海上天然气平台控制系统国产化的工程实践

唐俊冰，姚树超

（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南海口 570100）

0 引言

某海上天然气气田是中国对外合作开发的天然气气田，于1996 年投产，现已运行25 年，进入开发后期，产量递减，桶油成本逐年增加，经济效益逐年下降。为了进一步降低生产成本，提高气田经济效益，气田结合自身现状，针对生产现状及增产挖潜措施研究气田将来的生产方式[1]；针对设备设施现状，研究如何提高设备设施的自动化水平及可靠性、稳定性。在综合上述因素的基础上，通过研究成果，实施国产化相关改造研究及运用[2]。

该气田中控系统的整体国产化改造成功实施，应用采购了国产厂家和利时的集散控制系统DCS[3]、安全仪表系统SIS，以及控制软件，替换了原有国外的生产控制系统PCS、应急关断系统ESD、火气消防系统F&G，国产产品完全替换国外控制系统，全面实现国外系统的编辑、控制、运算、通信以及数据交换等功能，为国内油气工业的控制系统国产化及智能化应用提供了参考[4]。综合考虑项目增量及少人化后费用节约的共同影响，该项应用降低了该气田桶油成本，效益显著。

1 国产化控制系统设计

1.1 总体概况

该项目通过平台控制室作为控制中心，汇聚了4 种控制系统：天然气生产控制系统（PCS）、设备保护系统（FPS）、火气系统（FGS）、小型机组PLC 控制系统。各系统控制网络均配备冗余网络、冗余硬件，保障生产工艺流程稳固安全。另外，平台天然气生产控制中心配备了卫星通信功能，实现陆地远程遥控海上平台生产。

各控制系统通过现场站控制仪表设备采集数据、处理数据、调节控制、保护联锁，通过控制中心操作站通信现场站，显示现场仪表状态及现场工艺流程调节。小型PLC机组控制系统直接通过现场PLC 通信到平台控制中心进行数据交换及状态检测。

1.2 控制系统关联

各控制系统之间相互关联，各系统安全等级不同，火气保护系统和生产设备保护系统安全级别高于生产控制系统和小型机组PLC 控制系统。FGS 系统检测平台任何角落的火气状态，出现火情时，触发声光报警，启动消防设备，生产紧急关停，平台进入应急状态。火气报警信号传输到FPS，它将执行所有与安全相关的停机功能和设备安全监控，以及手动和自动的应急系统启动。FPS 的所有指示传送到在平台控制中心。另外，PCS 系统为工艺流程提供操作界面并执行模拟控制，记录所有关键的数据。PLC 的关联是通过各撬块的PLC控制系统硬件通信到交换机，将数据传输给PCS 系统，对其系统仪表状态检测。PCS、FPS、FGS 及小型PLC 控制系统之间主要通过以太网进行通信，整个控制中心网络架构如图1 所示。

图1 控制中心网络架构

1.3 控制系统软硬件

该控制系统使用和利时MACS V6 软件编写完成，采用集中管理、分散控制，将PCS、FPS、FGS 及PLC 控制系统共同集成到平台控制中心，在任何一台操作员站都可进行监控平台生产运行状态，可以调用不同服务器数据。

系统硬件选型如下：①工作站为DELL T5820；②集散控制系统硬件为和利时K 系列和SM 系列；③和利时工业交换机GM010 系列交换机；④自动化网络交换机Catalyst 2950；⑤PLC控制系统硬件为和利时LK 系列。

2 天燃气生产系统及设备保护系统设计

生产控制系统包含3 个现场站，每个站都配备和利时集散控制系统全面冗余技术实现生产流程稳定、可靠控制，PCS 系统由控制中心统一监控调整。其主要功能为采集现场工艺流程的压力、温度、液位及流量等物理参数、检测设备运行状态、记录报警和历史趋势、实时生成生产报表、设备控制指令的发出、切换控制器和历史站。

同样，设备保护系统包含3 个现场站，配备安全仪表系统冗余硬件及冗余安全网络，用于现场具有关停信号的仪表变送器、控制阀门及各类安全阀门等仪表设备的集中管理和分散控制，防止现场生产突发危险的扩散，保障生产平台的安全。生产控制系统与设备保护系统结构如图2 所示。

图2 生产控制系统与设备保护系统结构

3 火气系统设计

火气系统是用来探测生产现场是否出现火情、危险气体是否泄漏，从而判断是否释放对应区域的灭火设备，该系统通过FGS 硬件获取各类探头探测平台各个区域的数据，将探头采集的现场的数据，传到控制中心，当现场某一个点出现问题时，能够及时的将报警信号传输到控制中心，火情触发信号经过逻辑判断，进一步下达是否执行FPS 和PCS 系统关停生产的指令。同时，现场的该区域的消防设备自动开启，阻止危险进一步扩散。火气系统网络架构如图3 所示。

4 PLC 系统设计

和利时LK 系列PLC 属于大型PLC，其借鉴了国外主流产品优点，融合了计算机、自动化技术控制、通信等领域的最新技术。海上平台PLC 控制系统主要应用于空气压缩机、应急发电机、三甘醇加热炉，配合PCS、FPS 及FGS 形成完整的生产控制系统。

空气压缩机有4 台，每两台空气压缩机采用1 套PLC 控制，为平台仪表风、公用气提供气源。三甘醇撬块有2 套PLC 进行控制，分别为来自A、B 串联的天然气进行脱水处理。应急发电机采用1 台独立的PLC 控制，平台主发电机关停，将会自动启动应急发电机，为平台提供临时用电。氮气发生器设置1 台PLC 控制，制出合格的氮气用于平台工艺管线的吹扫气及覆盖气。平台的6 台机组设备，需要将机组温度、压力、振动、报警等相关参数，利用以太网通信到PCS 系统中。

5 系统通信设计

平台原有控制系统采用DeltaV、罗克韦尔AB 系统，以RS232、RS485、DH+等协议通信，系统逻辑庞大、复杂，并且三大系统之间又有大量数据交换。系统国产化升级后，各通信网络都是双交换机、双网卡、双网络、双网段，采用光纤网络通信，经过平台工业以太网交换机，各系统之间进行频繁的数据传输，升级后的通信网络为信号传输提供可靠传输通道，提升了控制系统传输通信效率，保证生产现场实时快速的采集数据。另外，生产系统经过自动化网络交换机通信到卫星交换机，实现陆地对海上平台生产控制系统的远程遥控。

6 结束语

阐述国产化工业生产控制系统代替国外控制系统的设计及部署实施，操作人员在控制中心集中监视、管理全线的工艺生产运行，将平台原有分散的各个系统，整合到同一系统，实现设备参数统一实时监视、控制。该系统充分体现国内工业控制系统的开放、稳定性。软硬件配置灵活、控制安全可靠的优点。

该海上天然气平台生产控制系统于2021 年3 月完成国产化工作，该系统自投产以来系统硬件与软件具有良好的稳定性、可靠性，综合设备维护费用、生产效益取得了不错的成果，说明该国产化系统的设计满足现有国内工业生产要求。