渤海明珠号FPSO DCS控制系统升级改造研究

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

FPSO是对开采的石油进行油气水三相分离，并兼具动力发电、供热、原油产品的储存和外输、人员居住与生产指挥系统于一体的综合性大型海上石油生产设施。渤海明珠号FPSO于1993年建成，先后服役于绥中36-1油田、蓬莱19-3油田和渤中25-1油田。明珠号FPSO的工艺流程的监控和管理主要由艾默生公司的RS3型DCS系统负责，在很大程度上实现了生产过程的自动化。

渤海明珠号的RS3控制系统(系统ID:0003-0000-3115)，自1993年投运，2002年做过一次RS3软件版本升级(从V15升级到P1)和硬件扩展，系统至今软件版本一直运行在P1版。根据服役的蓬莱19-3油田需要，经过一次升级改造，系统结构变为中控加远程模式，远程机柜安装在LER(现场设备间，位于船艉)。中控IO接口和卡件分为冗余与非冗余模式，系统由UPS 110VAC电源供电。

1 现状及存在的问题

1)RS3控制系统属于艾默生控制系统系列中较早期的产品，已经连续工作了20多年，随着设备使用年限的增长，可靠性逐渐降低，使得今后中控系统的生产稳定性难以保障。

2)维护该系统正常运行的成本逐年增高。部分原始电子器件供应商已经限量或停止生产(例如磁带机、硬盘), 从而导致RS3的备件价格逐年上涨，甚至停止供应(国家要求相关产品在进关时需要提供相关的3C认证，由于RS3的某些备件由于是很老的产品，不能申请3C认证，所以无法进关)。

3)RS3难以操作和维护，需要专业的RS3控制系统工程师维护，维护门槛很高，培训或培养维护和操作该系统的工程师较为困难。

4)操作站和软件版本等软硬件配置都比较低，RS3控制系统MTCC操作员站内部电子单元的元器件已经老化，故障率升高，经常发生死机的现象[1]。

5)其中一台MTCC操作员站(共两台)已经出现故障，无法启动，厂家工程师检查也未解决该故障，初步诊断为CPU，SCSI卡和硬盘故障。

6)其中一套控制器(共两套)已经出现故障，根据CPU 卡件显示故障红灯，初步诊断为CPU故障；一套NV Memory 卡件显示故障红灯，初步诊断为NV Memory 卡件故障，现在处于带病运行状态。

7)随着计算机和自动化技术的发展，RS3控制系统逐步被新产品所取代，作为老一代DCS代表的RS3控制系统在报表、流程图、可视化、易操作性等诸多方面均无法满足日益提高的监控和管理要求。

RS3控制系统是非常经典的DCS系统，近20年来的运行情况也得到了充分的肯定。但是从发展的角度来看，作为老一代DCS代表的RS3控制系统已经无法满足日益升级的监控和管理要求。RS3控制系统操作环境、数据总线和网络通信为封闭的系统，在平台开放性方面功能较弱。RS3控制系统逐步被主导产品所取代，备件供应困难、价格昂贵、维护成本高。RS3控制系统受到内部功能和结构的限制，扩展性能较差。明珠号如需到下一个油田服役，RS3控制系统将成为整个工艺流程控制的短板和隐患。综上所述，对明珠号RS3型DCS系统进行软硬件升级很有必要。

2 系统升级改造

2.1 系统升级选择

当前海洋石油设施上的DCS系统的使用呈现多样化的趋势，比如海洋石油112采用的是FOXBORO公司的I/A Series系统，海洋石油113采用的HONEYWELL公司的PKS系统，渤海世纪号采用的是ABB公司的Advant controller 450系统[2]。考虑到渤海明珠号FPSO已经到达其生命周期的末期，如果简单地对现有系统进行推倒重建，无疑将造成资源浪费。推倒重建不仅需要购买新系统的投资，还将涉及到重建新系统所需要的相关工程投资(比如人力，物力及财力等)，将使整个升级改造项目工作量大增，经济性降低。为了使现有DCS系统软、硬件资源得到充分利用，首先应考虑做操作站的改造，其次是考虑做控制器的升级改造，最终选择做I/O级的改造。在充分利用好现有资源的同时，能够让升级改造后的系统保持整体性和一致性的方案才是最优的。

艾默生公司后续推出的DELTA V控制系统在延续了RS3控制系统优点的同时，还紧跟计算机和自动化技术的发展，融入了一些最新的自动化科技，使整个系统具备主流DCS系统的优势特性，如：支持各种现场总线，基于工业以太网，易于扩展，可在线升级，同时内嵌各种复杂控制算法和先进控制系统。DELTA V控制系统不但自身具有许多优秀特性，最重要的是它能够从RS3控制系统无缝升级，最大限度地保留原DCS系统的硬件，从而实现升级改造工作量最小化、改造投资最小化。

2.2 中控室的布局改造

由于改造明珠号FPSO上的空间有限，特别是中央控制室，布局紧凑，DCS系统改造必须结合中央控制室内空间的的实际情况，否则就只能是纸上谈兵。

根据明珠号F&G系统和ESD系统也需要升级改造的实际情况，对中控三大控制系统的升级改造可以根据需要将中控室的机柜挪位或拆除。优化中控室的布局，充分利用有限空间。将原有DCS机柜拆除，进行重新布局，拆除两台RS3 CPU 机柜， 同时将ESD 机柜搬移到与PCS机柜并排摆放。

两台新机柜：一台(2 100 H×600 W×800 D)用于更换高频电话机柜； 一台(2 100 H×800 W×800 D)用于更换外输流量计PLC控制系统机柜，即将原柜内的所有元件移至新机柜内。PCS机柜为艾默生提供的升级后的两台新机柜，内部集成DELTA V控制系统和网络设备。

为节约成本，ESD系统机柜不做改造，只是将位于PCS机柜的ESD继电器和相应端子移到新PCS机柜内。F&G新机柜分为2 000 H×1 200 W×800 D和2 000 H×800 W×800 D 两种规格。

1 200 W机柜内部集成DELTA V控制系统 SIS系统，用于点对点接入设备；800 W机柜用于接线柜，同时面板安装原GD 探头的Flame Detection System+Relay Module二次仪表设备；F&G可寻址盘柜用于连接原12条可寻址链路，内部集成处理器、通信卡件、端子等，同时内部集成后备电源，其容量满足系统失电后可寻址盘仍能持续15～30 min运行；位于现场的远程机柜外观完好，不做更换，只将内部RS3控制系统升级和更换相应元件；为升级后F&G与PCS系统将提供新的110 VAC～24 VDC电源，在满负载时仍预留20%～40%的余量。

2.3 控制网络与通信方式选择

RS3控制系统改造完成后，要求新系统具有开放性、通用性和良好的扩展性。首先得将现有RS3控制系统的PEERWAY通信协议通过专用网络接口(包括硬件与驱动软件)转换成标准的以太网通信协议，与F&G系统以及ESD系统在控制、操作、通信等方面完全兼容。在确保这些数据的完整性及高度可靠性的前提下，实现I/O数据、控制器数据、中间计算数据、操作数据的共享，快速实时数据交换[3-4]。最后，使得新的DCS控制系统在整个网络框架下，与F&G系统及ESD系统各司其职，高可靠性地协同完成所有的生产过程控制。 因此整个系统各节点之间选择合适的通信方式显得尤为重要。

1)HMI与DELTA V控制系统之间的通信。DOR作为RS3控制系统的HMI软件，虽然可以浏览DELTA V控制系统的画面，但在功能上与DELTA V控制系统有着较大的差别。例如，由于工具栏和报警栏的不同，DOR无法打开DELTA V控制系统的报警列表和操作记录，也不能看到DELTA V控制系统的实时报警条造车网版权所有，这样对于在DOR上直接浏览DELTA V控制系统画面显然不方便，为此，HMI(人机界面)系统需要将RS3原有的MTCC操作站全部替换为Windows平台上的DELTA V控制系统操作站[5-6]。

2)DELTA V控制系统与Tricon ESD之间的通信。渤海明珠号FPSO上的ESD系统采用的是TRICONEX公司的Tricon三重冗余容错控制系统，以实现对全船的安全保护、安全紧急停车和事故记忆等任务。Tricon系统的I/O卡件均采用冗余结构，每个输入/输出点的信号都采用三重选举电路处理，因而安全性和可靠性极高。鉴于本套系统依然工作正常，且经厂家检测，依然具有足够高的稳定性和可靠性，不需要对其进行替换。

Tricon ESD系统需要将各个测量点的报警信息和控制流程传送到DELTA V控制系统的操作界面上监视，这些信息都是停车或工艺流程诊断的重要依据。作为一种简单而又可靠的通信方式，Modbus通信成为了DELTA V控制系统与Tricon ESD系统之间通信的首选：DELTA V控制系统作为Modbus主站，Tricon ESD作为从站，实现两者间通信[7]。

2.4 I/O点配置

根据现有I/O点，配置如表1。

当明珠号确定下一个目标油田后，根据目标油田所需要的工艺处理流程，可能需要增减设备，则可以在现有I/O配置表上增减新的I/O点。

2.5 操作站升级

1)采用目前主流服务器和工作站计算机。一台PLUS站+两台操作员站。

2)PLUS站采用性能可靠的DELL或Thinksever服务器，双电源、双硬盘，预装Windows Server 2008操作系统，PLUS具有对DELTA V控制的全部权限。

3)操作员站采用主流工作站计算机，每台操作员站为双显示器配置，有利于操作人员全面及时的对生产监控，操作员站预装Windows 7操作系统。

表1 I/O点配置

4)配个多个用户组，并给每个用户组划分不同的操作权限。各级别用户凭借用户名和密码进行登录。

5)配套提供专用操作台和椅子。

2.6 软件版本升级

将目前RS3控制系统升级为DELTA V控制系统V11.3版本，目前该版本为海油平台广泛使用版本，稳定可靠。系统具有以下特点。

1)新的V11.3版本DELTA V控制系统 画面颜色更加细腻，图素更全面、形象，操作界面日趋完美，改进的人机界面便于用户迅速发现报警，及时处理生产装置中出现的故障；

2)新的V11.3版本的软件更加完善了系统的功能，用户可以选择自动配置功能块下载到每个分区，每个分区功能块的数量从64增加到96个。每个分区可以设置4个单独的宏周期， 用户可以根据控制和监视设备不同的响应周期需求，进行专门的设置。可以为用户带来极大的便利；

3)改进的功能能够纪录每个采集点的完整文字状态描述，为用户分析过程故障提供便利；

4)操作功能、组态进行优化，有效减轻系统负载，加快系统运行速度。

3.7 建立于其它系统的联系

整个中控系统升级后，PCS系统(DCS系统)、ESD系统、F&G火气系统，各个系统全部集成在同一冗余EtherNet网络。PCS 系统分为3个节点，与ESD 系统仍沿用冗余Modbus 协议，采集ESD 系统的信号状态、报警信息， 同时也实现对ESD 系统的控制操作。远程PCS 机柜(No.3节点)采用冗余光纤接入中控主系统网络。F&G 系统分为主DELTA V控制系统 SIS系统和可寻址系统：SIS系统用于接入除可寻址设备之外的点对点设备，可寻址系统用连接12条可址链路设备，并采用冗余Modbus 协议与主SIS系统通信，进行数据交互。操作站采用1台PLUS 站，2台双屏模式的操作员站，同时分配不同的控制权限，凭借用户名和密码进行登录，并配备一台针式报警打印机。手动操作盘将集成F&G 系统手动操作、复位、旁通、手动测试等的所有手动功能。升级改造后，明珠号中控系统的结构示意见图1。

图1 明珠号中控系统最终结构示意

3 结束语

渤海明珠号FPSO现停靠在山海关船厂码头，处于停产搁置状态。对一个服役目标油田而言，有针对性的设备改造具有现实意义。DCS系统作为生产工艺流程的大脑，升级改造工作将是重中之重。本文针对渤海明珠号FPSO的PCS系统——RS3控制系统的特点和现状，以及F&G系统、ESD系统的现状，对整个中控系统的升级改造问题进行探索研究，并充分考虑升级改造工作的可行性及经济性，可供明珠号FPSO将来中控系统的升级改造参考。

[1] Rosemount Inc.RS3 Operator Station Software Release

Notes [M].Rosemount Inc.,1998.

[2] 高 娟,王世荣.化工仪表与自动控制[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3] Rosemount Inc.RS3 Control Block Configuration Manual [M].Rosemount Inc.,1996.

[4] Rosemount Inc.RS3 Service Manual Volume 1,2,3,4 [M].Rosemount Inc.,1994.

[5] 马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001.

[6] 王先培.测控总线与仪器通信技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7] 华 镕.从Modbus到透明就绪:施耐德电气工业网络的协议、设计、安装和应用[M].北京：机械工业出版社，2009.