海洋石油化工仪表中的自动化控制探析

文/李卓威（中海油能源发展装备技术有限公司南海工程分公司）

一、前言

全球海洋油气资源丰富，据粗略统计，海洋石油探明储量约380亿吨，海洋天然气资源约140万亿立方米，其中30%分布在大陆坡的深水、超深水域。历经近50年的开发，陆地与浅海区域的探明油气资源越来越少，为满足市场需求，主流石油公司已经转战深海区域。深海石油勘探开发存在资源生产难度高、外界条件限制大、设备设施投入高、安全风险系数大等困难。通过应用石油化工自动化仪表可以精准应对深海石油勘探、开发所面临的困难，提升深海石油生产效益和安全系数。近年来，自动化控制技术愈趋成熟、应用愈加广泛，其与生俱来的技术红利将在深海资源开发领域继续释放不可限量的潜力。

二、海洋石油化工仪表自动化控制技术特征

在自动化控制技术发展的背景下，将其应用在海洋石油化工仪表中可以进一步促进生产，海洋石油生产风险高、投入多，要降低生产风险，提升生产精度，只有应用自动化控制技术，方可实现海洋石油化工生产技术的突破[1]。自动化控制仪表和自控系统是化工仪表自动化控制技术实现的关键。智能仪表在化工生产工艺流程中无须人工操作，可自动运行并自行对生产工艺流程进行监测和控制。自控系统通过将自控仪表进行有机整合并实施自动控制。该项技术有效缓解人工操作延迟、记录误差等问题，较大程度上避免人员误操作的可能，实现进一步优化成本结构，释放现场操作人工成本。应用自动化控制技术可大幅提高生产系统的安全性。因其具有可编程性这一先天优势，应用区域及功能等方面延展的潜力非常大，能够应对控制日渐复杂的生产过程的需求。自控系统还具有全局监督及数据记忆的功能，通过计算机配置，自动记录生产过程中智能仪表反馈的数据信息，通过人工进行后台数据分析，对于传统仪表无法解决或无法察觉的问题，可以通过智能仪表及时发现并妥善解决。同时对于生产过程中存在的故障隐患进行监督并对故障点进行精准定位，有效减少故障排查时间，极大限制故障影响范围，有效避免危情发生。自动化控制技术的应用，不仅实现生产工艺流程的自动控制，而且在生产故障发生的最初能够及时报警，保证生产流程的安全，并根据危险等级对相关生产流程区域进行关停、隔离，有效减少安全事故的发生，大幅提高海洋石油生产安全系数，对于保证海洋石油产业整体效益意义重大。

三、海洋石油化工仪表控制的类型

（一）传统控制型

传统控制型是最基本的仪表类型，传统控制型的石油化工仪表在实际应用中虽然总体效果较佳，但是存在监控不集中、分散性较强、观测精度易受外界影响等劣势，近年来海洋石油资源开发规模的逐渐扩大，对自动化监控、精度、时效等方面的要求相应提高，传统仪表的劣势日渐凸显。随着社会经济水平的不断发展，市场对石油生产量的需求也逐渐增高，传统控制型已经落后于实际生产要求且难以满足更大规模的石油生产，因此必须要针对传统控制型仪表的精度不够、稳定性较弱、监控分散等短板进行技术上的革新。加大研发投入，提升智能化水平和自动化水平，深入研究自动化控制技术以及开发自动化监控系统，进一步提升海洋石油生产总体水平势在必行。

（二）集散式控制型

与陆地石油油田开发相比，海洋石油油田需要克服海洋环境的影响，台风、巨浪威胁生产人员的生命，潮湿、盐雾影响生产设备的寿命。正因海洋环境的特殊，海上油气开发的投资成本一般是陆地油气开发投资的三到五倍，成本主要集中在海洋石油开发设备、装备的设计与制造上，在海洋要使用特殊的仪器设备，石油化工仪表便是其中之一。随着技术发展，集散式控制型的石油化工智能仪表得以衍生，有效提升了生产效益。集散控制型智能仪表以微处理器为核心，通过计算机实现集中管理，具有可靠性高、系统结构合理等特点，虽然处理的信息量较小，但其中一部分系统出现故障并不会影响全局。当管理计算机故障时，不同系统仍可以进行独立控制。由于数据已进行预处理，因此需要处理的数据量降低，减轻微型机的负荷，进而提高系统的控制效率。智能仪表继承了传统控制仪表系统的优势，也突破了传统控制系统的局限，大幅提升了海洋石油化工仪表控制的自动化水平，推动了海洋石油化工仪表控制系统的智能化发展。在集散式控制系统的应用下，虽然解决了传统控制系统的问题，但是仍存在一定局限，智能仪表虽然可以通过系统呈现生产流程中的各项数据，但是无法保证数据的连续性，在实际中往往要边生产边测量，也就是采用分段控制的模式[2]。在海洋石油生产中，由于设备种类繁多，实际应用中存在兼容问题。比如，集散控制型智能仪表无法和加强型智能设备实现完美的联合应用，虽然精度、效率均有提升，但是存在数据中断的情况，因此无法实现连续监控。如果在生产中强制将两者进行联合使用，将会造成生产资源的浪费，加剧生产流程的复杂程度，无法完全实现自动控制的根本目的。

（三）现场总线控制型

现场总线控制系统是一种通过开放式通信网络实现全分布控制的系统，将各种作为网络节点的智能设备通过总线进行有机联系成网络系统，再通过系统配置构建自动化控制系统，实现显示、调控、监控、报警、记录、优化配置及管控集成化的综合自动化功能。总线控制型仪表更加智能化，且体积更小，便于操作，在实际应用中开放性的特征也更加明显。在石油化工仪表控制系统中，总线仪表在元器件选择上都经过了层层筛选，在软件上采用成熟的嵌入式操作系统，运行平稳，响应及时，完全可以适用海洋石油生产要求。总线智能仪表由电机驱动的仪表盘、高亮的LED符号片、液晶彩屏、按键、蜂鸣器、实时时钟组成，在操作过程中，其处理器运行十分迅速，可以完成多任务扫描，仪表运行过程中作业连续，可以满足海上石油规模化生产[3]。总线控制型的海洋石油化工仪表可靠性极强，在设备功能与操作技术上更加智能化、成熟。相较于集散控制型自动化系统，总线系统仅需一对信号电缆便可连接多台智能仪表、通过数字通讯技术实现双向通讯和多数据传输、采用分散虚拟控制站实现现场仪表设备的自行控制。由于总线系统的构建基于开放、标准化的原则，因此彻底修正了由集散控制型系统专用网络的封闭所造成的缺陷。通过现场总线型控制系统应用，加强石油生产的智能化，保证安全生产系数，提高石油生产效率，优化石油生产质量，提升海洋石油生产企业的综合效益。

四、自动化控制技术在海洋石油化工仪表中的应用

（一）集散型控制系统的应用

海洋石油行业目前广泛使用集散型控制系统，在生产工艺流程中进行自动监控，对生产流程中各环节实时监控，及时获取最新生产参数资料，员工据此数据进行分析后通过后台系统及时调整各环节的参数配置，对生产过程中某环节进行针对性调整，实现优化生产、提高质量与效率。生产管理人员利用集散型控制系统的远程管理，结合智能仪表和自控系统的自动化，通过分散控制、集中操作，实现优化生产管理结构，提高管理水平和效率，降低管理成本，大幅降低员工工作强度，减少人为误操作的可能。集散型控制系统将应用在各生产流程的智能仪表所反馈的数据信号，利用冗余技术和报警策略进行自诊断处理，对生产设备和流程故障进行判断和处理。同时，通过系统配置进行联锁故障报警、紧急停车等动作，当故障出现立即警报，危情发生自动停车，实现故障第一时间处理，危情第一时间遏制，将危害影响范围控制在最小，将损失程度控制在最低，防止发生严重的安全事故，保护海洋石油产业的整体效益。

（二）检测智能仪表的自动化应用

海洋石油生产流程中各环节的生产数据，由智能仪表检测采集后以电信号形式通过电缆传输回控制系统再进行处理与呈现。智能仪表的应用，解决了当遭遇恶劣环境条件下无法进行现场检测、记录的痛点，通过对控制系统实时呈现的生产数据进行生产状态分析，及时对生产流程进行调整，不受传统仪表局限，促进了海洋石油生产的稳定与安全。

（三）人机交互应用

在海洋石油化工仪表的应用中结合自动化控制技术可以实现人机交互，从而帮助生产人员监控生产全过程，通过计算机技术将人机联系在一切，同时融合电子通信技术、智能化处理技术、视频监控技术等先进技术，实现各种生产设备和生产人员的实时交流、人机互动。在传统海洋石油生产中，传统石油化工仪表控制系统是采用“一对一”的生产控制模式，但是利用自动控制技术可以实现“一对多”的控制模式。在应用时，通过中央控制室的显示屏将实时生产信息传递给生产人员，对生产流程进行远程化操作，保证生产动态获取的实时性和准确性。有效提高生产效益，减少人员投入，保证海洋石油有序生产和人员安全。

（四）自动化监控功能应用

海洋石油生产风险高，不确定因素多，海洋石油生产人员生命安全相比陆地油田要经受更大的考验，因此应用自动化监控技术十分必要。通过智能仪表和自控系统的结合，实现对生产流程的实时监测和远程管控，对生产过程中的风险进行动态化把控。

应用自动化监控技术，保证了海洋石油化工生产安全，有效控制生产过程中的安全风险，全面提升生产质量与安全系数。

五、结语

自动化控制技术在海洋石油产业中起着重要的作用，通过自动化监控及主动故障处理等技术，提高石油生产效率，加强生产整体的可靠性和安全性，优化生产管理结构，提高管理水平和效率，降低岗位员工作业强度，减少人为误操作的可能等。

自动化控制技术是海洋石油产业升级的关键，仪表和自控系统是自动化控制技术的基础，仪表的智能化、多功能化发展和自控系统的网络化、现代化发展都至关重要，两者优化对石油产业的提质增效有着立竿见影的效果，因此加强研发、优化设计，促进自动控制水平再提高，以此带动海洋石油产业再升级，让海洋石油产业成为我国经济腾飞的生力军。