半潜式钻井支持平台中控系统集成技术研究

邹成业，侯玉乙，滕音文

(大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116005)

0 引 言

作为开发海洋油气资源的主力装备，钻井平台已经在全球广泛应用。随着石油价格持续低迷，如何降低海洋油田开发成本成为各石油公司急需解决的难题，选择一种经济、高效的钻井平台则是解决这个难题的重要环节。半潜式钻井支持平台具有日费率低、可变载荷大、适用范围广、安全灵活等特点，是一种优秀的深水海洋油气钻探装备，是应对当前市场的一种极具竞争力的解决方案。钻井支持平台这种概念始于20世纪40年代，经过半个多世纪的发展，相关技术已经成熟可靠。半潜式钻井支持平台由支持平台（Tender Support Vessel，TSV）和模块化钻井包（Mast Equipment Package，MEP）2部分组成，其功能是为其他深水油气生产平台提供MEP的储存、装卸，以及钻井所需的油、水、电、气和泥浆的供应服务。半潜式钻井支持平台作业模式见图1。

半潜式钻井支持平台中控系统是一套集信息管理、系统操作、综合监控、平台安全于一体的模块化分布式集成中央控制系统[1]，用于集中监测管理“TSV与MEP联合作业”与“MEP存放在TSV上”2种作业模式时的平台各系统运行状态和报警，以及设备的远程操控，是全平台的信息中心和指挥中心。构建一个这种高度信息化、自动化、网络化的控制平台，可以提高平台的作业效率、操作准确性和安全程度。目前，对于自升式钻井平台和半潜式钻井平台中控系统的技术研究已经较多，但是对于钻井支持平台的中控系统集成技术却鲜有介绍，本文旨在分析研究半潜式钻井支持平台TSV和MEP两部分中控系统的集成技术，为掌握半潜式钻井支持平台中控系统关键设计技术奠定一定基础。

图1 半潜式钻井支持平台作业示意图Fig. 1 Demonstration picture of semi-submersible tender support drilling unit operation

1 半潜式钻井支持平台中控系统组成

半潜式钻井支持平台中控系统（Integrated Control System，ICS）由综合自动化系统（Integrated Automation System，IAS）和安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）2个大类分系统组成，每个分系统都分为TSV和MEP两部分。2个大类分系统功能独立，又互有联系，每个分系统包括若干子系统，通过高速工业通信网络实现系统互联和数据交换。半潜式钻井支持平台中控系统采用分布式结构，由控制站、监视站、控制网络、控制机柜、现场远程I/O和现场仪表等组成[2]。操作人员通过位于控制室的控制站和位于高级船员办公室的监视站，对TSV和MEP进行全面的监控、管理，从而实现整个平台的监控一体化。半潜式钻井支持平台中控系统的组成架构如图2所示。

图2 半潜式钻井支持平台中控系统架构框图Fig. 2 Structure diagram of semi-submersible tender support drilling unit ICS

2 综合自动化系统

综合自动化系统是监测、控制、管理平台上所有设备的集中控制系统，可以存储历史数据和报警。其分为TSV和MEP两部分，它们各自独立，又互有联系。两部分IAS通过冗余以太网实现数据同步与共享，当冗余以太网连通时，两部分系统组成一个IAS系统进行工作；当以太网通信故障时，两部分系统可以各自独立运行，待通信恢复后自动同步数据。TSV部分IAS主要包括：压载控制系统、液位遥测系统、电站管理系统、HVAC监控系统、机舱设备监控系统和钻井低压泥浆监测；MEP部分IAS则只负责钻井系统监测。中控室和集控室设有控制站，可以实时监控设备运行状态和报警，并定期生成报表。在OIM办公室或其他高级船员房间设有监视站，没有控制权限，仅供高级船员了解平台状态使用。

2.1 压载控制系统

压载系统是平台船用系统中的一个辅助系统，在平台作业、拖航时，都需要注入或排出压载水来调节平台的吃水及其稳性，以保证平台的安全[3]。压载控制系统包括对压载泵、液压阀门、压载水管线、压载水处理系统和舱底水泵的远程监控。虽然当前科技水平已经可以实现根据现场传感器反馈信号进行自动压载控制，但是海洋环境复杂，平台作业状态调整频繁，为了确保压载控制安全可靠，操作人员更青睐在装载计算机的辅助下，通过IAS系统手动或半自动遥控压载泵和液压阀门，以实现指定压载舱达到目标液位。同时压载控制系统也可以监测压载系统设备和仪表的运行状态、参数和报警，对于出现的异常情况可以及时处置。

为了抑制吊运MEP模块时对平台稳性造成的过度影响，半潜式钻井支持平台配备了吊机负载补偿系统（Crane Load On/Off Compensating System，CLOOCS）。该系统在平台立柱内设置补偿舱，操作人员通过压载控制系统预先将压载水注入补偿舱，然后根据实际吊机负载情况，择机打开压载阀门，将压载水从补偿舱泄放至浮体内反向压载舱，使用压载水补偿吊机的负载转移，CLOOCS系统的监控界面如图3所示。

2.2 电站管理系统

电站管理系统是控制平台电力系统的关键系统，其主要功能有：1）发电机监控；2）负荷分配；3）功率限制；4）变压器预充磁控制；5）配电盘开关遥控；6）频率保护；7）优先脱扣；8）电力系统黑起。作为IAS系统的一个子系统，操作人员可以在控制站在线监视发电机、配电盘、变压器等电力设备的运行状态信息（包括：电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因素、发电机转速、绕组温度、开关合闸状态等）[4]，而且也可以执行选择发电机运行模式、启停发电机、开闭配电盘开关等远程操控。电站管理系统通过IAS系统冗余网路与钻井VFD配电盘建立通信链接，以获取钻井VFD配电盘的运行状态信息，供电力系统综合控制使用。

图3 CLOOCS系统电脑监控界面Fig. 3 CLOOCS HMI mimic

2.3 机舱设备监控系统

机舱设备监控系统是指除了压载系统、液位系统、电力系统、HVAC系统以外的平台船用辅机的集中监控、管理系统。其主要功能是监测辅机设备的运行状态和参数（包括：压力、温度、流量、电压、电流、功率、转速等）和设备故障（包括：公共报警、电源故障、压力高/低报警、温度高/低报警等），而且也可以通过控制站远程操控指定设备。对于某些油水驳运泵，机舱设备监控系统也可以根据现场仪表监测数据，按照预设逻辑进行自动控制，从而提高系统的自动化程度。该系统将基于P&ID图设计控制站Mimic图，确保监控界面尽量与现场工艺流程一致。

2.4 钻井低压泥浆系统监测

钻井支持平台的低压泥浆系统位于TSV上，MEP钻井作业时的泥浆来自于TSV，虽然低压泥浆系统的控制权限在钻井控制系统中，但是IAS系统仍可以监测低压泥浆系统的运行状态和参数，以便操作人员全面掌握平台运行状态（包括：输灰系统阀门开闭状态、泥浆管线压力、泥浆池搅拌器运行状态等）。而且灰罐的物位和泥浆池液位也需与其他油水舱液位数据一起发送到装载计算机，供计算平台稳性、制定压载方案使用。

2.5 MEP钻井系统监测

钻井控制系统和钻井仪表系统位于MEP上，它们可以全面监控钻井系统。为了使TSV操作人员可以掌握钻井状态，MEP IAS系统通过串行通信与钻井控制系统和钻井仪表系统互联，并将采集到的主要钻井数据发送到TSV IAS系统上（包括顶驱、大绳绞车、高压泥浆泵、防喷器、液压单元等设备的运行参数）。为了确保钻井安全，IAS系统只能监视钻井系统，但是不设置任何控制权限。如果TSV与MEP之间的通信链路中断，MEP IAS系统则可以临时存储钻井设备数据，待通信恢复后，再将这些数据同步给TSV IAS系统，供集中存储、记录。

3 安全仪表系统

安全仪表系统是集成中控系统的一个重要部分，由火气探测系统和应急切断系统2个子系统组成。该系统的主要功能是：1）探测——探测火灾和潜在危险气体泄漏或聚集；2）报警——触发报警，警示船员进行及时、适当的响应；3）保护——触发信号，手动或自动驱动有效措施，以隔离或减轻危险影响。半潜式钻井支持平台SIS系统的架构与IAS系统类似，TSV和MEP各自有独立的SIS系统，它们通过冗余以太网连接。当冗余以太网连通时，两部分系统组成一个SIS系统进行工作；当以太网通信故障时，两部分SIS系统可以各自独立运行，待通信恢复后自动同步数据。集控室设有安全控制站，可以实时监控TSV与MEP的火气报警和切断情况。MEP的SIS系统则与IAS系统共用司钻房内的触摸屏工作站进行安全监视，下文将对SIS系统的子系统进行简要介绍。

3.1 火气探测系统

火气探测系统是对平台可能存在的危险气体泄漏、聚集进行自动检测，并能对意外的危险火源进行报警的系统[5]，是SIS系统的探测部分。钻井支持平台火气探测器的选型、布置与其他钻井平台原理一致，但是火灾和气体报警区域设计时需兼顾TSV和MEP。发生火灾或气体泄漏时，火气探测系统将按照预设表决逻辑和火气报警区域划分将报警信号发送给应急切断系统，以进行下一步的切断。根据MEP总体布局，MEP分为司钻房、本地电气设备间和露天钻井区域3个火气报警区域。

3.2 应急切断系统

应急切断系统是SIS系统中的执行部分，该系统接收到火气探测系统报警信号或者操作人员手动指令后，按照预设逻辑进行设备切断或释放消防系统，从而实现隔离危险源或减轻危险影响，保证人员和设备安全。应急切断系统的手动切断分为以下4个等级：

1）3级切断：弃船切断，切断指定UPS；

2）2B级切断：切断应急发电机；

3）2A级切断：切断主发电机；

4）1级切断：切断除危险区和发电机室外的通风设备、焊接设备和室外插座。

应急切断系统收到火气探测系统报警信号后，将按照报警区域进行自动切断，并释放水雾、泡沫、水喷淋等消防系统。TSV作为钻进支持平台的主平台，而且MEP钻井作业时的危险程度远高于TSV，为此TSV的监控权限高于MEP，TSV可以切断MEP，而MEP不能切断TSV。当MEP钻井作业时发生危及平台安全的严重事故时，操作人员可以撤离到TSV上，并通过司钻房或人员过桥上的按钮将MEP及钻井作业彻底切断。应急切断系统逻辑旭如图4所示。

4 中控系统网络架构

图4 应急切断逻辑图Fig. 4 ESD system logic diagram

图5 半潜式钻井支持平台中控系统网络架构图Fig. 5 System architecture of semi-submersible tender support drilling unit ICS

半潜式钻井支持平台中控系统集成依靠高速工业通信网络实现各子系统的互联，其采用设备层、监控层、应用层3层网络结构，网络架构如图5所示。现场设备层处于整个中控系统的最底层，冗余Profibus-DP现场总线作为该层的骨干网络连接I/O模块、智能MCC、智能仪表等现场设备，采集现场各种传感器的信号，或者执行控制命令。Profibus-DP现场总线的传输速率从9.6 kbit/s～12 kbit/s，对于铜质电缆，总线电缆长度与传输速率相关，总得规律是传输速率越高，总线长度越短，越容易收到电磁干扰，基于传输速率的最大段长度参见表1。当传输速率不变，但需要增加总线长度时，可再总线中设置中继器，或者将通信介质改为光缆[6]。

表1 Profibus-DP现场总线传输速率与总线长度对应关系Tab. 1 Profibus-DP field bus correspondence between speed and cable length

监控层主要由PLC、现场触摸屏和冗余工业以太网组成，是承上启下的重要联络层。PLC是监控层的核心部分，一方面通过Profibus-DP总线连接现场设备层接收现场反馈信号，并发出处理后的操控命令；另一方面连接现场触摸屏，以实现各种设备仪表的现场监控；最后PLC通过冗余工业以太网建立应用层与监控层的链接。一个子系统（例如：TSV IAS系统）内工业以太网采用冗余星型结构，即采用双套交换机和冗余以太网链路连接相关节点。为了保证系统独立性和安全性的前提下实现中控系统的集成互联，IAS系统与SIS系统之间设置网关，从而形成整个中控系统的双环结构以太网。

应用层位于3层网络结构的顶层，监控站使用西门子WinCC软件作为客户端，可以通过冗余以太网分别读取TSV和MEP上服务器的数据，进行实时监控。此外，应用层还可以管理平台上工作人员信息、备份数据库，以及通过卫星通信将设备运行数据发送到岸上数据库，以便于石油公司管理[7]。

5 结 语

半潜式钻井支持平台作为一种高技术含量的深水油气钻探装备，其中控系统具有系统规模大、I/O点数多、控制逻辑复杂等特点，尤其是钻井支持平台分为TSV和MEP两部分，如何实现两部分中控系统的有效集成是一个设计难点。本文通过对半潜式钻井支持平台中控系统各子系统功能和网络架构的分析研究，论述了中控系统集成的基本设计原则，可以实现在保留各子系统独立运行能力的同时，将它们有效集成一体。随着科学技术的高速发展，今后需在此基础上对如何提高半潜式钻井支持平台中控系统的可靠性和智能化方面开展更深入地研究。