proposition. In order to better promote this goal， taking into account the complexity of the marine environment and the impact of production uncertainty， further reduce costs and increase efficiency， improve the economy of the platform， and realize the unmanned production platform of the offshore platform through automation and digitization. In order to better control the platform process， solve the on-site problems， resume production in time， carry out the research on the unmanned control system， realize the remote control of the system， and ensure the efficient and stable production operation of the platform.

[Keywords]offshore platform; control system; unmanned; remote control

現役平臺部分設備及流程在設計之初是無法在中央控制系統內進行遠程的監控及手動操作，或者在出現誤關斷等情況下，操作人員必須到達現場進行現場手動操控或者重啟復位流程。鑒于海上平臺環境的復雜性以及生產過程中的不確定性，在環境惡劣等特殊情況下，操作人員無法及時進行現場操作，那么海上平臺由于無法及時操作和復產，從而會使整個油田產量受到較大的影響。尤其是無人平臺，在冬季，大風天氣較多，加之浮冰的影響，如出現特殊情況，難以在短時間內到達平臺進行操控。為了降低平臺全生命周期的運維操作成本，延長平臺經濟年限;減少人員現場操作，減少人員安全事故及環境污染，保證人員安全;提高平臺的自動化程度，減少人員操作工作量;保障平穩生產對平臺產量的影響、對整體油田的經濟效益、對國家的社會責任均有著重大的意義——鑒于此，需通過自動化技術和數字化技術使平臺諸多生產環節無人化，實現海上平臺無人化，通過有人平臺進行遠程操控。為了能在平臺生產時全方位監控工藝流程，并在產生關斷后能夠及時解決問題并恢復生產，更好地實現平臺無人化，就要針對控制系統開展研究，實現系統的遠程操作并實現平臺無人化。

1 控制系統介紹

海上平臺在保證人員和設施安全、防止環境污染的前提下，為滿足開發和生產要求，方便油田的操作和管理，同時考慮安全可靠、經濟實用、控制管理靈活方便等原則，設置獨立的控制系統，自主完成平臺的過程控制（PCS）、應急關斷（ESD）和火氣探測報警（FGS）功能，一般設置1套過程控制系統、1套應急關斷系統，1套火氣系統。欲實現控制系統無人化，可在控制系統間內保留1臺工程師站兼操作站，用于系統調試和巡檢期間操作功能。通過系統集成手段，3套控制系統共享人機接口和數據通信網絡?？刂葡到y的選擇和組合應符合開放的、規范的通信協議。過程控制系統的CPU模塊、電源模塊、通信模塊和數據通信總線等采用1∶1冗余;應急關斷系統和火氣系統的CPU模塊、電源模塊、通信模塊、數據通信總線和所有I/O卡件均采用1∶1冗余配置?？刂葡到y需完成實時顯示生產流程、各系統工藝參數及主要設備運行狀態，通過聲光報警形式顯示平臺生產和安全的異常狀態，并打印記錄備案，需定期打印生產報表;對平臺整體生產流程進行監控，在線設定、修改控制參數，完成各系統控制功能;具有自診斷功能，可對控制系統的工作狀態進行監視和診斷，并以聲光報警形式顯示其異常狀態;自動/手動執行應急關斷邏輯，保證人員、設施安全及保護環境;顯示平臺火氣探測設備及涉及消防功能各設備狀態，在出現火災和危害氣體泄漏時能夠通過聲光報警，自動/手動執行安全儀表系統內控制邏輯;根據生產和管理的需要，配置足夠容量的存儲器，保存信息和歷史數據（圖1）。

2 流程無人化方案

為了實現平臺流程無人化運行，使流程與控制系統更好地配合，需要針對性地對平臺工藝流程進行優化改造。根據平臺工藝流程的特點以及平臺操作人員作業安排，如現場巡檢、流程參數記錄、系統操作報表等相關工作的周期以及一些針對應急處置作業需求，如平臺停產后的工藝系統維護、工況記錄和復產前的一系列操作等，確定各個工藝流程對控制系統的重要程度，進而增加相關設備，以便系統有針對性地進行遠程監控。為了實現以上功能，井口套管需增加壓力變送器，保證對井口壓力的監控，確保生產流程的正常進行;化學藥劑系統增加壓力變送器、流量變送器等，并將信號送入控制系統實現遠程監控，并增加遠程啟動化學藥劑泵功能，保證化學藥劑的穩定注入;測試計量管匯上增加壓力變送器和溫度變送器，并將信號送入控制系統實現遠程監控，通過增加變送器，將控制系統信號遠傳，減少人員現場巡檢監控記錄相關參數，在保證相關數據能及時監控的同時，增加了人員的安全性;開排系統泵啟動在手動啟動的基礎上，通過增加液位變送器及開關閥實現自動啟停功能，由于開排槽需作業人員現場巡檢并定期進行排液保證流程順利進行，遠程監控和啟停降低和防止了相關事故以及污染的可能性;濾器配置差壓表改為差壓變送器，并將信號送入控制系統實現遠程監控，以便濾器在出現堵塞等相關工況下能及時在控制系統上反饋，提醒操作人員盡早處理，保證生產的順利進行;根據現場具體情況增加儀控接線箱，將遠傳設備信號進行匯總，通過“點對點”方式將信號接入控制系統;海管上增加壓力變送器，在保證信號能及時傳輸到控制系統進行監控外，多個變送器形成表決，能更準確地檢測海管工況，保證在出現特殊工況下完成關斷。

3 控制系統無人化方案

為了實現遠程操控的功能，需要在現有控制系統中設置有人與無人的就地切換模式，以避免操作人員在現場維護時因遠程操控造成人員傷害。平臺遠程操控的功能，除了儀控設備外，電氣設備、通訊設備、暖通設備等也需要進行適應性改造。為了配合此部分改造，對現有控制系統需要進一步的擴容，以便接入改造后的各方接口。除此之外，還需對控制系統的負荷和供電進行校核和適應性改造，以滿足改造的需求。為了實現以上要求，將新增設備點位接入過程控制系統，根據實際運行情況修正部分設備上的壓力變送器設定點;將火炬系統的手動開關功能改為遠程開關功能，并增加相關監控信號，在平臺無人化后，保證能實時監控火炬情況，防止出現氣體排放，造成事故及污染的情況，保證平臺安全;對霧笛系統進行優化，將相關信號引入控制系統，實現控制系統可啟動霧笛系統;在相應有人平臺上設置新的上位機用于監控無人化平臺的相關數據并進行操作，可通過上位機對無人化平臺進行遠程監控關斷功能，并將無人化平臺操作盤信號通過控制系統傳輸至新增上位機，確保有人平臺對其的實時監控，保證所有功能的使用;需保證上位機可對消防系統進行遠程操作功能，保證平臺在無人情況下出現火災工況下消防系統的正常使用;根據平臺運行的相關規定及要求，對“臺風模式”和“非臺風模式”相關邏輯結合平臺無人化進行優化，并在上位機中增加相關組態畫面、點位，保證平臺在特殊天氣等工況下及時關斷相關設備，確保平臺安全，減少環境污染;平臺電氣開關狀態信號傳入控制系統，不間斷電源（UPS）相關信號利用電源管理系統（PMS）和控制系統上位機進行監控，實現對平臺供電盤及應急機的監控、關斷等一系列操作，保證在有人平臺對無人化平臺電氣系統的安全監控;需考慮兩個平臺間的通訊故障情況，對無人化平臺控制系統邏輯進行優化，實現當有人平臺與無人化平臺間出現通訊中斷，并持續一定時間后，無人化平臺采取應急關斷等相應措施;控制系統中火氣系統與平臺監控系統聯動，實現當出現火災與可燃氣泄漏等緊急工況時能夠自動對相應區域進行定位，通過視頻、火氣探測設備綜合進行探測與報警，無需操作人員進行逐個排查尋找，提高應急響應速度，快速確認報警區域，第一時間得到現場實際情況，極大降低現場確認的風險（圖2）。

為了實現以上功能，切實解決問題，滿足各個系統的需求，在完善各個功能的同時，需根據平臺控制系統現有情況，對控制系統進行升級完善。以海上某平臺為例。目前平臺控制系統已運行十余年，雖系統常規運行可以滿足使用要求，但是產品老舊，軟件版本已無法迭代更新，控制邏輯優化修改較為困難;控制系統內PLC及配件在市場中已無全新備件，若出現硬件故障，則只能通過相同系列的二手產品進行維修，很難保證運行可靠，可能會存在隱患;由于平臺經歷過多次改造，現有系統機柜內已無空間進行改造。為了實現控制系統無人化，并進一步升級控制系統的運行能力，需從多個角度考慮控制系統的優化方案。

若考慮減少平臺變更內容，可在平臺新增1套獨立的控制系統。作為遠程操控新增信號的控制系統，其與平臺現有控制系統相互獨立，各自運行。通過新增系統對無人化內容進行控制，并在有人平臺設置遠程上位機，通過微波或者海纜光纖與有人平臺上位機實現數據互傳，實現有人平臺對其的監控與操作。這個方案成本低，平臺改造量小，原系統與新增系統實現功能互補，相對穩定可靠。但是，未能徹底提供和完善平臺控制系統的整體性能，部分設備需由原系統遷移至新增系統進行控制，有一定的誤操作風險，并且老系統的變更有可能會影響設備的運行。由于涉及了多套控制系統，且需與有人平臺進行通訊，雖架構理論可行，但是應用較少，有一定的風險。新增系統需要占據平臺本就相對緊張的空間，用于布置新增機柜等設備。為了減少風險，可考慮將平臺整套控制系統更換為新的控制系統，對平臺控制系統實施全面改造，并將現有系統內容與無人化改造內容進行合并完善，通過在有人平臺設置遠程上位機，通過微波或者海纜光纖與有人平臺上位機實現數據互傳，以達到有人平臺對其的監控與操作。相較于前1個方案，可以全方位地提升平臺控制系統的性能和穩定性，新系統的安全標準更適用于現今的規范要求，易于維護以及后續改造。但是其成本將高于前一方案，對平臺的改造量較大，施工難度較高。為了減少停產時間甚至不停產，人員需要在有限的時間內完成改造，在陸地階段需將大部分工作完成，海上人員需要提前對控制系統及電纜線路鏈接進行熟悉了解，對施工人員與系統廠家都提出了很大的挑戰。

相較于示例平臺，若平臺控制系統較新，可以滿足機柜改造和程序下裝時，則對控制系統進行擴容改造。將無人化改造點位及邏輯下裝至平臺現有系統，對改造內容進行整合。并且需要在有人平臺放置遠程上位機，實現數據互傳。

4 結束語

海上平臺控制系統無人化可實現操作人員在有人平臺對無人化平臺流程進行實時和全面的監控，并在出現某些關斷情況時，操作人員可在有人平臺對無人化平臺控制系統進行及時的遠程復位及遠程復產，減少長時間停產對各方的影響。隨著平臺無人化建設，降低海上平臺的投資和運維成本，實現油氣生產的健康、安全、環保，延長油田的經濟年限，提升了平臺的自動化和智能化，具有較好的應用前景。

參考文獻

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