環(huán)網(wǎng)交換機通訊技術(shù)在邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用

呂瑞升

1，何金平2（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司邊際油田開發(fā)項目組，天津 300457；2. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300457）

本文過介紹環(huán)網(wǎng)交換機通訊技術(shù)，實現(xiàn)遠程無人駐守井口平臺與依托平臺之間的信號傳輸及控制，

環(huán)網(wǎng)交換機 光纖 VLAN技術(shù)

1 中心平臺中控系統(tǒng)介紹

中控系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷（ESD）系統(tǒng)和火氣探測（F&G）系統(tǒng)3套控制系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)集成手段設(shè)計成一個整體，實現(xiàn)分散控制，集中管理的目的。

過程控制系統(tǒng)（PCS）完成對平臺的生產(chǎn)和公用流程的溫，壓，流，液數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)測，并監(jiān)控泵的狀態(tài)以及重要閥門的狀態(tài)，在監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時啟動報警信號。

設(shè)置應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）的主要目的是為了保護平臺人員和設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，將事故的損失限制到最低。應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足故障安全型系統(tǒng)的要求，同時應(yīng)確保某一級別的關(guān)斷指令只能啟動本級別和所有較低級別的關(guān)斷，而不能引起較高級別的關(guān)斷。

設(shè)置火氣探測系統(tǒng)（FGS））的主要目的是及時、準確地探測到可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火情或可燃氣體泄漏，及時采取相應(yīng)的安全措施（如報警、關(guān)斷、消防等），以保護平臺人員和設(shè)備的安全。

2 無人駐守井口平臺控制系統(tǒng)介紹

鑒于無人駐守井口平臺的特殊性，并不需要在其上設(shè)置中控系統(tǒng)，該平臺上面的控制功能將通過網(wǎng)絡(luò)交換機來實現(xiàn)。由于目前無人駐守井口平臺和依托平臺的開采方式采用“三一”模式，即一座平臺（無人駐守井口平臺），一條海管管線和一條海底電纜。無人駐守井口平臺需要的控制參數(shù)包括：

1) 過程控制系統(tǒng)（PCS）通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖引入中心平臺的中控系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控管理；

2) 緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖引入中心平臺的中控系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控管理；

3) 火氣探測系統(tǒng)（FGS）通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖引入中心平臺的中控系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控管理；

4) 無人駐守井口平臺房間內(nèi)設(shè)置電話，電話通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入中心平臺的 PABX系統(tǒng)中，實現(xiàn)平臺之間的電話通信聯(lián)系；

5) 無人駐守井口平臺房間內(nèi)設(shè)置揚聲器，揚聲器通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入歧口中心平臺的PAGA系統(tǒng)中，實現(xiàn)平臺生產(chǎn)調(diào)度、火氣報警、緊急指令發(fā)布功能；

6) 無人駐守井口平臺房間內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)接口通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入中心平臺的LAN系統(tǒng)中，實現(xiàn)兩平臺之間的信息傳輸及處理；

7) 無人駐守井口平臺上設(shè)置若干攝像頭，攝像頭信號通過網(wǎng)絡(luò)和海纜的光纖接入中心平臺的CCTV系統(tǒng)中，實現(xiàn)兩平臺之間的重點設(shè)備的生產(chǎn)安全及危險區(qū)域進行實時監(jiān)控。

3 環(huán)網(wǎng)TN1U系統(tǒng)切換原理

3.1 環(huán)網(wǎng)交換機框架圖

環(huán)網(wǎng)交換機框架圖見圖1。

3.2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)切換原理

環(huán)形拓撲為所有的電路提供多種路由的能力。如果某一個公共部件有故障，比如TN1U群路部件或者CMUX部件，信息自動變更路由到備用通道，切換時間小于3 ms。圖1和圖2舉例說明當光纖產(chǎn)生故障時信息是如何變更路由和經(jīng)過節(jié)點。

圖1 環(huán)網(wǎng)交換機框架圖

正常情況下，某個TU-1（業(yè)務(wù)）被指定在站A和B之間通信。通常兩個站之間的最短途徑被指定為優(yōu)先路徑。通信量沿著兩個路徑傳送但只有一個方向被接收。通道切換發(fā)生在一對CMUXE部件內(nèi)。雖然效果上有兩個CMUXE部件（一個接左TN1U群路部件，一個接右TN1U群路部件），但以上顯示的CMUX部件是作為一個部件。

當發(fā)生故障時，通信量（信息）將自動變更路由到備用（Standby）路徑。業(yè)務(wù)信息經(jīng)過在備用路徑上的所有節(jié)點，同時保持所有的電路通信。TU經(jīng)過節(jié)點的延時根據(jù)使用的群路部件 TN1U的類型的不同而不同（STM-1或者STM-4），每節(jié)點的延時為16 μs到20 μs。當排除異常情況后，系統(tǒng)自動恢復回優(yōu)先路徑。

4 無人駐守井口平臺各系統(tǒng)接入方案

4.1 無人駐守井口平臺各系統(tǒng)接入方案示意圖

無人駐守井口平臺各系統(tǒng)接入方案見圖4。

4.2 管理型環(huán)網(wǎng)交換機技術(shù)參數(shù)

1) 支持POE 供電和千兆級聯(lián)的10 端口網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機8 個10/100BaseTX RJ45端口，支持 802.3af / 802.3at；

2) 最多支持 2 個千兆以太網(wǎng)光纖端口；

3) 最多支持 2 10/100/1000BaseTX 雙絞線端口；

4) 1 個 54VDC，160W（8 端口供電支持802.3af標準或 4 端口供電支持 802.3at 標準）；

5) 1個 54VDC，160W（8 端口供電支持802.3at標準）；

6) 基于 VLAN（802.1Q）的網(wǎng)絡(luò)通信隔離和安全。

圖2正常配置情況

圖3光纖故障情況下的保護切換

圖4無人駐守井口平臺各系統(tǒng)接入方案示意圖

中心平臺及無人平臺分別布置兩臺管理型環(huán)網(wǎng)交換機，合計4臺環(huán)網(wǎng)交換機，每臺交換機上有兩個用于組環(huán)的端口，交換機之間通過手拉手形式構(gòu)成了環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)拓撲，通過光纖組成環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點是某一根光纖出現(xiàn)故障，可以自動跳到另一條光纜進行通訊。

無人駐守井口平臺的 PCS、ESD、FGS、電話系統(tǒng)、揚聲器、攝像頭等系統(tǒng)必須具備網(wǎng)絡(luò)接口，可通過網(wǎng)線直接接入管理型環(huán)網(wǎng)交換機。

中心平臺的中控系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、揚聲器、CCTV等系統(tǒng)需具備網(wǎng)絡(luò)接口，可通過網(wǎng)線直接接入管理型環(huán)網(wǎng)交換機，如不具備，需通過改造增設(shè)網(wǎng)絡(luò)接口。

虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，簡寫 VLAN）是一種建構(gòu)于局域網(wǎng)交換技術(shù)(LAN Switch)的網(wǎng)絡(luò)管理的技術(shù)。VLAN是一種將局域網(wǎng)設(shè)備從邏輯上劃分成一個個網(wǎng)段，從而實現(xiàn)虛擬工作組的新興數(shù)據(jù)交換技術(shù)。對于平臺內(nèi)各系統(tǒng)IP地址不在同一網(wǎng)段的情況，環(huán)網(wǎng)交換機具備VLAN技術(shù)，可以把同一物理局域網(wǎng)內(nèi)的不同系統(tǒng)邏輯地劃分成不同的廣播域，由于是從邏輯上劃分，而不是從物理上劃分，所以同一個VLAN內(nèi)的各個工作站沒有限制在同一個物理范圍中，即這些工作站可以在不同物理 LAN網(wǎng)段。由VLAN的特點可知，一個VLAN內(nèi)部的廣播和單播流量都不會轉(zhuǎn)發(fā)到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設(shè)備投資、簡化網(wǎng)絡(luò)管理、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4.3 專用設(shè)備（DTT卡）的可靠性

4.3.1 緊急關(guān)斷DTT專用卡

圖5 DTT-XMT單元前面板

鑒于安全系統(tǒng)的重要性，安全系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成獨立于控制和報警系統(tǒng)，使其不受控制和報警系統(tǒng)故障的影響。[2]傳輸緊急關(guān)斷等干接點信號，設(shè)備的可靠性必須非常高，不能有任何的誤動作，否則會影響生產(chǎn)，甚至導致油田停產(chǎn)，這就要求專用的卡件電路中每個回路的設(shè)計必須完全獨立并隔離，DTT卡件中傳輸干接點信號的4個電路設(shè)計完全獨立并隔離，接收端在收到，也只有收到一個完整的正確的 96－bit幀時才發(fā)出一個預(yù)定的動作信號。圖表96中顯示了各種傳輸誤碼率的誤動作概率。在正常傳輸下，誤動作的概率優(yōu)于10-72，這是實際應(yīng)用時的最低點，同時， 甚至在連續(xù)的0.1誤碼率（最壞情況），誤動作概率也只有 10-16，也就是300,000年一次。

圖6 誤動作概率

4.3.2 DTT卡的傳輸編碼及延時

從DTT－XMT傳來的輸入信號是連續(xù)的同步比特流。比特流含有緊鄰的96－BIT結(jié)構(gòu)，除此外，將會提前中止出一個空閑的幀來加快高優(yōu)先級幀（新的遠動信號）的傳輸。從圖中可看出，96位編碼中：16位的頭編碼，24位的地址編碼，12位的關(guān)斷數(shù)據(jù)，8位測試碼，4位報警碼，32位的循環(huán)冗余校驗 CRC（Cyclic Redundancy Check）編碼。這樣在傳輸上徹底避免了由于數(shù)據(jù)的誤碼和錯碼造成的誤關(guān)斷。

一般兩平臺之間的關(guān)斷信號主要延時來自設(shè)備本身的延時（信號在海底光纜的傳輸速度為5 μs/km，可不考慮，見圖8），專用設(shè)備卡件的端到端延時為3 ms，能夠完成最嚴格的關(guān)斷信號延時要求。

總之，隨著海上平臺工藝設(shè)施安全保護要求的不斷提高，一些海上油氣田開始采用高完整性壓力保護系統(tǒng)（HIIPS）來保護生產(chǎn)設(shè)施和人員安全[3]。對于緊急關(guān)斷信號的穩(wěn)定性及安全性的要求也越來越高，這也給各生產(chǎn)廠商提出了更高的要求，一般安全系統(tǒng)的 SIL等級也要求達到SIL2甚至SIL3的等級。

5 結(jié)束語

簡易井口平臺設(shè)施少，儀控系統(tǒng)盡量設(shè)置簡單，但對于無人駐守井口平臺一般依托現(xiàn)有設(shè)施進行遙控、監(jiān)測和關(guān)斷，儀控系統(tǒng)簡單而又要求可靠，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高了平臺的自持能力，減少人員登平臺的次數(shù)[4]。環(huán)網(wǎng)交換機在控制方面發(fā)揮了重要的作用。對于環(huán)網(wǎng)交換技術(shù)的應(yīng)用，達到了自動化系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)使運行過程中出現(xiàn)的一個故障不會導致其他故障的產(chǎn)生，并且其產(chǎn)生的危險性會降到盡可能低的程度的要求[5]。通過以上方案的闡述，在邊際油田開發(fā)方面，控制方案的優(yōu)化及應(yīng)用將對目前形勢下的降本增效提供有力的實踐意義，同時為海上石油開發(fā)中通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計積累經(jīng)驗及借鑒。

圖7 BC96 碼

圖8 DTT延時邏輯圖

[1] 中國海洋石油總公司. Q/HS 3024-2012 海上無人駐守井口平臺設(shè)計規(guī)定[S]. 2013.

[2] 海洋石油工程設(shè)計指南編委會. 海洋石油工程電氣儀控通信設(shè)計[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[3] 徐正海等. 海上平臺儀控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[M]. 2013.

[4] 海洋石油工程設(shè)計指南編委會. 海洋石油工程邊際油氣田開發(fā)技術(shù)第 13冊[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2010.

[5] 中國船級社. 海上移動平臺入級規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

The Communication Technology of Ring Network Applicated in Marginal Oil Fields Development

Lyu Ruisheng1, He Jinping2

(1. CNOOC Energy Technology & Services-Marginal Oil Fields Development Project Group, Tianjin 300457, China;

2. CNOOC Energy Technology &Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

This article introduces the ring network- switch communication technology. The technology realizes signal transmission and control between the remote unmanned wellhead platform and relying platform. It is better than that of the optimal terminal machine in cost and is feasible in technical which plays a certain practical application role in communication technology for the marginal oilfield.

ring network switch; optical fiber; VLAN technology

TN915.05

A

1003-4862（2017）02-0074-04

0 引言

2016-08-12

呂瑞升（1980-），男，工學學士，工程師。研究方向：船舶及海洋工程發(fā)電、配電系統(tǒng)。

E-mail: lvrsh@cnooc.com.cn制系統(tǒng)是海上油氣田開發(fā)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它是海上油氣田各種開發(fā)設(shè)施的大腦和安全衛(wèi)士。只有儀表控制系統(tǒng)發(fā)揮良好的功能才能保障海上油氣田得以順利的開發(fā)[2]。

在成本費用上優(yōu)于光端機，技術(shù)上可行，為今后邊際油田在通訊技術(shù)方面起到了一定的實踐應(yīng)用意義。

海上采油平臺的生產(chǎn)過程離不開自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個平臺開采、生產(chǎn)和集輸及消防安全正常運行的保證。隨著海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，根據(jù)開采規(guī)模的不同，海洋石油平臺向著兩極發(fā)展。一方面，將所有的油氣生產(chǎn)及處理、人員生活區(qū)都集中在一個平臺上，即形成一個中心平臺（CEP），另一方面，對于邊際油田的開采開發(fā)，由于井數(shù)少、平臺設(shè)施簡化，無動力設(shè)施、油氣處理設(shè)施。正常生產(chǎn)條件下，平臺上無人進行生產(chǎn)操作，特殊情況下，如檢修、應(yīng)急故障處理、調(diào)查，以及定期巡檢期間，可以登平臺，但不得在平臺住宿，即所謂的無人駐守井口平臺[1]。這就需要不同的控制方案對不同規(guī)模的進行控制，控制系統(tǒng)的選型也隨之不同。儀表控