一种基于多重网络应用的海上平台三地控制模式设计

冯杨锋，罗飞箭，戚 蒿，尹燕波，王 松，尉星望，张 欢

（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口）

1 背景

1.1 海上平台的网络资源情况

中国南海的海上平台距离陆地较远，网络传输主要基于卫星通讯技术、微波通讯技术、散射通讯技术进行[1]。

通过卫星通讯技术搭建的卫星网络，具有可靠性高、稳定性好、和费用昂贵的特点。在实际应用中，考虑到卫星带宽带来的费用问题，一般架设带宽在128K-8M 以内的卫星网络，用于工业控制。

1.2 案例基础情况介绍

1.2.1 设备设施情况

本案例中，新建的一套水下生产系统，位于A 平台附近，其水下控制系统控制站(下称：MCS 系统)和数字孪生仿真系统(下称：PMS 系统)部署在A 平台[2]。B平台上新建油气接收处理系统，用于接收来自A 平台附件水下生产系统生产出来的凝析油和天然气，B 平台上新增一套工业控制系统。C 终端位于陆地，用于接收B 平台处理合格的凝析油，同时也是A 平台和B平台的远程控制中心。

1.2.2 网络覆盖情况

本案例中，卫星网络覆盖A 平台、B 平台和C 终端。基于微波、散射通讯技术，以C 终端为交互点，覆盖有一体化的办公网络。网络覆盖情况详见图1。

图1 A 平台、B 平台和C 终端的网络覆盖情况

1.2.3 系统功能及控制要求

考虑到水下生产系统存在的流动性保障问题[3]，从技术上要求，MCS 系统的操作站和PMS 系统的操作站需一同进行部署,并在三地实现操控。

2 传统基于卫星网络的三地控制网络拓扑

2.1 拓扑结构

在南海固定式海上平台的通用网络拓扑结构中，一般只考虑单个平台的控制和该平台在终端的远程控制模式[4]。而且，在浅水的固定式平台上，油气生产处理工艺较为简单，无需部署PMS 系统，仅仅只需要考虑工业控制系统的网络传输即可。但是，在本案例中，MCS 系统的操作站和PMS 系统的操作站需一同进行部署。因此最初的通讯设计方案是，将MCS 系统和PMS 系统一同部署在卫星网络中。网络拓扑结构见图2。给PMS 系统使用。

氢气在标准状态下密度为0.089 9 g/L，是相对分子质量最小的物质，主要用作还原剂。三氧化钼熔点为795 ℃，沸点为1 155 ℃，在800～1 000 ℃蒸气中主要以聚合分子(MoO3)3的形式存在，温度高于600 ℃显著升华，与气态水结合生成MoO3 (H2O)3[1]，适当增加一段还原氢气中的气态水含量，能有效促进三氧化钼挥发[2]。

图2 传统基于卫星网络的三地控制网络拓扑

最后，基于卫星网络，在B 平台和C 终端部署PMS 远程站，即可通过远程桌面的访问方式，访问PMS 系统服务器，获得远程控制权，实现在B 平台和C 终端控制PMS 系统，使用其功能，实现PMS 三地控制。

2.3 存在的问题

2.3.1 卫星带宽需求大

MCS 系统与PMS 系统均部署在卫星网络内，虽然通讯稳定性可以达到最高，但是两个系统对卫星带宽的需求较大。经评估，两个系统的带宽需求超过4兆。

2.3.2 使用MCS 系统作为数据中转站

MCS 系统作为工业控制系统，本身数据服务能力较弱。当PMS 系统从MCS 请求大量数据时，容易导致MCS 系统出现异常卡滞或宕机的情况，不利于水下生产系统的安全稳定运行。

3 基于多重网络应用的三地控制网络拓扑

2.2 数据流向

2.2.1 MCS 系统

对于MCS 系统而言，基于卫星网络，在B 平台和C 终端部署MCS 远程站，即可通过远程桌面的访问方式，访问MCS 系统服务器，获得远程控制权和数据流，实现在B 平台和C 终端控制水下控制系统，实现MCS 三地控制。

2.2.2 PMS 系统

对于PMS 系统而言，它是一个分析的系统，它需要获得以下3 部分数据：

(1) MCS 系统的全部数据：通过TCP/IP 协议，将MCS 系统的数据全部传输给PMS 系统使用。

(2) A 平台部分生产数据：通过RS485 协议将少量数据传输给MCS 系统，再由MCS 系统传输给PMS系统使用。

(3) B 平台接收端的生产数据：通过卫星网络，从B 平台新增的中控系统，使用OPC 协议将部分需要的生产数据回传到MCS 系统，再由MCS 系统传输

3.1 操作需求与安全性分析

3.1.1 MCS 系统

MCS 系统主要功能是负责控制水下生产系统中的设备，属于工业控制系统范畴。在操作上，要求有高可靠性、高稳定性、安全性。无论是正常工况，还是台风遥控工况[4]，部署远程控制网络，都应该优先选用卫星网络进行系统部署，以确保油气生产可以安全稳定地进行。

3.1.2 PMS 系统

PMS 系统是基于数字孪生技术的虚拟仿真系统，不属于工业控制的范畴。在使用PMS 的在线预警功能时，需要保证PMS 系统的正常运行和使用。但同时考虑到，水合物的形成是一个渐变的过程，而且实际的生产数据在MCS 系统上也有显示。故在采用远程登录的方式使用PMS 系统时，因短时间的通讯中断造成的系统异常，是可以接受的。

在使用PMS 系统计划预测功能时，需要截取一段时间的生产数据作为数据输入，然后由系统进行自动运算和推演，此过程由本地服务器完成，故短时间的通讯中断造成的系统异常，也是可以接受的。另外，在正常工况下，虽然可以实现远程操作，但是实际上A平台上也是有操作人员的，该部分人员可以作为最后的操作保障。

在台风遥控模式下，水下生产系统需要尽量维持稳定，当水下生产系统出现异常时，MCS 系统直接执行关停保护，防止问题扩大。所以在该工况下，PMS 系统的实时监测和计划预测功能意义不大，故对PMS 系统功能不做要求。

3.2 MCS 系统的三地部署方案

在卫星网络链路中部署MCS 系统，部署的过程中，所有交换机、路由器，均采用直连的模式，禁止路由转发功能，固定端口带宽，提高拓扑可靠性。拓扑结构见图3。

图3 MCS 系统基于卫星网络进行三地部署的拓扑结构

3.3 PMS 系统的三地部署方案

基于微波、散射通讯链路，将PMS 系统部署在办公网络内。来自A 平台原中控系统服务器的数据、MCS系统服务器数据和B 平台新建中控系统服务器数据，经过单向的光闸，进行硬件隔离后，由A 平台的数据中心中集中采集储存。PMS 系统通过办公网络，从数据中心读取用于分析的数据，并通过办公网络，与B 平台的PMS 系统远程操作站、C 终端的PMS 系统远程操作站相连接。详细的拓扑结构见图4。

图4 PMS 系统基于办公网络进行三地部署的拓扑结构

3.4 多重网络综合应用的优势

3.4.1 减少卫星带宽占用，办公网络资源利用率提高

将PMS 系统部署在办公网络内，可以减少对卫星带宽的占用。同时，可以利用办公网络40M～100M 的大网络带宽进行大数据量的传输，释放PMS 系统的性能。

3.4.2 MCS 系统不再作为数据中转站，系统稳定性高

通过利用原来A 平台上部署在办公网络内的数据中心，作为数据中转站，可以实现数据的高效采集。A 平台原中控系统服务器、MCS 系统服务器和B 平台新建中控系统服务器只需要定时向光闸发送约定的数据即可。这是计划性的事件，有利于服务器的稳定运行。

3.4.3 MCS 系统与PMS 系统实现硬件隔离，稳定性高

通过增加单向光闸，MCS 系统与PMS 系统实现硬件隔离。属于工业控制范畴的MCS 系统得到了安全保护，自身安全性没有降低，解决了MCS 系统的额外授权问题。另外，在MCS 系统与PMS 系统之间，增加了数据中心服务器作为中转，实现了数据的有效调度，确保了多个系统互联之间的稳定性。

3.4.4 用最经济最灵活的方式实现了三地控制

最大限度利用A 平台原有网络硬件资源，将单向光闸、数据中心的作用发挥出来，实现新系统的接入。以数据中心作为数据中转站，极大地提升了数据再利用的灵活性。将PMS 系统通过办公网络部署，长远考虑了占用卫星通讯资源带来的租赁费用，有效降低了后期的运维费用。

4 结论

本文主要围绕南海A 平台、B 平台和C 终端三地的网络拓扑的设计案例进行研究，分析基于卫星网络、微波网络和散射网络进行系统部署的优劣，最终得出将MCS 控制系统部署在卫星网络、PMS 系统部署在办公网络的最优方案。该方案实现在A 平台、B平台和C 终端三地多系统的控制，为后期水下油气生产系统控制站就地部署，接收站建设在远端的这种开发方案提供了成熟可靠的控制解决方案，在保障生产安全平稳运行的同时，整合资源能力，突破空间屏障，提升了系统间的智能化水平。