08-2-FPSO中控系统介绍.doc

FPSO中控系统介绍FPSO中央控制系统是FPSO的大脑和神经系统，FPSO中央控制系统设计的好坏将直接影响整体FPSO的生产运行、安全和管理。本文将对FPSO中央控制系统的配置、设计及主要功能作基本的介绍，并就中控系统的网络拓扑结构、现场总线进行了分析和研究。一、FPSO中央控制系统所包含的系统（设备）1、主要功能及目的随着目前国际网络技术的发展，FPSO 中央控制系统的集中控制和集中管理功能将越来越复杂和高度集成。一般FPSO上的全船中央控制系统主要应具有以下功能： 为船舶管理人员提供日常工作的管理信息 为原油生产人员提供日常工作的过程处理信息，保证生产安全、连续运行 为全船人员提供必要的安全信息，保障人员安全 接受与处理各项实时信息以防止潜在的危险和趋势分析 实现数据的有序的录入和输出 为公司管理层提供必要的实时信息，便于公司的管理 在船上实现与国际互联网的安全连接，便于与外界联系2、网络结构FPSO中控系统是一个综合性计算机局域网络，各子系统与现场装置（包括各种传感器、执行机构和驱动装置）采用现场总线控制系统（FCS），各子系统工作站之间的信息交换与图片显示采用TCP/IP网络。一般FPSO全船自动化系统的网络结构一般分为四层，第一层为现场设备控制层，第二层为现场监控层，第三层为船舶管理层，第四层为公司管理层。第一层和第二层一般为底层控制网络系统，主要用于采集现场设备的各种信息。第三层为局域网（LAN），主要用于内部网络的信息交换，数据处理及故障判断等。第四层为广域网（WAN），主要用于与外部网络的信息交换和联络。3、网络拓扑结构网络拓扑结构是指网络中节点的互联形式。常见的网络拓扑结构有星形、环形、总线形、树形。由于FPSO中央控制系统存在的接口繁多，信息处理量大的原因，故对于FPSO中央控制系统来说，选择网络拓扑结构需要考虑的主要因素时可靠性、经济性、灵活性、便于扩展。总线型或环形结构更适合，目前绝大部分的FPSO中控计算机系统的制造商一般均采用环形结构和总线型结构，例如ABB公司的ICS系统，FISHER-ROSEMOUNT(美国公司)的DeltaV系统和Foxboro公司的I/As系统。4、网络协议FPSO中控系统网络中的底层控制网络一般采用现场总线形式。现场总线也叫通用现场通讯系统，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讯的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现在市场上有种类繁多的现场总线形式存在，一般可分为主流现场总线形式和非主流现场总线形式。主流现场总线是指符合IEC现场总线协议模型框架，具有近似标准数字信号制的现场总线产品，这类现场总线主要有IEC61158现场总线、现场总线基金会的FF现在总线、德国的Profibus现在总线和法国的World FIP 现在总线等。目前FPSO全船中控系统网络中的底层控制网络采用现场总线基金会的FF现场总线或德国的Profibus-DP现场总线层为多数。例如最近已完工的秦皇岛15万吨FPSO、文昌15万吨FPSO、番禹15万吨FPSO、曹妃匍15万吨FPSO等。值得指出的是，随着计算机、控制、网络通信技术的不断发展，以及因特网（Internet）迅速扩大，它采用的通讯协议TCP/IP也被广泛应用。目前的FPSO 中控系统网络的主干网中也都采用此通讯协议。TCP/IP（Transfer Control Protocol/Internet Protocol）是通俗实用的通信协议，用于信息资源共享的一种协议，它具有简单、方便、信息量大，非常适用于像FPSO这样的大型船舶。5、传输介质及速度由于FPSO 中控系统具有外接监控设备多，信息交流多，数据处理复杂，接入信号杂等特点，对网络的传输速度有很高的要求。目前大多数FPSO中控系统的底层控制网大多采用10/100Mbps的传输速度，主干网大多采用快速以太网结合1000Mbps以太网的传输速度。一般情况下，带屏蔽的5类对绞线或超5类对绞线（STP）适合用于FPSO中控系统的低层控制网络（及现场总线），同轴电缆（CX）和光纤电缆（FO）比较适合用于FPSO中控系统的局域网，无线电与卫星通讯比较适合用于FPSO 中控系统的广域网。各种传送介质的主要特点如下表1所示。表1 传输介质主要特性传输介质最大传送距离（m）速率（Kbit/s）抗干扰性误码率价格TP110000.3 4000低频时相当于CX；大于10kHz，低于CX10-5- 10-6低CX10 - 10000300150000较强10-7较低FO10 - 100001-500000不受外界电磁干扰的影响 10-10较低6、硬件设备 FPSO 中控系统网络系统的硬件一般包括操作站（有个人计算机组成）、控制器、输入/输出卡件、打印机、UPS电源、中继器、网桥、路由器、网卡等。在FPSO上，操作站一般设有几台日常应用管理操作站和1-2台网络维护工程师操作站，日常应用管理操作站与网络维护工程师操作站可以通过软件权限设置进行互换。FPSO 中控网络系统的控制器一般在系统中应选用带有双重配置的双冗余的故障安全型的控制器，它能通过两个处理器的数据对比结果来提高数据处理的准确性，以及通过双路供电来减少系统的故障性。根据FPSO中控网络系统外接信号形式的不同，在FPSO上一般配有不同的输入/输出卡件。输入/输出卡件一般有模拟量输入/输出卡、开关量输入输出卡、串行通讯卡、HART卡等。模拟量输入卡中又分为RTD输入卡、热电偶输入卡、电位器输入卡、二线制4-20mA输入卡、四线制4-20mA输入卡、DCO-10V输入卡等。串行通讯卡一般采用MODBUS串行通讯卡。HART卡是一种用于现场总线协议的卡件，它的特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，它根据采用现场总线协议的不同，一般又分为基于Profibus协议的HART卡和基于FF协议的HART卡。UPS电源装置的配置是为了保证在FPSO全船失电的情况下，FPSO中控网络系统仍能正常工作一段时间，规范要求，配备的UPS电源装置至少要保证在全船失电至少30分钟内系统能正常供电。中继器、网桥、路由器、网关这些设备是网络互连设备。在物理层，使用中继器在不同网段之间复制信号；在链路层，使用网桥在局域网之间存储或转发数据；在网络层，使用路由器在不同网络间存储转发信号；在传送层及传送层以上，用网关进行协议转换，提供更高层次的接口。7、操作软件 由于微软公司开发的WINDOWS操作系统具有很高的开放性，及良好的人机交互界面。所有现在FPSO上多数操作软件都采用WINDOWS NT SERVER操作系统。WINDOWS NT SERVER是一种具有很强连网功能的局域网作系统。它采用网络驱动接口规范NDIS与传输驱动接口标准，内置多种标准网络协议，如TCP/IP,NetBIOS,NetBEUI,并允许用户同时使用不同的网络协议进行通信。现在，FPSO中控网络系统上所选用的一些应用软件大都时基于WINDOWS操作系统下的。同时，很多FPSO中控系统的供应商还提供了一些各自的应用软件和操作软件及检测软件，以满足管理FPSO 的特殊需求。二、 FPSO中央控制系统各子系统（设备）的特点和主要监控功能通常FPSO 中控系统应包括船舶管理系统（VMS）；生产模块控制系统（PCS）；应急切断系统（ESD）；生产模块应急切断系统（PSD）；火警/气体探测系统（FG）；信息管理系统（IMS,包括生产、计划管理和备件管理）等，并且根据FPSO系泊方式的不同而与单点系泊系统（SPM）、内转塔式系泊系统（Turret）和动力系泊定位系统（POSMOOR）之间也有接口。1 船舶管理系统（VMS） 它是主要用于提供船舶日常管理放入计算机信息系统。它包括了功率管理系统、阀门遥控系统、液位遥测系统、货油泵控制系统、监测报警系统、装载计算机系统、数字摄像监视系统等信息，它能帮助船舶管理人员对船用各子系统进行安全、有效、可靠、及时地管理。2 生产模块控制系统（PCS）它主要为原油加工模块的生产管理人员提供动态的生产流程信息、显示主要工艺参数，监视主要生产模块设备的运行情况，处理报警事件，并可以为生产模块管理人员提供如在线修改参数等的人机交互功能。3应急切断系统（ESD）它是保证船舶安全的重要环节，当该系统一旦接收到船上的潜在危险的报警信号，通过预先设定的逻辑判断程序自动或手动地对船上相应的设备或系统进行切断，从而来保证人员和设备的安全。一般该系统分为四级，第一级：全船总切断（弃船状态）；第二级：船舶部分应急切断；第三级：生产模块的应急切断；第四级：个别设备单独应急切断。低级别的关断不能引起高级别的关断，而只能触发比它更低级别的关断。从“故障安全”的设计原则来考虑，对于没有航行能力的通常应急切断系统应采用“常闭”回路，以保证紧急状态的可靠切断。对于影响船舶推进（对于有自航能力的）和电站的应急切断回路，应采用带有线路监测保护的“常开”回路。一般在船舶部分应急切断的级别中又可以根据船上的不同工作区域分成好几个不同的切断区域。出于经济性考虑，船东往往希望在发生危险时，在保证安全第一的原则下尽量减少对生产的影响，故如何协调解决好安全与生产的问题在应急切断系统（）是一个非常重要的项目。4生产模块应急切断系统（）它是应急切断系统（）的一部分，它是保证原油生产设备安全性的一个重要环节，它通过接收在原油生产过程中的各种潜在危险报警信号，通过预先设定的逻辑判断自动或手动地对原油生产设备进行切断，从而保证生产人员安全及生产设备的安全。火警气体探测系统（FG）它主要是对上可能存在的危险气体泄漏进行自动检测，并能对意外的危险火源进行预报警的系统，它是保证上人员和设备安全的一个重要环节。由于生产工艺模块在船上的使用，除了火警探测报警系统外，还具有比常规油船更多的危险气体探测系统，气体探头除了在生产工艺模块、深井泵附近、泵舱、气体易泄漏区域等处安装外，还需要在居住区域、机舱区域的进出风口处安装气体探头，以确保全船安全。FPSO 火警系统除了安装常规的感温、感烟探头外，有的在生产区域、锅炉等易发生火灾的区域安装火焰探头（紫外线/红外线探头）。另外，FPSO 的火警/气体探测系统（FG）应与应急切断系统（ESD）相连，当发生火灾和危险气体泄漏时，能通过应急切断系统（ESD）自动切断发生火灾区域的风机、油泵及相应的防火风闸和防火门，以确保火灾尽量不扩散。由于FPSO上安装的火/气探头数量比较多，在重要区域为了防止探头的误动作，故应采用带有可寻址及表决功能的火警/气体探测系统（FG）。6 信息管理系统（IMS）它主要是为生产人员提供必要的信息，以制定生产计划、管理计划和备件管理等7、生产模块过程控制系统（PCS）PCS系统主要负责动态显示生产流程的状态、显示主要工艺参数，可以在线修改控制系统的参数。监视主要设备的运行情况，处理报警事件等。生产模块过程控制系统（PCS）在SAS系统中一般时个相对独立的子系统。为了体现在线及安全功能，一般PCS系统配有二个控制柜。每个控制柜内主要配有主控制器模块、冗余的电源模块、冗余的网络节点接口模块、用于远程监控接口模块等。主控制器模块不仅应具有故障容错功能，还应配有冗余的CPU和内存，并且能直接挂在中控网络总线上进行实时地人机交互。一般现场设备的数据传输有两种方式，第一种方式是在生产现场配有PCS远程遥控输入/输出I/0柜，用于连接现场仪表、阀门等现场设备，并通过数据总线将这些现场设备的情况传输给主控制器，并能在PCS操作站的显示器上通过模拟图的形式实时地反映现场情况。第二种方式是现场配备带有HART(HIGHWAY ADDRESSABLE REMOTE TRANSDUCER)通讯协议的现场仪表，将这些仪表直接挂在网络总线上就能将现场数据传输到主控制器上。8、 生产模块应急切断系统（PSD）生产模块应急切断系统（PSD）一般处于全船应急切断系统（ESD）的第三级。由于生产模块部分在FPSO上是一个重大的危险源，生产模块应急切断系统（PSD）是保证FPSO安全性的一个重要系统。生产模块应急切断系统（PSD）的控制器直接利用ESD系统的主控制器。它先通过接受现场仪表及设备的实时信息，再通过预先在控制器内设有的逻辑和程序来判断危险，判别出危险后，再自动或手动地进行相关现场设备的切断功能，从而保证生产设备及FPSO的安全。但由于应急切断功能根据规范要求是不允许使用通讯方式实现，故所有应急切断系统的输入及输出必须是硬线连接，并且所有的输入/输出卡件也应是冗余的。通常还在中央控制室里设有一块全船应急切断主板，此应急切断板上配有各个级别的应急切断按钮，当然也包括PSD 系统的切断按钮。另外如果船上还有其它的应急控制室或消防控制室，则在这些地方还应另设有一块应急切断系统子板，应急切断子板的功能应相同与应急切断主板，但是应急切断子板的优先级别应低于应急切断主板。9、动力定位系统与中控系统的接口数字接口有：现场总线接口、LAN的网络接口。采用网络接口可把DPS(或POSMOOR)与船上的ICSS的LAN直接连接。如挪威Simirad公司的DPS可带NDU（网络分配单元）。NDU中包含有HUB和开关。HUB是多端口的网络收发器，对任何结点（操作站、控制器、其他网络设备）发送的所有数据都是透明的。带有开关的网络使整个系统中网络交通进行分隔。例如Simirad公司的DPS与中控系统有接口，为动力定位系统还提供过程分析（History Reviewer）软件，可分析与动力定位性能相关的数据和事件，接近时间系统数据库、事件数据库，作标记以便快速查找，显示数据及图形。DPS还要与船舶电站管理系统（PMS）有接口，要求PMS提供电站的运行数据，如发电机开关状态、发电机的负荷信号等。DPS具有监视船舶电站运行状况，防止发电机过载、避免船上断电的监控程序。DPS还可从外部的计算机上下载航迹、航线点，用于航迹控制，这可以是NMEA0183的标准通信接口，如ALSTOM公司的DPS.10、中控系统网络与岸上计算机网络的安全连接中控系统网络通过海事卫星船站（B/F）与岸上通讯，把本船的数据、信息通过卫星船站发送，与岸上的计算机网络通信，进Internet,可进行E-mail通信。为了船上计算机网络的安全，设一通信服务器与卫星船站终端连接。通信服务器设防火墙，可保护船上LAN的安全。海事卫星船站宜用F站，它提供双向海事卫星链路，提供MDPS海事卫星通信。它可用IP路由器（ROUTER）与船上的LAN相连。三、中央控制系统现场检验方法1、系统总体检验1） 系统图纸包括确认中控系统所有部件的安装符合系统图纸要求；检查各类型模块及组件的安装位置是否正确。2）系统输入、输出部件的布置主要是根据输入/输出部件图检查所有输入/输出部件的安装位置。3）安装检查主要有a 检查系统电缆是否已正确敷设、电缆的规格是否满足负载要求；b 确认所有AC110V、AC220V的电缆已被有效隔离（放入电缆槽内），以 保证操作人员的安全；c 检查DCS系统- 确认插座的系统部件载体已连接- 确认系统电源单元已插到系统部件载体上- 确认控制器已插到系统部件载体上- 确认系统部件载体上的系统供电连接正确- 确认输入/输出卡键已正确插到系统部件载体上- 确认连接到系统部件载体上的现场电源连接正确- 确认工作站已安装完毕- 确认集线器、工作站的供电正确- 确认各工作站、PLC与集线器之间的网络电缆已连接，机柜内的冷却风机工作正常。- 检查打印机等外围设备工作正常。4）综合调试a 根据中控系统图，检查中控系统供电电源连接的正确（包括主电源、应急电源、备用电源等）；b 通过插拔任意一路电源而不影响系统正常工作，以确认系统电源冗余功 能；c 通过插拔任意一个控制器而不影响系统正常工作，以确认系统控制器冗 余功能；d 通过插拔任意一根连接到集线器上的网络电缆而不影响系统正常工