海上平台控制系统无人化研究

陈叙伸

[摘    要]现役海上平台要实现网络化、数字化、智能化，如何发展先进技术成为十分重要的命题。为了达成这一目标，考虑到海上环境的复杂性以及生产的不确定性等影响，需要进一步降本增效，提升平台经济性，通过自动化和数字化，使海上平台实现无人化生产平台。为了能在无人情况下更好地操控平台流程，解决现场问题，及时恢复生产，要开展控制系统无人化研究，实现系统远程操控，保证平台高效稳定的生产运行。

[关键词]海洋平台;控制系统;无人化;远程操控

[中图分类号]TE95;TN948.6 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）03–00–03

Research on Unmanned Control System of Offshore Platform

Chen Xu-shen

[Abstract]Active offshore platforms are required to be networked， digital and intelligent. How to develop advanced technology has become a very important proposition. In order to better promote this goal， taking into account the complexity of the marine environment and the impact of production uncertainty， further reduce costs and increase efficiency， improve the economy of the platform， and realize the unmanned production platform of the offshore platform through automation and digitization. In order to better control the platform process， solve the on-site problems， resume production in time， carry out the research on the unmanned control system， realize the remote control of the system， and ensure the efficient and stable production operation of the platform.

[Keywords]offshore platform; control system; unmanned; remote control

現役平台部分设备及流程在设计之初是无法在中央控制系统内进行远程的监控及手动操作，或者在出现误关断等情况下，操作人员必须到达现场进行现场手动操控或者重启复位流程。鉴于海上平台环境的复杂性以及生产过程中的不确定性，在环境恶劣等特殊情况下，操作人员无法及时进行现场操作，那么海上平台由于无法及时操作和复产，从而会使整个油田产量受到较大的影响。尤其是无人平台，在冬季，大风天气较多，加之浮冰的影响，如出现特殊情况，难以在短时间内到达平台进行操控。为了降低平台全生命周期的运维操作成本，延长平台经济年限;减少人员现场操作，减少人员安全事故及环境污染，保证人员安全;提高平台的自动化程度，减少人员操作工作量;保障平稳生产对平台产量的影响、对整体油田的经济效益、对国家的社会责任均有着重大的意义——鉴于此，需通过自动化技术和数字化技术使平台诸多生产环节无人化，实现海上平台无人化，通过有人平台进行远程操控。为了能在平台生产时全方位监控工艺流程，并在产生关断后能够及时解决问题并恢复生产，更好地实现平台无人化，就要针对控制系统开展研究，实现系统的远程操作并实现平台无人化。

1 控制系统介绍

海上平台在保证人员和设施安全、防止环境污染的前提下，为满足开发和生产要求，方便油田的操作和管理，同时考虑安全可靠、经济实用、控制管理灵活方便等原则，设置独立的控制系统，自主完成平台的过程控制（PCS）、应急关断（ESD）和火气探测报警（FGS）功能，一般设置1套过程控制系统、1套应急关断系统，1套火气系统。欲实现控制系统无人化，可在控制系统间内保留1台工程师站兼操作站，用于系统调试和巡检期间操作功能。通过系统集成手段，3套控制系统共享人机接口和数据通信网络。控制系统的选择和组合应符合开放的、规范的通信协议。过程控制系统的CPU模块、电源模块、通信模块和数据通信总线等采用1∶1冗余;应急关断系统和火气系统的CPU模块、电源模块、通信模块、数据通信总线和所有I/O卡件均采用1∶1冗余配置。控制系统需完成实时显示生产流程、各系统工艺参数及主要设备运行状态，通过声光报警形式显示平台生产和安全的异常状态，并打印记录备案，需定期打印生产报表;对平台整体生产流程进行监控，在线设定、修改控制参数，完成各系统控制功能;具有自诊断功能，可对控制系统的工作状态进行监视和诊断，并以声光报警形式显示其异常状态;自动/手动执行应急关断逻辑，保证人员、设施安全及保护环境;显示平台火气探测设备及涉及消防功能各设备状态，在出现火灾和危害气体泄漏时能够通过声光报警，自动/手动执行安全仪表系统内控制逻辑;根据生产和管理的需要，配置足够容量的存储器，保存信息和历史数据（图1）。

2 流程无人化方案

为了实现平台流程无人化运行，使流程与控制系统更好地配合，需要针对性地对平台工艺流程进行优化改造。根据平台工艺流程的特点以及平台操作人员作业安排，如现场巡检、流程参数记录、系统操作报表等相关工作的周期以及一些针对应急处置作业需求，如平台停产后的工艺系统维护、工况记录和复产前的一系列操作等，确定各个工艺流程对控制系统的重要程度，进而增加相关设备，以便系统有针对性地进行远程监控。为了实现以上功能，井口套管需增加压力变送器，保证对井口压力的监控，确保生产流程的正常进行;化学药剂系统增加压力变送器、流量变送器等，并将信号送入控制系统实现远程监控，并增加远程启动化学药剂泵功能，保证化学药剂的稳定注入;测试计量管汇上增加压力变送器和温度变送器，并将信号送入控制系统实现远程监控，通过增加变送器，将控制系统信号远传，减少人员现场巡检监控记录相关参数，在保证相关数据能及时监控的同时，增加了人员的安全性;开排系统泵启动在手动启动的基础上，通过增加液位变送器及开关阀实现自动启停功能，由于开排槽需作业人员现场巡检并定期进行排液保证流程顺利进行，远程监控和启停降低和防止了相关事故以及污染的可能性;滤器配置差压表改为差压变送器，并将信号送入控制系统实现远程监控，以便滤器在出现堵塞等相关工况下能及时在控制系统上反馈，提醒操作人员尽早处理，保证生产的顺利进行;根据现场具体情况增加仪控接线箱，将远传设备信号进行汇总，通过“点对点”方式将信号接入控制系统;海管上增加压力变送器，在保证信号能及时传输到控制系统进行监控外，多个变送器形成表决，能更准确地检测海管工况，保证在出现特殊工况下完成关断。

3 控制系统无人化方案

为了实现远程操控的功能，需要在现有控制系统中设置有人与无人的就地切换模式，以避免操作人员在现场维护时因远程操控造成人员伤害。平台远程操控的功能，除了仪控设备外，电气设备、通讯设备、暖通设备等也需要进行适应性改造。为了配合此部分改造，对现有控制系统需要进一步的扩容，以便接入改造后的各方接口。除此之外，还需对控制系统的负荷和供电进行校核和适应性改造，以满足改造的需求。为了实现以上要求，将新增设备点位接入过程控制系统，根据实际运行情况修正部分设备上的压力变送器设定点;将火炬系统的手动开关功能改为远程开关功能，并增加相关监控信号，在平台无人化后，保证能实时监控火炬情况，防止出现气体排放，造成事故及污染的情况，保证平台安全;对雾笛系统进行优化，将相关信号引入控制系统，实现控制系统可启动雾笛系统;在相应有人平台上设置新的上位机用于监控无人化平台的相关数据并进行操作，可通过上位机对无人化平台进行远程监控关断功能，并将无人化平台操作盘信号通过控制系统传输至新增上位机，确保有人平台对其的实时监控，保证所有功能的使用;需保证上位机可对消防系统进行远程操作功能，保证平台在无人情况下出现火灾工况下消防系统的正常使用;根据平台运行的相关规定及要求，对“台风模式”和“非台风模式”相关逻辑结合平台无人化进行优化，并在上位机中增加相关组态画面、点位，保证平台在特殊天气等工况下及时关断相关设备，确保平台安全，减少环境污染;平台电气开关状态信号传入控制系统，不间断电源（UPS）相关信号利用电源管理系统（PMS）和控制系统上位机进行监控，实现对平台供电盘及应急机的监控、关断等一系列操作，保证在有人平台对无人化平台电气系统的安全监控;需考虑两个平台间的通讯故障情况，对无人化平台控制系统逻辑进行优化，实现当有人平台与无人化平台间出现通讯中断，并持续一定时间后，无人化平台采取应急关断等相应措施;控制系统中火气系统与平台监控系统联动，实现当出现火灾与可燃气泄漏等紧急工况时能够自动对相应区域进行定位，通过视频、火气探测设备综合进行探测与报警，无需操作人员进行逐个排查寻找，提高应急响应速度，快速确认报警区域，第一时间得到现场实际情况，极大降低现场确认的风险（图2）。

为了实现以上功能，切实解决问题，满足各个系统的需求，在完善各个功能的同时，需根据平台控制系统现有情况，对控制系统进行升级完善。以海上某平台为例。目前平台控制系统已运行十余年，虽系统常规运行可以满足使用要求，但是产品老旧，软件版本已无法迭代更新，控制逻辑优化修改较为困难;控制系统内PLC及配件在市场中已无全新备件，若出现硬件故障，则只能通过相同系列的二手产品进行维修，很难保证运行可靠，可能会存在隐患;由于平台经历过多次改造，现有系统机柜内已无空间进行改造。为了实现控制系统无人化，并进一步升级控制系统的运行能力，需从多个角度考虑控制系统的优化方案。

若考虑减少平台变更内容，可在平台新增1套独立的控制系统。作为远程操控新增信号的控制系统，其与平台现有控制系统相互独立，各自运行。通过新增系统对无人化内容进行控制，并在有人平台设置远程上位机，通过微波或者海缆光纤与有人平台上位机实现数据互传，实现有人平台对其的监控与操作。这个方案成本低，平台改造量小，原系统与新增系统实现功能互补，相对稳定可靠。但是，未能彻底提供和完善平台控制系统的整体性能，部分设备需由原系统迁移至新增系统进行控制，有一定的误操作风险，并且老系统的变更有可能会影响设备的运行。由于涉及了多套控制系统，且需与有人平台进行通讯，虽架构理论可行，但是应用较少，有一定的风险。新增系統需要占据平台本就相对紧张的空间，用于布置新增机柜等设备。为了减少风险，可考虑将平台整套控制系统更换为新的控制系统，对平台控制系统实施全面改造，并将现有系统内容与无人化改造内容进行合并完善，通过在有人平台设置远程上位机，通过微波或者海缆光纤与有人平台上位机实现数据互传，以达到有人平台对其的监控与操作。相较于前1个方案，可以全方位地提升平台控制系统的性能和稳定性，新系统的安全标准更适用于现今的规范要求，易于维护以及后续改造。但是其成本将高于前一方案，对平台的改造量较大，施工难度较高。为了减少停产时间甚至不停产，人员需要在有限的时间内完成改造，在陆地阶段需将大部分工作完成，海上人员需要提前对控制系统及电缆线路链接进行熟悉了解，对施工人员与系统厂家都提出了很大的挑战。

相较于示例平台，若平台控制系统较新，可以满足机柜改造和程序下装时，则对控制系统进行扩容改造。将无人化改造点位及逻辑下装至平台现有系统，对改造内容进行整合。并且需要在有人平台放置远程上位机，实现数据互传。

4 结束语

海上平台控制系统无人化可实现操作人员在有人平台对无人化平台流程进行实时和全面的监控，并在出现某些关断情况时，操作人员可在有人平台对无人化平台控制系统进行及时的远程复位及远程复产，减少长时间停产对各方的影响。随着平台无人化建设，降低海上平台的投资和运维成本，实现油气生产的健康、安全、环保，延长油田的经济年限，提升了平台的自动化和智能化，具有较好的应用前景。

参考文献

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[2] 何衍庆.集散控制系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3] 谭红莹，刘健，司红涛，等.海上无人井口平台设计方案研究[J].盐科学与化工，2021，50（11）：38-40.