Honeywell Experion PKS在海上油气生产设施中的应用

1 引言 海上油气生产设施一般用于海上油气的开采，集输，初步处理（包括：油气分离、油水分离、脱盐等工艺流程）。 海上油气生产设施的控制系统应包括过程控制系统（PCS），紧急关断系统（ESD）和火气系统（F&G）。一般情况下，这三部分的硬件相对独立，采用独立的控制器和相关卡件完成各自相应功能，并通过通讯网络集成为集中控制系统，实现整个生产设施的生产控制和安全保护功能。 过程控制系统是整个油气生产系统实现自动化生产的基础，是油气生产系统的大脑，是油气生产系统正常运行的保证。尤其是现代新型的大中型综合平台、FPSO中生产连续性强、生产过程控制相对复杂，只有通过具有高性能的自动化控制系统实时监控设备的运行状况，才能有效保证整个系统的安全、高效运转。 2 过程控制系统在海上油气生产设施中的发展 在九十年代以前，中海油的项目中控制系统多采用继电器逻辑控制和现场气动调节回路的控制方式。 从九十年代初期开始，PLC技术开始应用在平台的控制系统中。此时，PLC主要用于逻辑控制和关断控制，过程控制回路依然以气动回路为主。随着PLC处理模拟量的功能增强，PLC逐渐替代气动控制器完成过程控制功能。 直到九十年代末期，集散型控制系统（DCS）开始进入过程控制领域，并逐渐成为过程控制系统的首选。特别是对于规模较大的平台，DCS系统就更加体现出其整体控制、统一管理的优势。此时平台关断和火气系统从冗余的PLC过渡到有系统安全级别认证要求的PLC系统。 随着现场总线技术的发展，我们也在逐步开始采用基于传统DCS支持现场总线的新型DCS或者专为现场总线开发的现场总线系统。 2.1 集散控制系统(Distributed Control System) DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。DCS又称分布式或集散式控制系统。具体可以从以下几个方面定义： •以回路控制为主要功能的系统 •除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术 •以计算机的CRT、键盘、鼠标等代替仪表盘形成系统的人机界面 •回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路 •人机界面由操作站实现，系统可有多台操作站 •系统中所有的现场控制站、操作站均通过数字通信网络实现连接 2.1.1 DCS系统的结构 一般讲DCS由四部份组成：I/O板、控制器、通讯网络和操作站。I/O板主要完成模拟和数字的转换（A/D和D/A转换）；控制器是DCS的核心部件，任务是完成以PID为主要功能的过程控制；操作站将生产过程与人相连，使人员达到监控、管理生产过程的目的；而通讯网络则是控制器与操作站之间的纽带。 2.1.2 DCS系统的发展 DCS是继1969年PLC问世后，由Honeywell公司在1975年首先推出TDC2000，当时它只有模拟量控制。随后出现的DCS有MAX-1、RS3、日本横河的YEPARK MARKⅡ、东芝的TOSDICDCS等。这个时期的DCS产品比较注重控制功能的实现，系统的设计重点是现场控制站。人机界面功能相对较弱，系统均由专有产品构成。 八十年代，随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的不断降低，第二代DCS产品出现了。它的最大特点是引入了局域网作为系统骨干。在功能上增加了顺序控制、逻辑控制等，加强了系统管理站的功能，人机界面功能更加完善。 八十年代后期，为适应信息社会发展的需要，加强信息管理，开发高一层次的信息管理系统，使DCS向高层次发展，出现了第三代DCS产品。第三代产品在开放性上有了很大改善，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入到系统中。 2.1.3 DCS系统功能 当前DCS系统的控制技术比较成熟和完善的。很多系统开发商都有自己公司的一整套解决方案。利用现存的技术将会享有系统集成容易、可靠性高、操作性好等方面的优势。 DCS系统具有以下功能: (1)适用于大规模的连续过程控制； (2)高精度的PID算法处理； (3)现场信号的实时监控； (4)实现工厂的全面信息化管理和先进控制； (5)在线修改工艺参数（对于一些重要控制回路的参数各大厂家仍不建议采用在线修改）； (6)现场和过程信息的共享。 2.1.4 DCS系统的行业特点 从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。计算机公司设计的DCS的相关软件的功能比较强大，人机界面比较友好。 从理论上来讲，DCS可以用于不同的工艺过程，它是通用的控制设备。但是，DCS的制造厂家可能专长于某一领域。如：HONEYWELL公司的早期产品TDC2000、TDC3000，主要用于石化部门。BAILEY公司的N90、INFI90主要用于电力系统，ROSEMOUNT公司的RS3、DeltaV大多用于化工系统。因为不同工艺过程会有一些特殊要求，如：石油化工部门一定要有选择性控制，电厂一定要有电调设备和事件顺序记录模块，造纸厂要有横向水分控制，水泥行业一定要有大纯滞后控制补偿等。因此选用DCS时考虑厂家的技术人员对本行业的工艺流程熟悉程度也是很有必要的。 2.2 现场总线系统（FCS） 2.2.1 现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表中，使它们各自都有数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通讯协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及总线仪表与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，其特点主要表现在以下方面。 (1) 全数字化:将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有FCS出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。 (2) 全分布式:在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。 (3) 双向传输:传统的4-20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。 (4) 自诊断:现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护。 (5) 节省布线及控制室空间:在FCS中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。 (6) 多功能仪表:可在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，集检测、运算、控制于一体。 (7) 开放性与互操作性:现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。 (8) 智能化与自治性:现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能化，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工 作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 2.2.2 IEC61158国际标准规定的几种常见总线及适用领域： (1)基金会现场总线，即Foundation Fieldbus,简称FF。其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、YOKOGAWA、ABB、SIEMENS等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首、联合欧洲等地150家公司制定的WordFIP协议。FF总线是针对过程自动化而设计，它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。 基金会总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.2kbps,通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。 (2)Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线。它主要由德国西门子公司支持。Profibus由三部分组成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA。其中，FMS主要用于非控制信息的传输，PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，Profibus-DP是制造业主要应用的协议内容。 (3)ControlNet主要由美国Rockwell公司支持，具有非常高的实时性能，界于设备级总线（DeviceNet）与工厂级总线（基于Ethernet）之间。在相同的通信链路上提供了适合于I/O控制设备的带宽、实时连锁响应、对等信息和程序传输，为断续和连续过程控制系统应用提供了确定性和重复性功能；并且允许多控制器处理I/O控制设备，提供了输入数据和对等数据两者之间的多点传送、通信传输媒体的冗余和本征安全的选择、灵活的网络拓扑结构选择（总线、树型等）和媒体传输介质（同轴电缆、光纤等）。 (4)WorldFIP主要由法国的Alstom公司支持，支持双重冗余总线运行方式，总线上可以连接PLC、I/O现场设备、控制器、HMI系统等。通过双重冗余总线，能够完全确保控制系统不会因为控制电缆损坏等原因造成其他控制系统被迫停机的事故。 (5)Interbus主要由德国Phoenix Contact公司支持，其网络简单，且易于安装与配置。网上的<