海上油气田仪控系统智能化方案探讨

张 颖，何骁勇，郑 伟，徐正海，钟雨桐

（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引言

油气行业的数字化、智能化转型，是企业提高核心竞争力和加快自身发展的必然要求，是时代发展的必然趋势。

海上油气田智能化建设旨在提高海上油气田数字化和智能化水平，提高设备可靠性和生产时率，减少现场操作维护工作量并优化人员配置，提高油田全生命周期效益。为生产指挥和经营决策提供数据支持，促进海上油气田生产业务的数字化转型。

海上油气田智能化建设涉及勘探、开发、生产、管理到决策各个环节，实现智能化的关键在于实现各个环节的全面感知、协同发展、科学决策及自主优化[1]。海上油气田仪表与控制系统作为海上平台感知与控制中心，在智能化建设中起着十分重要的作用。本文分析了海上油气生产平台仪控系统现状，并结合油田智能化建设目标，提出了仪控系统的智能化方案。

1 海上油气田仪控系统现状

仪控系统是海上油气田的生产与控制中心，是实现油气生产高度自动化与设备安全可靠运行的核心。海上平台仪控系统一般由中控系统、现场仪表、就地控制盘等部分组成。现场仪表负责生产流程参数的采集、感知，并执行中控发来调节动作；中控系统实施监测现场仪表数据，对工艺公用生产过程进行分析与控制，并监测平台生产、设施安全状态，在危险发生时及时采取相应措施以保护平台人员及设施的安全[2]。

目前，海上平台仪控系统自动化程度较高。现场仪表多选用带HART协议的智能仪表，但在HART仪表的智能化管理及应用方面尚存在改进空间。此外，仪控系统的优化控制、仪控设备的在线监测与诊断、智能化管理软件的应用等方面，也是仪控系统智能化的重点方向。

2 海上平台仪控系统智能化方案

仪控系统智能化方案主要通过对中控系统（PCS、ESD、FGS）、现场仪表/阀门、火气探测设备以及其它相关设备进行智能化提升，包括配置智能仪表管理系统，实现优化控制、现场的全面感知以及数据远传和远程控制等，提高油气田自动化能力，减少人员干预过程，提高控制可靠性，最终在油气田生产的整个寿命周期内提高经济效益和控制水平。

2.1 生产过程的优化控制

海上油气田生产设施仪控系统的自动化程度与产品性能一直处于国内领先、世界先进的水平。随着自动化技术和控制系统产品的不断发展，生产设施仪控系统的自动化程度与安全可靠性得到了很大的提升。目前，海上油气田生产设施控制系统基本上都采用常规的PID控制，中控系统具有一定的负责控制算法，采用智能或优化控制技术的平台很少，大量的生产数据没有被充分利用和挖掘。

优化控制[3]是海上平台仪控系统智能化的一个重要方向。优化控制可以通过对大量历史数据进行挖掘分析，获取生产过程不同层次的过程信息，并提供生产过程的更优控制方法，提高效率，降低能耗。主要包括但不限于以下几个方面：

1）采用多变量预测控制方法，为存在交互作用的工业装置提供先进控制和优化功能，保证工艺过程的平稳运行，并使工艺过程接近最佳操作点。

2）采用实时动态优化控制方法，保证控制系统在动态中的全局优化。不仅确定优化操作点，同时规划到达该优化操作点的最佳路径。

3）针对PID较难控制场合的模型预估控制方法，如利用分析仪产生不连续信号的控制问题，存在长时间滞后的过程控制，罐的液位控制等。

4）针对复杂控制过程的优化控制，如分馏塔等工艺过程的优化控制。

2.2 仪控系统的智能监测与管理

海上平台控制系统是一类由被控对象、传感器、控制器和执行器组成的大规模、复杂系统，包含上百个控制回路。仪表与控制系统是整个平台的生产及控制中心，是实现油气生产高度自动化与设备安全可靠运行的核心。仪控系统能否正常运行，关系到平台能否安全生产与作业。

因此，仪控设备的智能监测与管理，控制系统的在线监测、故障预警及诊断，具有重要的应用意义。

1）仪控设备的智能监测与管理

由于容错控制技术的成熟，再加上在海上平台仪控系统设计中对安全完整性等级（SIL）以及冗余设置的要求，使得控制器软、硬件可靠性已达到了较高水平，传感器和执行器的故障成为目前控制系统失效的主要原因。

目前，大部分海上平台已配备带有HART协议的智能仪表，中控系统配置智能仪表管理系统[4]，可以在线获得带有HART协议的现场仪表和阀门的过程信息及诊断信息，实现对智能现场设备的智能化管理，包括在线组态、调整、校验、诊断等，主要包括以下功能：

① 系统组态：在线进行智能仪表组态修改并记录相关事件。

② 在线状态监测与报警：在线监测与系统相连的智能仪表健康状态（如HART协议仪表、阀门定位器等）；在线诊断仪表故障信息（如仪表无反应、传感器老化故障、导压管堵塞等）；智能仪表报警检测组态，提供声光报警并在数据库中自动记录报警事件。

③ 校验管理：快速完成回路测试、联锁调试，并自动生成仪表状态报告，自动进行校验管理。

④ 阀门管理：实现阀门的专家诊断分析功能，如摩擦力以及死区变化分析，是否卡涩、阀门跟随特性、弹簧预紧力，阀杆行程、填料状况、阀座状况、阀门流通特性力等，及时发现阀门隐患及故障原因，实现预防性维护，提高生产时率。

⑤ 自动记录管理：自动记录与智能仪表设备相关的所有事件和报警，包括组态记录、校验信息、诊断信息、报警及维修信息等，便于操作人员从历史信息中寻找高风险点。

2）控制系统的在线监测与诊断

尽管控制系统可靠性已达到较高水平，但控制系统长时间工作于复杂环境中，一旦故障，造成的生产及安全上的影响巨大。因此，控制系统的在线监测与诊断也是一个重要的研究方向。

控制系统状态的在线监测主要包括控制系统负载率、卡件连接、信号状态、疲劳状态等的在线监测，并对控制系统产生的故障及时报警，并给出操作指导。

2.3 智能化管理软件的应用

海上生产设施中控系统存储有至少1年的生产过程中产生的历史数据，包括关断、报警、调节等数据，利用现有的智能化分析软件，充分挖掘历史数据中的内在信息，为生产决策提供支持，是智能化建设的一个重要方向。如报警管理、安全生命周期管理等。

2.3.1 报警管理

报警管理可通过制定完整有效的报警设计流程和管理策略，实现报警信息精细化管理，帮助识别风险，识别出在工艺过程、控制和操作方面需要改进的地方，及时发现问题，并给出处理建议，保证生产的安全和稳定运行。

报警管理系统具有以下功能：

1）报警优先级定义：定义报警优先级，对高优先级的报警优先展示。

2）报警历史管理：报警数量、原因统计分析（包括反复报警和瞬时报警的定位和分析、顽固报警定位和分析等）。

3）报警事件过滤：提供多级过滤机制，剔除无效无用报警信息。

4）报警指导：分析报警原因，并对操作员处理报警时需要确认事项及操作步骤进行清晰地指导。

5）报警信息诊断分析：通过最频繁报警和最持久报警来识别滋扰报警，找到生产过程中的不稳定环节和瓶颈点，通过报警之间的相互关系来识别同源报警。

报警管理可解决生产过程中可能存在的以下问题：

a）报警过载：报警点配置较多导致的报警过载现象，操作人员需要处理的报警信息较多。

b）报警信息掌握不全面：当单个设备触发报警时，上游设备和下游设备可能会发生报警传递，形成一条因果链，可能导致短时间内突然产生大量报警信息，不利于操作人员及时掌握报警信息。

c）报警干扰：关键报警信息被其他次重要的报警信息干扰而不能突出显示，不利于操作人员对关键异常工况迅速做出反应。

d）缺乏操作指导：报警发生后，高效、准确的报警操作指导对安全和稳定运行具有重要作用。目前，报警发生后需依靠操作人员经验进行操作，缺少有依据的报警指导。

2.3.2 安全生命周期管理系统

安全仪表系统是保障工业过程安全生产的重要措施之一，对安全生产具有重大意义。安全仪表系统的运行维护与管理，贯穿了石化装置的整个生命周期。

安全生命周期管理系统可实现对安全仪表系统全生命周期的管理，通过导入生产流程模型、SIS系统设计、SIL分析内容，构建出平台安全仪表系统模型。在生产过程中对SIS系统所有操作、所有独立保护层进行监控，通过分析提供决策支持，确保安全仪表系统高效运行。

安全生命周期管理系统可实现以下主要功能：

1）自动生成关断及SIF回路报告。

2）监控所有的独立保护层状态。

3）旁路状态管理。

4）SIF回路安全功能贡献率统计。

5）SIF回路性能评估。

6）实际风险评估。

7）提供改进建议，以减少SIF回路动作次数。

设置安全生命周期管理系统，实现对安全仪表系统的监控管理有助于减少维修工作，降低维修成本，提高生产时率。

3 结术语

仪控系统是实现油气生产高度自动化与设备安全可靠运行的核心。采用智能化手段实现对仪表设备、控制系统的高效管理，有助于提高仪控系统的可靠性，提高油气田全生命周期效益，为安全、高效生产保驾护航。