FCS技术在海洋工程设备监控上的应用

李 杰，薛 旻，陈亚杰，刘 赟

（711研究所，上海 201108）

0 引 言

进入 21世纪以来，随着油气开发投资规模的不断扩大，我国的海洋工程产业得以大力发展，海洋工程装备市场前景越来越广阔[1]。通过引进、消化、吸收国外先进技术（如美国的Honeywell、Rockwell、日本的Yokogawa、欧洲的Siemens、ABB公司等），现代海洋工程装备监控技术在性能和技术水平上都有了很大提高[2]，实现了系统产品在海洋平台上的应用，系统集成技术已逐渐接近国际先进水平，部分国产监控系统也正在研发和推向市场。海洋工程装备监控系统正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，FCS技术是海洋工程装备监控系统最有应用前景的技术之一。它传输速率高、抗干扰能力强、结构灵活、可靠性好。对海洋工程装备领域的应用和发展将起着十分重要的作用。

1 FCS技术的优势

当工业以太网技术得到广泛应用后，对现场设备的控制提出了更高的要求，现场与外界信息沟通的范围不断扩大，这就需要把大量的现场信息送到外界，又需要远程对现场进行诊断、维护和服务，实现从现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。海上油气生产是在海洋平台或其他海上生产设施上进行，生产设施要经受各种恶劣气候和风浪的袭击，采出的油气易燃易爆因而发生事故的可能性很大，平台空间有限要求设备尺寸小且自动化程度高，特别是边际油田通常采用无人值守井口平台的模式。因此，对海洋工程监控系统的可靠性提出了极为严格的要求。FCS技术在这方面体现出了明显的优势。

1.1 高度的系统集成主动权

遵循公开统一的技术标准，可实现设备互操作性和互换性[3]。把遵守相同标准的不同厂家、不同品牌、功能相同的产品集成在同一个系统内，构成FCS，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有自控设备选择、集成的主动权。

1.2 可靠的数字通信

现场设备具有数字通信功能。利用数字信号代替模拟信号，免去了D/A（数模转换）与A/D（模数转换）变换，使精度可以从±0.5%提高到±0.1%，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统性能。

1.3 智能化与可维护性

FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息[4]，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用双向数字通信现场总线信号制，可以对现场装置（包括变送器、执行机构等）进行远程诊断、维护和组态。

1.4 高度分散性

现场设备智能化，实现彻底的分散控制，简化了系统结构，提高了可靠性。海洋平台空间相对狭小，FCS由于信息处理现场化，省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件及I/O柜，同时也节省了大量电缆、I/O装置及装置室的空间与占地面积。

1.5 适应性

大部分现场总线结构是线状的，且采用两线制实现供电和通信，易解决网络供电、本安防爆等问题，具有较强抗干扰能力[5]。系统功能扩充、结构改型方便。

FCS技术改变了传统的DCS（分布式控制系统）模式，开拓了总线控制的新时代。对于大型的、设备繁多的或者自动化要求高的系统，则更能体现出总线控制的优越性。

2 FCS技术的应用特点

以国外先进的FCS集成商Rockwell公司和Emerson公司的FCS架构为例，简要说明该技术的应用特点。

2.1 Rockwell公司的FCS架构

图1 Rockwell公司的FCS架构

图1 为典型的FCS架构之一，其分为3个层次：基于Ethernet/IP协议的信息网、基于ControlNet协议的主干网和基于DeviceNet协议的设备网。

2.1.1 设备网

设备网包含现场I/O Module模块、传感器以及自动阀等执行机构，主要完成现场数据的采集、数字化及数据分析，并向同级的设备或上一级网络提供数据，以及接收上一级的指令或者根据现场设备的数据驱动外围的执行机构等。该设备网可以采用多种现场总线如DeviceNet 等，主要实现现场的数据信息传输功能。

2.1.2 主干网

主干网包含I/O Station、远程I/O Station等，主要完成现场的数据监控、扩展网络、提供与信息网和设备网的通信接口，并完成相应的通信以及驱动部分外围的执行机构等功能，在这个层次上可以采用与设备网相同的总线协议。

2.1.3 信息网

信息网包含工控机、打印输出及记录设备、仪表显示单元等。该网是FCS的核心部分。海洋工程装备网络监控系统运行在信息网中的管理微机上，其监测软件可以实现对各现场信号进行集中的监测报警，对事件进行程序设定的自动处理并向外报告。信息网为高速以太网。监控系统的软件采用网络化设计，它建立在Ethernet/IP协议的基础之上，具有良好的互联性。FCS不但具有一般监控软件的基本功能，如参数集中显示、越限报警、参数/报警打印等，还具有联网所带来的特殊功能，包括任意监测装备故障时的自动化切换、网络故障监测、任意监测主机之间资源共享等。

2.2 Emerson公司FCS架构

图2 Emerson公司的FCS架构

图2 为Emerson公司典型的FCS架构，分为：基于Ethernet协议的信息网、基于Foundation Fieldbus、Profibus协议的设备网。

2.2.1 设备网

设备网包含：现场Remote-IO模块、HART传感器、无线传感器等设备，可以采用多种现场总线如Foundation Fieldbus、Profibus等，主要实现现场的数据信息传输功能。

2.2.2 信息网

信息网的核心是Delta V软件，主要完成系统管理、与外围其他网络联网通信、主机参数综合显示、人机交互等功能。信息网为冗余高速以太网。

2.3 两个系统的主要特点

海洋工程中需要监控的设备和调节的仪表控制回路较多，应用FCS技术的效果明显。特别是FPSO（浮式生产储油轮）和油田群的中心平台，通常需要对邻近的井口平台群以及周边的海上设施进行监控，因而需要监控的设备很多，情况也较为复杂。通过采用FCS技术，将重要的调节回路放到现场控制，只将部分信号送到过程控制系统供中央控制室监控，不仅能使设计、绘图的工作简化，布线及调试时间也大大缩短，在油田投产后，还会带来一系列长远利益，如方便检修与维护，提高资产效率，降低运行成本等。在海洋工程设备监控方面应用FCS技术有下列主要特点：

1) 系统网络化、设备标准化、系统组态灵活、可扩展性强、适用范围广；

2) 采用透明机制，从下层现场控制网络通过网关连接到上层高速信息网络，增强了实时性；

3) 统一的通信接口，降低了成本，减少了工作量，增加了网络可靠性；

4) 网络传输速率快，可达100Mbit/s。

5) 节点数量大；

6) 能够提供更丰富的现场信息，更深入地掌握现场生产过程情况、设备仪表信息。

3 FCS技术在海洋工程上的典型应用

以某海洋平台为例，介绍FCS技术在海洋工程上的典型应用。

图3 为应用FCS技术的大型综合平台，该平台系统分为设备层、控制层、监控层和生产管理层。

3.1 设备层

设备层包括仪表、执行机构、驱动器等，采用DEVICENET等现场总线，同时包括CANBUS和HART等总线设备和无线传感器。信号检测、智能设备诊断在这里实现。

3.2 控制层

控制层实现I/O过程控制，采用第三方PLC（可编程逻辑控制器）控制器，形成PCS（过程控制系统）、ESD（应急关断系统）和F&G（火气探测系统）。其中ESD系统由安全控制系统组成；另外还采用自有设备形成公用系统的部分监控，分别以监控分站、电能管理系统、串口服务器等设备实现公用部分的监控。

3.3 监控层

监控层实现对系统的监控，操作员能与系统进行人机对话，完成常规控制。除采用自有的监控软件及延伸报警等设备外，也采用第三方的软件和设备，如过程自动化应用服务器、工程师站、操作员站等设备。

3.4 生产管理层

生产管理层提供生产管理与性能监视功能。支持的管理功能有：资产管理、性能分析、报表及优化。

由于采用了FCS技术，使得控制系统电缆、桥架、本安安全栅与端子柜、I/O模块等的使用量大大减少。如果应用普通的控制系统，中心平台与井口平台之间会有大量电缆穿越，而采用FCS技术，仅有几根电缆穿越，节省了大量的电缆费用。同时，由于该技术回路测试简易、方便，缩短了整个项目的调试时间，使得该平台能够提前投产，直接带来了经济效益。

4 结 语

目前，海洋工程装备监控系统正向数字化、网络化及全分散的方向发展，随着FCS技术的不断完善, 其应用范围将逐渐扩大。作为最终用户，希望选用顺应技术发展潮流、运行成本低、可靠性高、管理维护容易、结构简单、易扩充和具有高度系统集成主动权的控制系统。而FCS技术正好符合技术的发展，满足用户的需求，将在海洋工程装备领域得到更加广泛的应用。

[1] 张广钦. 关于进军海工装备市场的思考与对策[J]. 上海造船，2011, (1): 55-61.

[2] 张树军. 海洋工程装备——船舶工业未来发展之路[J]. 中国水运，2009, (9).

[3] 石长印. 论PLC、DCS、FCS 3大控制系统的特点和差异[J]. 中国修船，2007, (10).

[4] 王学超. 过程控制领域内应用现场总线若干问题探讨[J]. 石油化工自动化，2003, (6).

[5] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，1999.