安全控制系统在油气田处理装置的应用

纪玉学（ABB（中国）有限公司，北京 100015）

杨超（中国石化国际石油工程有限公司-阿尔及利亚分公司，阿尔及利亚英纳梅那斯 33200）

安全控制系统在油气田处理装置的应用

纪玉学（ABB（中国）有限公司，北京 100015）

杨超（中国石化国际石油工程有限公司-阿尔及利亚分公司，阿尔及利亚英纳梅那斯 33200）

以安全控制系统在阿尔及利亚Zarzaitine油田的应用，介绍安全控制系统的硬件配置和软件组态，以及安全控制系统容错结构的优点。

安全控制系统；四重化；油气处理

Zarzaitine油田提高采收率工程是中国石化开拓阿尔及利亚石油天然气市场所获得的第一个石油开发合作项目。该油田位于撒哈拉沙漠东部与利比亚边境毗邻的伊利奇（Illizi）盆地，距阿尔及利亚首都1500公里。现已正式投产。

为了应对装置意外事故，Zarzaitine油田设计使用了三套安全控制系统（Safety Control System，SCS），分别安装在处理站（CPIE和CTE）和储油站（C4）。安全控制系统是能够对生产过程中可能发生的危险，以及不采取紧急措施将会继续恶化的状态，迅速做出响应并关断保护的系统，可保护装置平稳运行，特别是对消除重大灾难性事故，保证人员和装置安全具有至关重要的作用。该系统是适用于高温、高压、易燃及易爆等连续性生产装置的安全保护系统。在此，以中国石化在阿尔及利亚Zarzaitine油田处理装置中的应用为例，介绍其系统结构及功能。

1 阿尔及利亚Zarzaitine油田处理装置控制系统简介

如图1所示，Zarzaitine油田处理装置控制系统由3套DCS系统和3套SCS系统构成，分别安装在储油站和处理站。以储油站（C4）为中心，采用多系统集成的方式实现生产数据的采集与传输、生产过程的远程监视与控制、历史数据和报警记录的存储与打印，生产数据库和生产报表的自动采集、生成及存储等功能。在储油站（C4）和处理站（CPIE和CTE）分别安装了一套SCS系统，实现整个处理流程的一级关断，处理站停运/停输或储油站停运/停输二级关断，单体设备紧急停车三级关断。

图1 Zarzaitine油田处理站控制系统结构

2 安全控制系统硬件配置

Zarzaitine油田处理装置采用的是ABB Industrial IT800xA可扩展自动化系统，包括过程控制系统（DCS）和安全控制系统（SCS）。该项目采用的安全控制系统为四重化配置，安全控制器和安全I/O模块均基于ABB的“嵌入式差异化”技术，认证为SIL-3安全等级。

SCS控制系统包括主处理器（PM865）、 协同处理器（SM811）、输入/输出模块、电源模块及通讯模块等，所有模块采用导轨式安装，侧面插针式连接。这些模块、辅助仪表和接线端子集成安装于及机柜中。SCS控制器由高可靠性硬件组成，其特点是容错功能（Hardware Implemented Fault Tolerance, HIFT）和四重化模块冗余结构 (Quadruple Modular Redundant，QMR) 。HIFT是通过硬件电路来实现故障的检测和冗余管理功能，与软件实现容错相比，减少了处理器的工作负荷，使得控制反应时间更短，可靠性更高。QMR即SCS的关键电路均实现四重化，安全控制器和安全I/O模块均基于ABB的“嵌入式差异化”技术，控制器和I/O模块拥有嵌入式差异化并行处理路径，其中通道间的主动差异校验得益于内部主动诊断。嵌入式差异化结构相比传统的冗余方案的优点是每个模块具有独立的故障模式（可将潜在的共因失效故障概率降到最低）。输入/输出模块也采用带有嵌入式差异化技术的两个信号通道：一个采用现场可编程门阵列 (FPGA)技术，另一个采用微控制单元 (MCPU) 。这样的硬件结构保证了SCS系统具有较高的可靠性和可用性。如图2所示。

图2 SCS系统架构

工程师站及操作站选用工业级工作站，配备系统组态和监控软件，兼具仪表工程组态维护和生产过程监控功能，并采用用户分组、口令登录方式实现操作环境的转换。工作站配有以太网卡，冗余配置，基于TCP/IP的标准工业以太网络与SCS系统通讯模块建立双向数据通讯，用于监控和组态数据的上传和下装。

辅助操作台用于紧急关断阀的手动操作，紧急关断、火灾和可燃气体运行状态指示，台面布置有SCS逻辑投用/切换开关、手动操作钥匙开关和信号状态指示灯。上述开关及指示灯与SCS系统的输入/输出模块通过硬接线连接。

工程师站兼做事件顺序记录站（Sequence of Event，SOE）,是指在每次扫描期间，SCS处理器检查所指定的，被称为事件的离散变量的状态改变，当一个事件发生时，输入/输出模块将变量的当前状态和时间作为SOE记录存储在缓冲区内，时间标签精度可达到1ms。SOE记录由打印机输出或转换为SOE.LOG文件存储于工作站硬盘，SOE记录按变量状态改变时间的先后顺序排列，这有利于联锁动作后的分析诊断。

3 安全控制系统控制网络与组态应用

3.1 控制网络

该项目采用的交换机为工业级交换机，冗余配置，具备网络管理功能，网络的状态故障信息可以在操作员站中识别和记录。储油站和处理站通过光缆连接，实现数据通信。服务器、控制器和网络均为冗余配置，提高系统的可靠性。

控制网络可配置为星型或环型网络。SCS控制器带有2个以太网络接口，采用网络路由协议RNRP (Redundant Network Routing Protocol) ：

（1）可连续监测网络通路的状态，故障时报警，自动切换；

（2）高、底层的协议是透明的，完全兼容TCP/IP/Ethernet；

（3）每一个节点连接到两个完全独立的以太网；

（4）每一个节点有两个IP地址；

（5）主IP地址用于节点的辨识；

（6）主网路故障时RNRP将自动完成通路的切换。

网络的最上层为信息管理网，配置硬件防火墙，通过OPC通讯协议同工厂信息管理网进行单向数据传输，既满足生产管理信息的外输需求，又可保证系统的安全；中间层为过程控制网，采用高速冗余工业以太网作为其过程控制网，连接工作站、服务器和控制站，传输实时信息；底层为控制站内部网络通讯，采用高速通讯系统Module Bus总线，通讯速率10Mb/s，是控制器与各I/O站进行数据通讯的通道。

系统通过过程控制网连接工作站、服务器与控制站，完成站与站之间的数据交换。过程控制网可以连接多个子网络成为组合结构；每个控制站的容量可以满足一般装置的需要，以I/O站为单位，一个控制站可以扩展到7个I/O站和96个I/O模块。每个I/O模块均带有专用微处理器，可以对模块进行控制、运算、检测、处理与诊断，使系统的可靠性得以提高。

3.2 软件组态

每套SCS系统都提高了基于Windows平台的系统组态软件——Control Builder Safe，该软件安装于工程师站中，可用于进行系统硬件配置、定义输入/输出，还可调用各种功能块进行控制程序组态，组态界面同DCS系统完全一致，区别在于SCS系统采用的数据库（Library）满足SIL-3安全等级认证。该软件还具备离线仿真测试功能，包括软控制器（Soft-Controller）模块，可以用来进行系统故障诊断、在线维护及控制逻辑的模拟测试。

3.3 人机界面

ABB Industrial IT800xA系统软件具有中文显示、界面友好和易于操作的特点。操作画面的设计采用主菜单形式，可设置按钮进行切换，主要包括主菜单、工艺流程图、总貌、报表、报警及历史趋势等画面。主菜单画面中汇总了各个画面的按钮，操作人员根据维护系统的实际需要进入各个画面进行监视并操作。基于Windows系列操作系统，大量采用Windows标准控件，使得操作保持一致性。同时提供了在线帮助功能。

4 结语

Zarzaitine油田的储油站和处理站分别设计安装了安全控制系统后，对防止和杜绝生产装置发生重大或灾难性的事故，在人员的安全、健康和装置安全生产方面起到至关重要的作用，对同类油气处理装置的设计和改造有一定的参考意义。同时对操作、控制和维护的要求也愈发严格，任何影响到装置安全的误操作或维修失误都可能导致关断停产，因而对操作和维护人员素质的要求也就更高。

[1] CH2MHILL VECO Engineering Ltd.，GENERAL SPECIFICATIONS FOR SAFETY CONTROL SYSTEM，PROJECT DEVELOPMENT OF OILFIELD ZARAAITINE[Z]. 2013.

[2] CH2MHILL VECO Engineering Ltd.，MATERIAL REQUISTION FOR SAFETY CONTROL SYSTEM (C4, CPIE, CTE) ，PROJECT DEVELOPMENT OF OILFIELD ZARAAITINE[Z]. 2013.

[3] ABB Industrial IT 800xA可扩展自动化系统技术手册[Z].

Application of the Security Control System in Oil and Gas Processing Unit

This paper introduces the application of the security control system in Algeria Zarzaitine oilfield. The hardware and software configuration of the security control system and the advantages of the fault tolerant structure of the system are also given.

Security control system; QMR; Oil and gas processing unit

纪玉学（1981-），男，黑龙江人，工程师，本科，现就职于ABB（中国）有限公司，主要研究方向为工业控制系统的发展及应用。

B

1003-0492(2015)09-0086-02

TP273

杨超（1983-），男，辽宁人，工程师，本科，现就职于中国石化国际石油工程有限公司-阿尔及利亚分公司，主要研究方向为工业控制系统的发展及应用。