海上无人平台自动控制系统设计方案

卢常胜

摘 要：海洋石油开采具有成本高、风险大、技术难、油藏散的特点，为了克服这些不利因素，一种值得学习的方法就是：在一座母平台的周边建设多个无人平台，形成一个平台群。而自动控制的实现形式对无人平台安全、稳定、高效运行具有决定性作用，因此讨论无人平台自动控制的实现具有深远的意义。

关键词：无人平台；过程控制；设備保护

1 概述

现代海上石油开采往往是以作业区为单位进行组织构架，即一个母平台周围会有多个子平台或无人平台。无人平台与母平台之间通过海底管线进行原油传输，通过海底电缆、光纤进行电力及控制信息的传送。

母平台和无人平台上各有一套独立的控制系统，分别对母平台和无人平台生产设施进行监控，同时母平台和无人平台的控制系统之间又有相互的联系。第一，母平台控制系统接收无人平台的I、IIB和因火气原因产生的IIA级关断信号并引起对应工艺流程的生产关断；第二，母平台控制系统监视无人平台的生产、ESD和火气系统状态；第三，当母平台发生I、IIB和IIA级关断时，将发出信号至无人平台触发IIW级关断信号来关断无人平台工艺流程。

2 控制系统概述

中控系统的功能由ABB公司的IndustrialIT AC800M+S800I/O产品来实现。该系统的组成主要包括过程控制系统、设备保护系统和操作站。过程控制系统采用AC800M PM861A 冗余控制器；设备保护系统采用AC800M PM865冗余控制器；操作站采用研祥公司操作站。包括液晶显示器，Windows操作软件，Intel Pentium 处理器。整个系统采用10M/100M以太网，实现统一通讯和管理。

平台的中控室内配置了两套独立的控制系统。第一套为过程控制系统（PCS），第二套为设备保护系统（FPS），包括紧急关断系统（ESD）、火气探测和消防系统（F&G）。过程控制系统用于对工艺过程的数据采集和控制；ESD和F&G系统用于平台的紧急关断以及对火气的探测和自动/手动消防。这两套系统使用相同的操作员站来进行PCS的监控，ESD系统的强制和旁路以及F&G系统的火区监控。这两套系统使用相同的打印机打印报警记录。通讯采用“以太网/TCP/IP上层通讯协议”的方式来实现，使用SDH设备进行无人平台与母平台之间的通讯。

为了保证过程控制系统（PCS）连续可靠的运行，过程控制系统的CPU模块、通讯模块、电源模块、数据通讯总线等均采用1：1冗余。ESD和F&G系统的CPU模块、电源模块、通讯模块、数据通讯总线和I/O也采用1：1冗余。所有探头采用点对点形式接入ESD和F&G系统。整个控制系统框图如图2所示。

3 过程控制系统

3.1 过程控制系统的功能

（1）对生产过程进行监控，动态显示生产流程，在线修改控制参数，主要工艺流程和主要设备参数运行状态，以声光形式显示平台生产和安全的异常状态。（2）台风情况下的自动海水置换。（3）油井的自动倒井计量。（4）电潜泵的数据监视。（5）对异常情况进行声光报警，保护人员和设备的安全。（6）可在线设定、修改工艺参数。（7）无人平台与母平台之间的双向通讯。（8）可以即时记录、存储和打印相关设备运行状态和工艺参数。（9）具有手动和自动操作功能并可实现手动和自动操作的无拢动切换。（10）定期打印生产报表。（11）系统自诊断功能。

3.2 系统配置

过程控制系统采用AC800M+S800I/O，其主要包括处理器模块、I/O模块和电源模块。AC800M的处理器模块为两个PM861A和TP830的组合。PM861A包括1个48MHz的MPC860处理器和16 Mbytes RAM。它包括2个以太网口和2个RS232通讯口。AC800M具有自动和手动过程控制功能，包括确认、位置检定、工艺计量、逻辑和连续控制、系统监测功能。

S800 I/O系列，每块I/O板的故障状态均在I/O板上和操作站上有显示，另外，会产生1个系统故障状态的报警信号。在系统正常工作期间可更换板，新的I/O板在过程数据库里预定义，也可进行在线插拔，新插入的I/O板可在10S钟内正常工作。S800 I/O板的几种类型如表所示。

4 紧急关断系统

紧急关断系统的设计原则是：某一级别的关断均不能引起较高级别的关断，只能启动本级别和所有较低级别的关断。紧急关断一旦产生，操作人员在确认故障排除后才能手动复位。平台紧急关断系统分为LEVEL I、LEVEL IIB、LEVEL IIA和LEVEL III，其具体涵义如下：

LEVEL I：这级关断叫弃平台关断，关断级别最高。在遇到无法抗拒的情况系统才会强迫关断。这级关断只能通过紧急手动站来实现。本关断一旦触发除应急发电机、消防系统、吊机系统、通讯系统、导航系统、应急照明系统外的所有系统都将被强行关断，而消防系统和应急发电机在延时10 min后也将被关断，同时启动PA系统。

LEVEL IIB：这个关断由平台单个火焰探测器动作，易熔塞回路低低压或手动报警站动作产生，该级关断除执行本级关断的特殊功能外，还将引起LEVEL IIA和LEVEL III级关断，同时平台状态灯黄灯和绿灯闪烁。

LEVEL IIA：该级关断由主电源、闭排罐液位异常、仪表风等公用系统故障、海管入口压力异常、生产区可燃气体严重泄漏、中控室、配电间、应急发电机房、主变压器间和ESP控制房CO2释放该级关断除触发本级关断的特殊功能外，将引起本平台LEVEL III级关断。

LEVEL III：本关断为单元关断，由单台设备或单井故障引起。本关断只关断故障设备和单井，而不影响其它设备的正常工作。

5 火气探测报警系统

5.1 系统配置

火气探测系统采用两个PM865和TP830组合的AC800M，PM860包括1个96 MHz的PM860处理器和32Mbytes RAM。用于设备保护系统的I/O板有以下几种类型：

5.2 平台上火气探测的主要元件

（1）感烟探头。烟感探头主要布置在控制间、配电间、生活楼房间和走廊。可选择美国APOLLO公司制造的SERIES 60烟探头。（2）感温探头。感温探头主要布置在控制间、配电间、生活楼房间和走廊、电瓶间，可选择英国ALOLLO公司制造的55000-100感温探头。（3）三频红外火焰探头。主要安装在井口区域、生产区域、发电机房、钻台等重要区域，可选择美国DET-TRONICS公司的X3301型IR3式火焰探头。（4）可燃气体探测器。可燃气体探测器主要布置在井口区和生产区以及风道入口，可选择德国DRAGER公司产品。（5）氢气探测器。氢气探测器主要布置在有可能产生氢气的地方，如电池间，可选择德国DRAGER公司制造的Polytron FX催化燃烧传感器。（6）易熔塞。井口区布置有易熔塞回路。当易熔塞周围环境温度超过设定值时，易熔塞破裂，气环路漏气，压力开关动作，引起ESD LEVEL IIB 级判斷。

6 结束语

综上所述，要实现无人平台的自动控制，其控制系统至少应由两部分组成，即过程控制系统（PCS）和设备保护系统（FPS）。过程控制系统的主要作用是：对生产过程进行监控，动态显示生产流程，在线修改控制参数，主要工艺流程和主要设备参数运行状态，以声光形式显示平台生产和安全的异常状态；设备保护系统的主要作用是：当生产出现异常，如压力高高、温度过高、液位过高、流量过大、发生火灾等，自动采取措施进行调整，或关断设备用以保护设备不受破坏和人员不受伤害。

当然，对于现在自动控制还应该包括自动画面摄像系统（CCTV）。它使得用户能够实时观测到主要区域的生产动态，这些主要区域包括井口区、中控室、配电房、海面、和直升机甲板。其原理是，安装于无人平台现场的摄像机拍摄现场画面，经过编码器压缩编码后，通过SDH传送至母平台，再通过解码器解码，最后送至硬盘录像机。

参考文献

[1]王建辉.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]韩一石.现代光纤通信技术[M].北京：科学出版社，2010.

[3]冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4]中海油研究院.海洋石油工程开发手册[Z].