國產(chǎn)中控系統(tǒng)在海洋石油工程中的應(yīng)用趨勢
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許建軍
（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）
摘要：海洋石油工程的中央控制系統(tǒng)具有高可靠、高穩(wěn)定性等技術(shù)要求，國外的中控系統(tǒng)始終作為主流產(chǎn)品壟斷我國海洋石油工程。為了改變這一現(xiàn)狀，提出了中控系統(tǒng)的國產(chǎn)化要求。根據(jù)海洋石油工程對中控系統(tǒng)的特殊要求，對國產(chǎn)和利時和浙江中控的中控系統(tǒng)進行了調(diào)研，從國際標準和系統(tǒng)性能參數(shù)等方面分析了國產(chǎn)中控系統(tǒng)能否滿足海洋石油工程的要求，并與國外產(chǎn)品進行了對比。對比結(jié)果說明，國產(chǎn)中控系統(tǒng)在海洋石油工程中的應(yīng)用已具備可行性。
關(guān)鍵詞：海洋石油設(shè)計標準國產(chǎn)化性能分析DCS安全儀表系統(tǒng)(SIS)緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)火氣系統(tǒng)(FGS)中圖分類號：TH7；TP29DOI:10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201604002
0引言
隨著海工裝備作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)被納入國家“十二五”規(guī)劃，以及海洋油氣成為國家能源戰(zhàn)略的重要部分，可以預(yù)見我國海洋石油工程產(chǎn)業(yè)在未來十年將迎來蓬勃發(fā)展期。中控系統(tǒng)作為海上油氣田開發(fā)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是海上油氣田各種開發(fā)設(shè)施的大腦和安全衛(wèi)士。中控系統(tǒng)不僅檢測和控制海上油氣田各項生產(chǎn)、公用設(shè)備的正常運行，還對各種意外事故進行實時監(jiān)測。一旦出現(xiàn)危險狀況，系統(tǒng)將在第一時間進行報警并經(jīng)過系統(tǒng)邏輯自動進行控制處理，以便將不安全的因素控制在最小的范圍內(nèi)，從而保障海上油氣田的生產(chǎn)安全，確保人員、設(shè)施的安全。只有中控系統(tǒng)發(fā)揮良好，才能保障海上油氣田得以順利地開發(fā)。
1 中控系統(tǒng)的構(gòu)成
海洋石油工程的中控系統(tǒng)包括集散控制系統(tǒng)( distributed control system，DCS)和安全儀表系統(tǒng)( safety instrument system，SIS)兩大部分，其中SIS又包括緊急關(guān)斷系統(tǒng)（emergency shutdown system，ESD）和火氣系統(tǒng)( fire alarm and gas detctor system，F(xiàn)GS)。DCS和SIS兩大系統(tǒng)是獨立的，互不依賴，但共享操作員站、打印機和通信設(shè)備。中控系統(tǒng)如圖1所示。
1.1集散控制系統(tǒng)(DCS)
集散控制系統(tǒng)又叫分布式控制系統(tǒng)，是一種集計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)于一體，實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程集中監(jiān)視、操作、管理的計算機控制系統(tǒng)。DCS主要由工程師站、操作員站、打印機、DCS主控制器、從控制器以及現(xiàn)場表組成，如圖2所示。操作員站主要實現(xiàn)人機界面的功能。DCS控制站是集散控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要控制功能由它來實現(xiàn)。
1.2安全儀表系統(tǒng)( SIS)
海洋石油工程中的SIS由FGS和ESD兩部分組成。SIS -般處于靜態(tài)運行的狀態(tài)，只有在確定存在危險狀況的條件下，才會采取ESD緊急關(guān)斷，使人員和設(shè)備處于安全狀態(tài)。
1.2.1火氣系統(tǒng)( FGS)
FGS能夠準確及時地探測到可能發(fā)生或己經(jīng)發(fā)生的火情或者可燃氣及有毒氣體的泄漏，以及時采取必要的安全措施（如報警、應(yīng)急關(guān)斷、消防等）來保護人員及生產(chǎn)設(shè)備的安全。火氣系統(tǒng)接受現(xiàn)場探測儀表的信號并判斷，一旦確認發(fā)生危險或者逾時未確認，會立即發(fā)出火氣報警信號，同時啟動相應(yīng)的ESD關(guān)斷。
1.2.2應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)( ESD)
海洋石油工程中，相對集中的平臺工作人員和生產(chǎn)設(shè)備處于易燃易爆的危險環(huán)境中，因此對系統(tǒng)安全控制要求特別高。為了保護平臺人員和設(shè)施的安全，防止海洋污染，必須減少事故并將可能的事故損失降到最低。海上油氣田通常都設(shè)置專門的ESD。一旦發(fā)生危險事故，ESD將自動執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急關(guān)斷邏輯，避免事故的擴大化或災(zāi)難性事故的發(fā)生，以保障海上油氣田人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全，減少損失。
2海洋石油工程中控系統(tǒng)設(shè)計標準
1975年美國Honeywell公司推出TDC - 2000控制系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，控制技術(shù)日趨成熟，并且形成了標準體系。中控系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)需要遵循國際標準化組織( ISO)、國際電工委員會(IEC)和國際電信聯(lián)盟( ITU)制定的相關(guān)標準，以及國際標準化組織確認并公布的其他國際組織制定的相關(guān)標準。其中，海洋石油工程中對中控系統(tǒng)的標準要求可以歸納為以下三個層次。
第一層次，有關(guān)海洋石油工程中控系統(tǒng)安全重要儀表和控制系統(tǒng)在設(shè)計、建造和運行各階段如何滿足中控系統(tǒng)設(shè)計安全要求的標準，其作為中控系統(tǒng)的頂層標準，具體有以下主要標準。
(1) IEC 61508。該標準基于安全相關(guān)系統(tǒng)的可靠性，是安全相關(guān)系統(tǒng)功能安全的基礎(chǔ)標準。其不僅要求設(shè)備的完整性，同時針對設(shè)計、操作、測試和維護都有要求。
(2) ISA S84. 01 Application of Safety InstrumentedSystems for the Process Industries，流程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用。該標準也是有關(guān)安全儀表系統(tǒng)的規(guī)范，沿用了IEC 61508標準，并保留了DIN V 19250標準，另外與IEC 61508標準在組織和技術(shù)方面都存在差異。我國石
油天然氣行業(yè)標準SY/T 10045 - 2003《工業(yè)生產(chǎn)過程中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用》等同采用了ISA S84. 01 -1996。
(3) IEC 61511 Functional Safety - Safety JnstrumentedSystems for the Process industry Sector，功能安全——流程工業(yè)的安全儀表系統(tǒng)。該標準是IEC 61508標準在流程工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，給出了安全儀表系統(tǒng)的規(guī)范、設(shè)計、安裝、運行和維護要求。
(4) IEEE 802系列標準，美國電氣和電子工程師學(xué)會局域網(wǎng)標準委員會制定的有關(guān)局域網(wǎng)使用標準。IEEE802規(guī)范定義了網(wǎng)卡如何訪問傳輸介質(zhì)（如光纜、雙絞線、無線等）以及如何在傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的方法，定義了傳輸信息的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間連接建立、維護和拆除的途徑。遵循IEEE 802標準的產(chǎn)品包括網(wǎng)卡、橋接器、路由器以及其他一些用來建立局域網(wǎng)絡(luò)的組件。
第二層次，有關(guān)海洋石油工程中控系統(tǒng)在安全重要儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計等方面的標準，是頂層標準中安全要求的細化，具體有以下主要標準。
(1) API RP 14C Analysis,Design,Installation and Testing of Basic Surface Safety Systems for OffshoreProduction Platforms．海上平臺上部設(shè)施安全系統(tǒng)分析、設(shè)計、安裝和測試。該標準是關(guān)于平臺上部設(shè)施安全系統(tǒng)的分析、設(shè)計、安裝和測試的一個推薦性規(guī)范。該規(guī)范提出的安全分析概念和推薦做法是現(xiàn)在海上平臺上部設(shè)施安全系統(tǒng)分析設(shè)計的基礎(chǔ)。石油天然氣行業(yè)標準SY/T - 2000等同采用了API RP 14C -1994。
(2)ISA - S5.1，儀表符號和標志。該標準的目的是為檢測和控制所用的儀表和儀表系統(tǒng)建立一個統(tǒng)一的命名方法。為此，提出一個包括符號和標志代號的命名系統(tǒng)。
(3)IEC 61131.3，編程語言。該標準是IEC 61131第三部分，是關(guān)于編程語言的設(shè)計標準。
(4) IS0 7398 0pen System Interconnection a Model, 開放系統(tǒng)互聯(lián)模型。該標準是有關(guān)異構(gòu)計算機系統(tǒng)之間互聯(lián)的標準，它將互聯(lián)模式定義為七個規(guī)程層次。各國際組織IEC、EIA、IEEE和CCITT等在七層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上皆相應(yīng)制定出相關(guān)標準。
第三層次：有關(guān)設(shè)備鑒定、安裝和維修規(guī)程的標準，例如以下部分標準。
(1) NFPA 72 Installation, Maintenance,and Use ofPtotective Signaling System，保護信號系統(tǒng)的安裝、維護和使用。該標準是有關(guān)安全信號系統(tǒng)及報警方面的規(guī)范。
(2) API RP 554。該標準覆蓋了被選擇設(shè)備的性能要求和注意事項，規(guī)范和安裝，以及過程儀表和控制系統(tǒng)的測試；此外，該標準也覆蓋石油行業(yè)的控制中心。這個標準并不作為一種購買的規(guī)則，但為最低要求提出了建議，也為最低的設(shè)計和規(guī)范提供了一個指導(dǎo)。
3 國產(chǎn)中控系統(tǒng)
目前，國內(nèi)比較有代表性的中控系統(tǒng)廠家有：和利時、上海新華、浙江中控、國電智深等。通過調(diào)研；數(shù)據(jù)分析，目前新一代國產(chǎn)中控系統(tǒng)與進口產(chǎn)品比較，綜合性能相差無幾。各類全封閉設(shè)計模件具有免維護性能，總的I/O點數(shù)應(yīng)用也達到國外水平，軟件可以在WINDOWS環(huán)境下運行，組態(tài)軟件全中文環(huán)境，易于理解和掌握，修改方便，中控界面友好，應(yīng)用功能基本包括了海洋石油工程的全部需求。下面以和利時和浙江中控為代表介紹國產(chǎn)中控系統(tǒng)，根據(jù)中控系統(tǒng)的設(shè)計標準和海洋石油工程對中控系統(tǒng)的特殊要求，分析國產(chǎn)中控應(yīng)用到海洋石油工程中的可行性。
3.1和利時中控系統(tǒng)
3.1.1技術(shù)革新與應(yīng)用
和利時新一代的中控系統(tǒng)采用了目前世界上先進的現(xiàn)場總線技術(shù)，支持多種主流總線，智能化儀表可以方便地和系統(tǒng)相連，可在智能現(xiàn)場儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)之間進行無縫信息流傳送，能方便地實現(xiàn)工廠智能化、管控一體化。公司核心中控系
統(tǒng)產(chǎn)品已成功應(yīng)用在百萬千瓦超超臨界大型火電站、千萬噸煉油裝置、百萬千瓦核電站等重大工程中，PLC與驅(qū)動產(chǎn)品相繼獲得CE、UL認證。
3.1.2系統(tǒng)設(shè)計標準
和利時中控系統(tǒng)的設(shè)計完全遵循國際標準化組織( ISO)、國際電工委員會(IEC)和國際電信聯(lián)盟(ITU)制定的標準，以及國際標準化組織確認并公布的其他國際組織制定的標準國際組織規(guī)定的規(guī)范和標準。對于海洋石油工程的特殊要求，和利時的技術(shù)部門也制定了相應(yīng)的解決方案，目前已基本滿足海洋石油工程對中控系統(tǒng)設(shè)計要求的標準。無論是在技術(shù)方面，還是標準方面，和利時中控系統(tǒng)都滿足海洋石油工程的要求，應(yīng)用到海洋石油工程是可行的。
3.2浙江中控系統(tǒng)
3. 2.1 自主創(chuàng)新與應(yīng)用
浙江中控新一代產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工、煉油、石化、冶金、電力等流程工業(yè)，以及智能交通、水處理及教育領(lǐng)域等公共事業(yè)部門；公司在6 300多家企業(yè)實施了9 400多個項目，在千萬噸級煉油等國家重大工程領(lǐng)域打破了國外壟斷。所以浙江中控有經(jīng)驗、有能力承擔重大工程。
3.2.2系統(tǒng)設(shè)計標準
浙江中控根據(jù)中控系統(tǒng)所要求的標準和規(guī)范，制定了一套自己的企業(yè)標準，具有針對性，完全符合中控系統(tǒng)的設(shè)計要求規(guī)范和標準；此外，還領(lǐng)銜制定了（ethernet for plant automation，EPA）國際標準。該標準在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。浙江中控通過完善企業(yè)標準，滿足對于海洋石油工程中的特殊要求。中控產(chǎn)品可以達到海洋石油工程的標準要求，有實力承擔海洋石油工程項目。
3.3 國產(chǎn)中控系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
隨著國產(chǎn)中控系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，性能參數(shù)也在不斷地提升。目前和利時和浙江中控的系統(tǒng)規(guī)模以及技術(shù)指標如表1所示。
4 國產(chǎn)中控系統(tǒng)的優(yōu)勢
在可靠性方面，國產(chǎn)中控系統(tǒng)經(jīng)過這些年的穩(wěn)健發(fā)展，不斷吸收國外先進技術(shù)，在性能、功能和質(zhì)量等方面全已與國際水平接軌。近幾年國產(chǎn)中控以和利時與浙江中控產(chǎn)品為代表，成功投入重大項目運行后，系統(tǒng)的硬、軟件運行狀況良好，消除了國內(nèi)很多企業(yè)的擔憂；而且根據(jù)資料顯示，各種事故并不多于進口中控系統(tǒng)。由此，國產(chǎn)中控產(chǎn)品已取得質(zhì)的飛躍，具備與主流進口中控系統(tǒng)相當?shù)母偁帉嵙Α?
在響應(yīng)方面，由于國外公司對于核心技術(shù)管理嚴格，中控系統(tǒng)核心部件出現(xiàn)問題時，往往需要到總部去調(diào)換，費時費力，響應(yīng)緩慢。國內(nèi)產(chǎn)品在這方面明顯優(yōu)于國外。
在開放性方面，國產(chǎn)中控系統(tǒng)容易實現(xiàn)一體化。例如國電莊河電廠EDPF - NT成功實現(xiàn)主輔控在內(nèi)的一體化中控系統(tǒng)，減少不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信及交換，幾乎不存在與外系統(tǒng)兼容性問題，具有生產(chǎn)維護統(tǒng)一、方便等優(yōu)點。
在價格方面，國產(chǎn)中控系統(tǒng)服務(wù)費用大大低于進口中控系統(tǒng)，總體維護費用也低于國外中控系統(tǒng)；而且國產(chǎn)中控品牌提升有利于打破進口中控系統(tǒng)對市場的壟斷局面，降低了投資成本。
5結(jié)束語
國內(nèi)中控系統(tǒng)經(jīng)過這些年的飛速發(fā)展，根據(jù)ARC最新發(fā)布的《分布式控制系統(tǒng)全球市場調(diào)研》顯示，它們已經(jīng)從中小型終端市場進入高端市場。雖然到目前為止，國產(chǎn)中控系統(tǒng)尚未應(yīng)用到海洋石油工程，但其產(chǎn)品性能完全滿足海洋石油工程對中控系統(tǒng)的各項要求，而且國內(nèi)廠家的服務(wù)態(tài)度和到位及時性都明顯高于國外廠家。因此，憑借國產(chǎn)中控的優(yōu)勢和國家大力倡導(dǎo)的核心技術(shù)國產(chǎn)化，國產(chǎn)中控系統(tǒng)應(yīng)用到海洋石油工程中是必然趨勢。
