海上石油生产过程及安全控制系统虚拟化解决方案

中海油中国有限公司恩平油田 何启洪

海上石油生产过程及安全控制系统虚拟化解决方案

中海油中国有限公司恩平油田 何启洪

有人认为虚拟化技术是20世纪60年代以来最重要的一次IT革命，主要是因为IT技术为经济和企业发展创造了诸多有利条件。笔者对此深表认同，虚拟化技术不仅能够简化IT流程，还可用于企业经营的方方面面，下至降低能源消耗，上至实现关键应用的高可用性。石油和天然气行业的各大企业都在不断寻求减少风险和意外停车的方法，力求保持最高的运营效率，而虚拟化技术及其展现出的技术优势在此就显得非常重要。

虚拟化技术

利用虚拟化技术可以“封装”计算机，包括其操作系统和各种应用程序，使它能够在主机上轻松运行。例如，可以将笔记本电脑或台式机转换为一台虚拟计算机，从而能将它复制到另一台主机上运行。

虚拟计算机（或虚拟机VM）文件包含除硬件设备外一切启动运行应用程序所需的内容。若要运行虚拟机，需要借助虚拟软件层在虚拟机与主机硬件之间实现映射，包括网络连接映射、USB 端口映射，以及其他外围设备映射。图1说明了虚拟机 (VM)在主机上运行的工作原理。

图1 虚拟机在主机上运行工作原理

虚拟化技术与海上油气生产控制系统

虚拟化技术如此重要的原因之一在于：一套包括控制系统在内的海上平台或 FPSO（浮式生产储油卸油装置）的平均生命周期至少为20年。但是，控制系统的控制器及其他组件所采用的技术日新月异，尤其配套的计算机硬件和操作系统通常每3~5年或者更短就需要更新一次。而计算机工作站的升级周期略长，大约为5~7年，如果不及时升级，系统性能会有所下降，进而影响企业生产。

这是个很有意思的数学问题，因为海上油气生产的中控系统可以持续运行20年，而相应的系统支持技术却在不断更新换代。控制系统的升级过程非常复杂，成本高昂并且耗时较长，在系统迁移过程中，需要供应商不断提供支持才能重新安装所有应用程序软件，有些甚至需要重新升级控制系统。

图2所示为海上油气生产中控制系统的具体架构。中控系统是海上油气生产平台的核心部分，用于管理、监测和控制所有生产和安全应用的重要系统。这套集成自动化系统是海上油气生产平台的核心部分，包含过程控制系统（DCS/PCS）、紧急停车系统（ESD）以及火气系统（F&G）。中控系统通常需要配备多个工作站、工程师站和应用站，它们都使用一台装有 Windows 操作系统的工业计算机。

图2 海上油气生产控制系统架构

海上油气生产中控系统计算机工作站关注的一个主要问题是MTTR（平均修复时间），该时间最多为2~4周（部分原因是计算机工作站通常不会被视为备件）。完成订购后，维护工程师通常不能重新安装所有系统应用软件。因此，系统的运行维护就要按供应商的现场服务计划来安排，而由此产生的意外停车和额外开销则不可避免。

此外，缺乏技术资源也是一大难题，以操作员培训为例，培训成本非常昂贵（需要针对多个工作站）并且耗时较长。每个海

上油气生产平台通常只配备一名仪表控制工程师，而且在海上平台上很难按陆上资源协调服务，因此海上平台也很难获得及时有效的技术支持。

虚拟化解决方案的优势

考虑到以上技术难题，虚拟化技术对于海上平台中控系统的应用创造了巨大优势。虚拟化技术将会更改主机特定的软硬件平台，而装有操作系统和应用软件的传统计算机站则会变成文件。这些文件在一台通用主机上运行；一旦有新技术诞生，用户可以方便快捷地升级或更改这台平台主机。

这一理念如图3所示，图中展示了采用虚拟化技术的中控系统典型架构。在该架构中，维护工程师只需管理一系列文件，无需管理整个系统的平台。如果因任何原因导致系统部分停车，主机不会受应用软件影响，换言之，如果主机出现故障，维护工程师只需将相关文件复制到新主机上，很快即可恢复系统运行。这一转换过程无需致电供应商寻求支持，也不会中断生产。

图3 虚拟化技术的中控系统典型架构

图4所示的虚拟化解决方案适用于要求自动备份和冗余的应用，这是海上平台尤其是操作员的必备要求，以便在确保最长运行时间和最短操作中断的同时为人员、资产和环境提供最高级别的安全保护。

图4 虚拟化解决方案

虚拟化解决方案提供的完全容错功能适用于所有工作站应用。图5和图6介绍了如何借助容错选项在两个物理服务器上同步执行多个虚拟机，从而在发生硬件故障时实现无扰动故障切换。

图5

图6

结语

影响虚拟化技术在海上油气生产中控系统中应用的四大要点如下：

（1）理解升级周期。虚拟化有助于延长整个系统的使用寿命，因此用户可以制定升级周期，有计划且可预测地完成升级。现在，升级服务器工作站时不必考虑硬件问题，也不需要工程设计介入。

（2）了解局限所在。借助虚拟化，用户可以让多个应用安全地共享同一服务器，通过合并服务器实现更高的服务器利用率。

（3）评估管理需求。软件升级和补丁可以集中部署。故障客户端的复位和新系统的部署能够以同样的方式完成。灾难恢复也可集中进行，同时由于能够集中授予和撤消用户访问权限，安全性也得到了进一步加强。

（4）减少故障发生。采用物理服务器时，机器发生故障往往等同于停车或处于极大停车风险之下，而采用虚拟化技术时则不然。主机会对彼此及各自的虚拟机进行故障监视。如果虚拟机出现故障，它将自动在另一个具有可用资源的位置重新启动。

这意味着随着虚拟化技术与海上油气生产中控系统相结合，海上油气生产自动化领域将产生翻天覆地的变化。自动化供应商将会充分利用虚拟化技术的各项优势和最佳实践，这对于帮助石油和天然气企业了解虚拟化部署前需考虑的关键事项至关重要。

对于有意采用使用虚拟化技术中控系统的企业，这些最佳实践将有助于简化技术过渡过程并采取正确的步骤确保中控系统的可用性，从而保持生产持续进行。停车是海上生产的最大隐患，而虚拟化技术能够使系统的可用性得以提升，在增加可靠性的同时缩短停车时间并降低系统风险。

何启洪（1973-），男，广东肇庆人，工程师，工程硕士，现就职于中海油中国有限公司恩平油田联合开发项目管理团队设计工程部，主要研究方向为控制工程。