国产中控系统在海洋石油工程中的应用趋势



国产中控系统在海洋石油工程中的应用趋势

0引言

随着海工装备作为战略性新兴产业被纳入国家“十二五”规划,以及海洋油气成为国家能源战略的重要部分,可以预见我国海洋石油工程产业在未来十年将迎来蓬勃发展期。中控系统作为海上油气田开发工程中的关键环节，是海上油气田各种开发设施的大脑和安全卫士。中控系统不仅检测和控制海上油气田各项生产、公用设备的正常运行，还对各种意外事故进行实时监测。一旦出现危险状况，系统将在第一时间进行报警并经过系统逻辑自动进行控制处理，以便将不安全的因素控制在最小的范围内，从而保障海上油气田的生产安全，确保人员、设施的安全。只有中控系统发挥良好，才能保障海上油气田得以顺利地开发。

1中控系统的构成

海洋石油工程的中控系统包括集散控制系统(distributed control system,DCS)和安全仪表系统(safety instrument system,SIS)两大部分，其中SIS又包括紧急关断系统(emergency shutdown system,ESD)和火气系统(fire alarm and gas detctor system,FGS)。DCS和SIS两大系统是独立的，互不依赖，但共享操作员站、打印机和通信设备。中控系统如图1所示。

图1　中控系统示意图

1.1集散控制系统(DCS)

集散控制系统又叫分布式控制系统，是一种集计算机技术、通信技术以及控制技术于一体，实现对工业生产过程集中监视、操作、管理的计算机控制系统[1]。DCS主要由工程师站、操作员站、打印机、DCS主控制器、从控制器以及现场表组成,如图2所示。操作员站主要实现人机界面的功能。DCS控制站是集散控制系统的核心，系统主要控制功能由它来实现。

图2　DCS结构图

1.2安全仪表系统(SIS)

海洋石油工程中的SIS由FGS和ESD两部分组成[2]。SIS一般处于静态运行的状态，只有在确定存在危险状况的条件下，才会采取ESD紧急关断，使人员和设备处于安全状态。

1.2.1火气系统(FGS)

FGS能够准确及时地探测到可能发生或己经发生的火情或者可燃气及有毒气体的泄漏,以及时采取必要的安全措施(如报警、应急关断、消防等)来保护人员及生产设备的安全。火气系统接受现场探测仪表的信号并判断,一旦确认发生危险或者逾时未确认,会立即发出火气报警信号,同时启动相应的ESD关断[3]。

1.2.2应急关断系统(ESD)

海洋石油工程中，相对集中的平台工作人员和生产设备处于易燃易爆的危险环境中,因此对系统安全控制要求特别高。为了保护平台人员和设施的安全,防止海洋污染,必须减少事故并将可能的事故损失降到最低。海上油气田通常都设置专门的ESD。一旦发生危险事故,ESD将自动执行相应的应急关断逻辑,避免事故的扩大化或灾难性事故的发生,以保障海上油气田人员和生产设备的安全，减少损失。

2海洋石油工程中控系统设计标准

1975年美国Honeywell公司推出TDC-2000控制系统。经过几十年的发展，控制技术日趋成熟，并且形成了标准体系。中控系统的设计和开发需要遵循国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)制定的相关标准，以及国际标准化组织确认并公布的其他国际组织制定的相关标准[4]。其中，海洋石油工程中对中控系统的标准要求可以归纳为以下三个层次。

第一层次，有关海洋石油工程中控系统安全重要仪表和控制系统在设计、建造和运行各阶段如何满足中控系统设计安全要求的标准，其作为中控系统的顶层标准，具体有以下主要标准。

(1) IEC 61508。该标准基于安全相关系统的可靠性，是安全相关系统功能安全的基础标准。其不仅要求设备的完整性，同时针对设计、操作、测试和维护都有要求。

(2) ISA S84.01 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries，流程工业安全仪表系统的应用。该标准也是有关安全仪表系统的规范，沿用了IEC 61508标准，并保留了DIN V 19250标准，另外与IEC 61508标准在组织和技术方面都存在差异。我国石油天然气行业标准SY/T 10045-2003《工业生产过程中安全仪表系统的应用》等同采用了ISA S84.01-1996。

(3) IEC 61511 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process industry Sector,功能安全——流程工业的安全仪表系统。该标准是IEC 61508标准在流程工业领域的应用，给出了安全仪表系统的规范、设计、安装、运行和维护要求。

(4) IEEE 802系列标准，美国电气和电子工程师学会局域网标准委员会制定的有关局域网使用标准。IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质(如光缆、双绞线、无线等)以及如何在传输介质上传输数据的方法，定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE 802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些用来建立局域网络的组件。

第二层次，有关海洋石油工程中控系统在安全重要仪表和控制系统设计等方面的标准，是顶层标准中安全要求的细化，具体有以下主要标准。

(1) API RP 14C Analysis，Design，Installation and Testing of Basic Surface Safety Systems for Offshore Production Platforms，海上平台上部设施安全系统分析、设计、安装和测试。该标准是关于平台上部设施安全系统的分析、设计、安装和测试的一个推荐性规范。该规范提出的安全分析概念和推荐做法是现在海上平台上部设施安全系统分析设计的基础。石油天然气行业标准SY/T-2000等同采用了API RP 14C-1994。

(2)ISA-S5.1，仪表符号和标志。该标准的目的是为检测和控制所用的仪表和仪表系统建立一个统一的命名方法。为此，提出一个包括符号和标志代号的命名系统。

(3)IEC 61131.3，编程语言。该标准是 IEC 61131第三部分，是关于编程语言的设计标准。

(4)ISO 7398 Open System Interconnection a Model，开放系统互联模型。该标准是有关异构计算机系统之间互联的标准，它将互联模式定义为七个规程层次。各国际组织IEC、EIA、IEEE和CCITT等在七层网络基础上皆相应制定出相关标准。

第三层次：有关设备鉴定、安装和维修规程的标准，例如以下部分标准。

(1) NFPA 72 Installation, Maintenance, and Use of Protective Signaling System，保护信号系统的安装、维护和使用。该标准是有关安全信号系统及报警方面的规范。

(2)API RP 554。该标准覆盖了被选择设备的性能要求和注意事项，规范和安装，以及过程仪表和控制系统的测试；此外，该标准也覆盖石油行业的控制中心。这个标准并不作为一种购买的规则，但为最低要求提出了建议，也为最低的设计和规范提供了一个指导。

3国产中控系统

目前，国内比较有代表性的中控系统厂家有：和利时、上海新华、浙江中控、国电智深等。通过调研；数据分析，目前新一代国产中控系统与进口产品比较，综合性能相差无几。各类全封闭设计模件具有免维护性能，总的I/O点数应用也达到国外水平，软件可以在WINDOWS环境下运行，组态软件全中文环境，易于理解和掌握，修改方便，中控界面友好，应用功能基本包括了海洋石油工程的全部需求。下面以和利时和浙江中控为代表介绍国产中控系统，根据中控系统的设计标准和海洋石油工程对中控系统的特殊要求，分析国产中控应用到海洋石油工程中的可行性[5-10]。

3.1和利时中控系统

3.1.1技术革新与应用

和利时新一代的中控系统采用了目前世界上先进的现场总线技术，支持多种主流总线，智能化仪表可以方便地和系统相连，可在智能现场仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间进行无缝信息流传送，能方便地实现工厂智能化、管控一体化。公司核心中控系统产品已成功应用在百万千瓦超超临界大型火电站、千万吨炼油装置、百万千瓦核电站等重大工程中，PLC与驱动产品相继获得CE、UL认证。

3.1.2系统设计标准

和利时中控系统的设计完全遵循国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)制定的标准，以及国际标准化组织确认并公布的其他国际组织制定的标准国际组织规定的规范和标准。对于海洋石油工程的特殊要求，和利时的技术部门也制定了相应的解决方案，目前已基本满足海洋石油工程对中控系统设计要求的标准。无论是在技术方面，还是标准方面，和利时中控系统都满足海洋石油工程的要求，应用到海洋石油工程是可行的。

3.2浙江中控系统

3.2.1自主创新与应用

浙江中控新一代产品广泛应用于化工、炼油、石化、冶金、电力等流程工业，以及智能交通、水处理及教育领域等公共事业部门；公司在6 300多家企业实施了9 400多个项目，在千万吨级炼油等国家重大工程领域打破了国外垄断。所以浙江中控有经验、有能力承担重大工程。

3.2.2系统设计标准

浙江中控根据中控系统所要求的标准和规范，制定了一套自己的企业标准，具有针对性，完全符合中控系统的设计要求规范和标准；此外，还领衔制定了(ethernet for plant automation,EPA)国际标准。该标准在工业领域得到广泛应用。浙江中控通过完善企业标准，满足对于海洋石油工程中的特殊要求。中控产品可以达到海洋石油工程的标准要求，有实力承担海洋石油工程项目。

3.3国产中控系统技术参数

随着国产中控系统的不断发展壮大，性能参数也在不断地提升。目前和利时和浙江中控的系统规模以及技术指标如表1所示。

4国产中控系统的优势

在可靠性方面，国产中控系统经过这些年的稳健发展，不断吸收国外先进技术，在性能、功能和质量等方面全已与国际水平接轨。近几年国产中控以和利时与浙江中控产品为代表，成功投入重大项目运行后，系统的硬、软件运行状况良好，消除了国内很多企业的担忧；而且根据资料显示，各种事故并不多于进口中控系统。由此，国产中控产品已取得质的飞跃，具备与主流进口中控系统相当的竞争实力。

在响应方面，由于国外公司对于核心技术管理严格，中控系统核心部件出现问题时，往往需要到总部去调换，费时费力，响应缓慢。国内产品在这方面明显优于国外。

在开放性方面，国产中控系统容易实现一体化。例如国电庄河电厂EDPF-NT成功实现主辅控在内的一体化中控系统，减少不同系统间的数据通信及交换，几乎不存在与外系统兼容性问题，具有生产维护统一、方便等优点。

在价格方面，国产中控系统服务费用大大低于进口中控系统，总体维护费用也低于国外中控系统；而且国产中控品牌提升有利于打破进口中控系统对市场的垄断局面，降低了投资成本。

5结束语

国内中控系统经过这些年的飞速发展，根据ARC最新发布的《分布式控制系统全球市场调研》显示[11]，它们已经从中小型终端市场进入高端市场。虽然到目前为止，国产中控系统尚未应用到海洋石油工程，但其产品性能完全满足海洋石油工程对中控系统的各项要求，而且国内厂家的服务态度和到位及时性都明显高于国外厂家。因此，凭借国产中控的优势和国家大力倡导的核心技术国产化，国产中控系统应用到海洋石油工程中是必然趋势。

参考文献

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[2] 黄步余,范宗海,马蕾.《石油化工安全仪表系统设计规范》解读[J].石油化工自动化,2013,49(6):1-9.

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[4] 高伟,李子敏,万军.海洋油气田平台中央控制系统综述[J].西部探矿工程,2010,20(10):134-137.

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[11]Barry Young. 分布式控制系统全球市场研究报告[R].美国：ARC顾问集团，2012.

Application Trend of Domestic Central Control Systems in Offshore Oil Engineering

许建军

(中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300452)

摘要：海洋石油工程的中央控制系统具有高可靠、高稳定性等技术要求，国外的中控系统始终作为主流产品垄断我国海洋石油工程。为了改变这一现状，提出了中控系统的国产化要求。根据海洋石油工程对中控系统的特殊要求，对国产和利时和浙江中控的中控系统进行了调研，从国际标准和系统性能参数等方面分析了国产中控系统能否满足海洋石油工程的要求，并与国外产品进行了对比。对比结果说明，国产中控系统在海洋石油工程中的应用已具备可行性。

关键词：海洋石油设计标准国产化性能分析DCS安全仪表系统(SIS)紧急关断系统(ESD)火气系统(FGS)

Abstract：The offshore oil engineering has technical requirements of the high reliability, stability, etc., the central control systems of offshore oil engineering in our country are always monopolized by foreign mainstream products. In order to change this situation, localization of the central control systems is put forward. According to the special requirements of the central control system of offshore oil engineering, the central control systems of HollySys and Zhejiang SUPCON are investigated. Whether home-made central control systems can meet the technical requirements of offshore oil engineering or not is analysed based on the aspects of international standards, systematic performance parameters and so on. Comparing the home-made systems and foreign products, it is concluded that the feasibility of applying domestic central control systems in offshore oil engineering has been possessed.

Keywords:Offshore oilDesign standardDomesticPerformance analysisDistributed control system(DCS)Safety instrument system(SIS)Emergency shutdown system(ESD)Fire alarm and gas detector system(FGS)

中图分类号：TH7;TP29

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604002

修改稿收到日期：2015-05-06。

作者许建军(1971-)，男，1994年毕业于西安石油学院电子仪器与测量技术专业，获学士学位，高级工程师；主要从事数字油田方向的研究。