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仪表控制系统在海洋油气田应用探讨

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【摘要】文章主要介绍了仪表控制系统的发展及在海洋油气田上的应用,讲述了现场总线控制系统是未来仪表控制系统发展的主流,海洋油气田广泛使用现场总线控制系统势在必行。

【关键词】现场智能仪表;集散控制系统(DCS);现场总线控制系统(FCS)

1引言

仪表控制系统作为油气田的神经中枢、检测中心和安全屏障,其地位越来越不容忽视,利用好仪表控制系统成为海洋油气田快速发展迫切需求。

2仪表控制系统的发展历程和方向

20世纪60年代,石油化工等企业主要使用模拟式仪表。传统的模拟仪表控制功能单一,在一些复杂的工艺生产过程中常常采用大量的传统模拟仪表实现过程控制功能,所以控制室内的仪表越来越多,仪表盘面越来越大,导致人机联系差,操作不及时,也不利于人员对工艺过程的监控和操作。为了使仪表控制系统能适应更复杂的控制功能,在中央控制室内采用单一的计算机实现直接数字控制(DDC)或者监督计算机控制(SCC),构成了集中型计算机控制系统。然而,集中型计算机控制系统采用的是高度集中控制,所以危险性也高度集中,如果出现故障,将会导致生产停止甚至发生更危险的恶性事故。因此,如何把计算机的故障所造成的危害和经济损失减小,使危险分散,成为仪表控制系统首要解决的问题。经过仪表研究人员刻苦钻研和实践,在1975年Honeywell公司推出了世界上第一代集散控制系统(DistributedControlSystem,简称DCS),又称分散控制系统,是以微处理器为基础对生产过程进行集中管理和分散控制的分布式计算机控制系统。随着控制技术、计算机技术、网络技术和软件技术等的迅速发展,集散控制系统进入了第二代。20世纪80年代,综合信息管理系统的开发成功标志着DCS的迅速发展进入了第三代,新的系统在原有的过程控制层和过程管理层上增加了第三层---综合信息管理层,更多的关心高层信息的传输、处理和共享。为了打破“信息孤岛”系统封闭的格局,就必须设计出一种适用与工业化环境、性能可靠、协议公开、成本较低的数字通信系统,开发出遵循同一通信标准的多功能现场智能仪表,使不同厂家的现场仪表可以在开放系统中实现互联和互操作,这样就消除了传统DCS采用专用通信网络所造成的系统封闭的缺陷,才能满足用户的需要。现场总线控制系统就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。

3现场总线控制系统

现行总线实现双向串行多节点数字通信系统,使自动控制系统与设备之间具有了通信能力,把现场的智能仪表等设备连接成网络系统,彻底打破了仪表自动控制系统的信息孤岛。由现场总线组成的网络集成式全分布控制系统,成为现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,简称FCS)。FCS是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展的基础上,与自动控制技术相结合的产物,是继模拟式仪表控制系统、集中式数字仪表控制系统、DCS后的新一代控制系统,在石油化工企业的仪表自动控制系统中,得到广泛的应用。

3.1FCS的结构

FCS包括现场总线智能仪表、监控计算机、网络通信设备和电缆,以及网络管理、通信软件和监控组态软件。

3.1.1现场总线智能仪表

现场总线智能仪表内部自带了一个微处理器,具备了相互通信的能力,具有丰富的控制功能、灵活方便的操作手段,比模拟式仪表更有效的控制和管理生产过程。例如,海洋石油115设施上的Fisher—Rosemount公司的3051压力、差压、液位变送器以及温度变送器、智能调节阀是FF现场总线的现场仪表,具有各种功能模块,可实现多种控制策略和功能。

3.1.2监控计算机

FCS需要一台或多台监控计算机,这类计算机结构紧凑、坚固耐用、工作可靠、抗干扰能力好,能满足智能仪表的组态、诊断、运行和操作的要求。

3.1.3网络通信设备

网络通信设备是现场总线之间及总线与节点之间连接的桥梁,现场总线与监控计算机之间一般用通信控制器或通讯接口卡连接,它可连接多个智能节点或多条通信链路。一台带有通信接口卡的PC机及若干现场智能仪表与通信电缆,就构成了最基本的FCS硬件系统。

3.1.4监控系统软件

监控系统软件包括操作系统、网络管理、通信和组态软件。操作系统一般都是Windows操作系统。网络管理软件的作用是实现网络各节点的安装、删除、测试,以及对网络数据库的创建、维护等。

3.2FCS的优点

3.2.1FCS实现了彻底的分散控制

传统的模拟式仪表控制系统采用一对一的设备连接,而FCS采用了具有DCS系统中处于控制室内的控制模块、各类智能仪表设备,智能仪表具有相互通信的能力,智能测量变送仪表可以与调节阀等执行器直接进行信息传递,使生产更加安全、稳定的运行。

3.2.2FCS简化了系统结构

FCS采用数字信号替代模拟信号,不再需要模/数、数/模转换部件,可实现一条信号线上传输多个信号,可以为多个设备提供电源,简化了系统结构,节省了连接电缆和安装费用。

3.2.3FCS实现了系统的开放性

FCS以网络通信技术为基础,而现在的网络通信标准(国际标准IEC61158)是统一的,各个厂家生产的控制系统的通信标准必须满足此国际标准,才能受到用户和各大企业的青睐,才能满足市场竞争的需求,所以各个厂家的设备可以自由通信,用户可以按自己的习惯、需求和考虑,不用限定厂家、机型,实现仪表控制系统的开放性。

3.2.4FCS的互可操作性和互用性

互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传输和沟通;互用性是指不同厂家的性能类似的设备产品能够互相替代。3.2.5FCS采用全数字通信方式FCS与传统的仪表控制系统不同,它采用全数字通信方式,可以进行双向通信,提高了通信速度、传输精度。

3.2.6FCS节省硬件数量与投资,节省了安装费用

FCS挂接的都是现场智能仪表,一根现场总线可以连接多台现场智能仪表,能直接传输和执行多种测量、控制、报警和计算功能,减少了变送器数量,也不再需要模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换与处理部件,从而节省了一大笔硬件费用、安装费用和维护费用,提高了石油化工等企业的效益。

4仪表控制系统在海洋油气田的应用前景

海洋石油的生产平台(DPP)或者油气处理储存装置(FPSO)有许多系统,每个系统的设备的供销商是不同的,其控制功能和实现方式也存在差异,那么怎样才能把它们有效的结合起来?怎样才能更好的利用它们的信息来实现监视和控制?已经成为仪表专业人员首要解决的问题。虽然DCS已经霸占了仪表控制系统30多年,也在不断的进步,但是它仍然有它的局限性。通过与现场总线控制系统的比较,现场总线控制系统的优点是显而易见。随着计算机技术、网络通信技术飞速发展,DCS必将让位于FCS。FCS已经成为我们海洋石油仪表控制系统发展的主要方向,有一些新的设施DPP或者FPSO已经使用FCS,海洋石油115(FPSO)的上部模块就已经采用了FCS,就目前使用情况来看,系统运行稳定,投产使用十多年以来,没有出现过大的故障,大大降低了维护费用,从来没有因为现场总线设备问题影响正常生产。FCS的问世标志着仪表控制系统进入了一个新的历史时期,不仅满足了海洋油气田快速发展的需要,也满足了海洋油气田技术不断进步、更新的需要。

5结语

仪表控制系统作为海洋油气田生产装置的“神经中枢与大脑”,逐渐向数字化、网络化、智能化、微型化方向发展,而FCS的问世,大大降低了成本费用,并能够大大的提高海洋油气田生产装置的平稳性和安全性,为海洋油气田进一步向深水进军提供了技术保证。

【参考文献】

[1]吴勤勤.《控制仪表及装置》,化学工业出版社,2002年6月.

[2]乐嘉谦,《仪表工手册》,化学工业出版社,2003年7月

[3]俞光昀,陈战平,季菊辉.《计算机控制技术》,电子工业出版社,2002年6月.

[4]陆德民.《石油化工自动控制设计手册》,化学工业出版社,2000年1月.

作者:徐从成 单位:中海石油(中国)有限公司深圳分公司西江油田惠州25-8平台

仪表控制系统在海洋油气田应用探讨责任编辑:张雨    阅读:人次
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