借助冗余技术提高埕岛油田测控系统可靠性

张 辉 中国石化胜利油田分公司海洋采油厂

借助冗余技术提高埕岛油田测控系统可靠性

张 辉 中国石化胜利油田分公司海洋采油厂

冗余系统是指为增加测控系统的可靠性，采用两套或两套以上相同、相对独立的配置设计而连接组成的系统。系统通过提供关键组件冗余的方法，组成具备容错能力的系统结构，当系统发生故障时，冗余配置的部件主动接入并自动承担故障部件的工作，以此减少系统的故障时间。海上自动化测控系统使用的冗余系统包括电源冗余、网络冗余、服务器操作站冗余、CPU冗余和I/O模块冗余等。冗余方案采用双UPS供电，正常情况下这2个电源均衡负载，同时为整个系统提供电力，当1台电源发生故障时，另1台电源可承担所有负载，实现了AC、DC双冗余。测控系统中PCS系统和SIS系统均采用双CPU配置，通过远程模板经网络连接，两者信息共享、互相诊断，一旦主CPU发生故障，从CPU将自动接管，保证系统可靠性。

埕岛油田；冗余技术；测控系统；配置

埕岛油田分布在渤海湾南边极浅海的部分海域。正式开发埕岛油田是从1993年开始，至今已有了20多年的历史，埕岛油田自动化测控系统始建于1997年，2000年正式投产，经过不断扩充，现已建成了包括1座陆地监控中心、3座中心平台站和70余座卫星平台站的大型滩海油田SCADA系统。埕岛油田测控系统分为过程控制系统（PCS）和安全控制系统（SIS）。PCS系统对平台油气水集输处理实现整个过程参数测量、高低限报警、液位压力参数自动调节；SIS系统完成安全参数的监控及极限报警的关断。海上生产受天气和环境的影响巨大，在恶劣环境下，该系统作为操作员“手”和“眼”的延伸，成为生产和安全唯一可以依赖的手段[1]。因此，开展对埕岛油田海上平台监控系统选型研究，对提高埕岛油田无人值守平台测控系统可靠性具有重要意义。

1 测控系统分析

1.1 数据采集和控制准确性

安全控制系统主要采集和控制安全生产的参数（如管线压力、容器液面，容器压力等），对参数进行监测、判断，通过与预设的极限值比对并按照相应的连锁逻辑关系进行ESD关断控制输出，因此，对数据采集和控制的实时性、准确性、稳定性提出较高的要求，不准确的数据采集以及错误的逻辑输出都将导致严重的安全事故。

1.2PLC系统失效或故障

埕岛海上平台自动化测控系统选用通用逻辑控制系统（PLC系统），该系统实现了平台的油水井实时数据检测、机泵的启停控制、参数超限报警、液位压力调节、紧急关断、火灾和可燃气体报警等功能，系统需处理的数据量多、功能复杂，当PLC系统失效或者故障时将导致平台失去监控而存在严重的安全隐患。

1.3 上位机软件故障

上位监控软件为操作人员提供友好的人机接口；实现对生产现场的自动化控制；为服务器与PLC系统之间的数据通讯，搭建PLC硬件与软件的桥梁。上位机软件出现故障也将导致平台失去监控而存在严重的安全隐患。

1.4 设计冗余系统的必要性

冗余系统（Redundant System）是指为增加测控系统的可靠性，采用两套或两套以上相同、相对独立的配置设计而连接组成的系统。系统通过提供关键组件冗余的方法，组成具备容错能力的系统结构，当系统发生故障时，冗余配置的部件主动接入并自动承担故障部件的工作，以此减少系统故障时间。冗余系统的使用会增加设计和施工的难度，增加用户投资和后期运行维护的成本，但是可以提高整个系统的平均无故障时间，缩短了平均修复时间。因此，采取冗余系统是提高测控系统可靠性的有效方法之一[2]。

2 冗余系统的实现

2.1 构成及功能

海上自动化测控系统使用的冗余系统包括电源冗余、网络冗余、服务器操作站冗余、CPU冗余和I/O模块冗余等。

海上平台测控系统的冗余方案采用双UPS供电，正常情况下这2个电源均衡负载，同时为整个系统提供电力，当1台电源发生故障时，另1台电源可承担所有负载，实现了AC、DC双冗余。

测控系统中PCS系统和SIS系统均采用双CPU配置，通过远程模板经网络连接，两者信息共享、互相诊断，一旦主CPU故障，从CPU将自动接管，保证系统可靠性。同时为了保证数据采集速度，中心平台的PCS系统和SIS系统采用以太网通讯的方式，分别接入2台交换机上。

服务器和操作站都采用双网卡设计，每个网卡连接到不同的交换机中。两个交换机之间通过跨接专用线缆连接，在主通道出现故障的情况下，自动切换到其他通道实现通讯的不间断。

SIS系统的数据采集和控制，采用了I/O模板的冗余设计，也就是说现场的数据信号同时进入2块相同输入模板，控制输出信号也由2块模板同时控制输出。

2.2 硬件选型和配置方案

（1）上位机监控冗余系统。上位机监控系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由工程师站、操作站、冗余服务器、冗余交换机等设备组成。服务器软件选择Honeywell Experion PKS完成数据的集中管理、报警、参数控制、状态显示及报表打印等功能；通讯软件选择Rockwell公司的RSLinx Gateway通讯软件。

（2）下位机PLC冗余系统。采用美国Rockwell公司Allen-Bradley ControlLogix 1756系列产品组成冗余控制系统，系统有2个完全相同的1756-A7机架。每个机架中包含1块1756-L61控制器，负责完成信号的采集和逻辑的控制等功能；1块1756-RM冗余模板，负责实现两机架中1756-L61控制器之间的冗余控制和数据同步；1块1756-EN2T通讯模板，负责控制器和上位机服务器之间的通讯，采用以太网通讯；1块1756-CN2R通讯模板，负责实现通讯器和I/O模块之间的通讯。2个机架间的冗余模板采用光纤连接。

（3）模拟量信号冗余输入。模拟量输入现场的数据信号需要同时输入2块输入模板，需将4～20 mA电流信号转换成电压信号，再将2块输入模板并联接入仪表检测回路中。由于模拟量采用了双通道数据采集方式，因此，在程序中需对采集到的两组数据进行比对处理，以判定采集数据的准确性。首先对每个检测到的数据要进行有效性的确认。这需要对检测通道的故障、错误等工作状态进行判断，一旦确认某个通道的工作状态出现异常，则将该通道检测数据丢弃，并采用另一个状态良好的通道检测得到的数据作为该监控点的现场检测数据。当确认两个通道的工作状态均处于正常状态，则可确认两个通道检测数据均为有效。此时，就需要对两个通道的采集数据进行差值比较。若两者之间差值小于设置的偏差界限时，可判断两个信号都是真实的，可任取其一作为现场检测数据；若两者之间差值大于设置的偏差界限时，有可能就是两个检测回路中的某一个回路出现了问题。此时，就需要与前次正常数据进行比较，选取其中差值较小的一路信号数据作为本次的现场检测数据。

（4）数字量信号冗余输入。直接将2块数字量输入模板并联接入检测回路中，与模拟量采集相同，数字量采集也是采用双通道数据采集，因此在程序中也需对采集到的两组数据进行对比处理，以判定采集数据的准确性。针对数字量，只需将两组采集到的数据进行简单的“或”逻辑运算，当两路独立的模板输入的信号一致为“0”时，可确定现场输入信号真实、有效（注：安全控制系统采用的是反逻辑，即正常时逻辑输入为“1”，故障或报警时逻辑输入为“0”。）；同时，对两组数字量输入数据进行实时“异或”对比，一旦得到异或结果为“1”，则可判断数字量双重冗余输入错误。

（5）数字量输出。数字量信号的双重冗余输出与双重冗余输入类似，直接将2块数字量输出模板并联接入控制回路中，只要有一路输出触点接通即可控制相应的设备动作[3]。

3 结语

埕岛油田海上平台冗余技术的应用，提高了海上自动化测控系统的稳定性，虽然在项目建设时增加了一定的投资和后期运行成本，但在运行的过程中减少了事故发生概率，增强了生产现场安全性和可靠性，经实践检验证明取得了极大的社会效益和经济效益。

[1]黄少伟，谢腾腾．提高埕岛油田无人值守平台测控系统可靠性初探[J]．电子设计工程，2012，11（20）：64-67.

[2]管丰年．生产过程控制系统的可靠性措施[J]．石油化工自动化，2005，24（3）：5-8.

[3]张泉城．埕岛中心三号平台自控系统[J]．油气田地面工程，2014，33（2）：69-70.

（栏目主持李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.001