一種基于多重網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的海上平臺(tái)三地控制模式設(shè)計(jì)

馮楊鋒，羅飛箭，戚 蒿，尹燕波，王 松，尉星望，張 歡

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？冢?/p>

1 背景

1.1 海上平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)資源情況

中國南海的海上平臺(tái)距離陸地較遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸主要基于衛(wèi)星通訊技術(shù)、微波通訊技術(shù)、散射通訊技術(shù)進(jìn)行[1]。

通過衛(wèi)星通訊技術(shù)搭建的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、和費(fèi)用昂貴的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到衛(wèi)星帶寬帶來的費(fèi)用問題，一般架設(shè)帶寬在128K-8M 以內(nèi)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用于工業(yè)控制。

1.2 案例基礎(chǔ)情況介紹

1.2.1 設(shè)備設(shè)施情況

本案例中，新建的一套水下生產(chǎn)系統(tǒng)，位于A 平臺(tái)附近，其水下控制系統(tǒng)控制站(下稱：MCS 系統(tǒng))和數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)(下稱：PMS 系統(tǒng))部署在A 平臺(tái)[2]。B平臺(tái)上新建油氣接收處理系統(tǒng)，用于接收來自A 平臺(tái)附件水下生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)出來的凝析油和天然氣，B 平臺(tái)上新增一套工業(yè)控制系統(tǒng)。C 終端位于陸地，用于接收B 平臺(tái)處理合格的凝析油，同時(shí)也是A 平臺(tái)和B平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制中心。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況

本案例中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋A 平臺(tái)、B 平臺(tái)和C 終端?；谖⒉?、散射通訊技術(shù)，以C 終端為交互點(diǎn)，覆蓋有一體化的辦公網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況詳見圖1。

圖1 A 平臺(tái)、B 平臺(tái)和C 終端的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況

1.2.3 系統(tǒng)功能及控制要求

考慮到水下生產(chǎn)系統(tǒng)存在的流動(dòng)性保障問題[3]，從技術(shù)上要求，MCS 系統(tǒng)的操作站和PMS 系統(tǒng)的操作站需一同進(jìn)行部署,并在三地實(shí)現(xiàn)操控。

2 傳統(tǒng)基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的三地控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在南海固定式海上平臺(tái)的通用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一般只考慮單個(gè)平臺(tái)的控制和該平臺(tái)在終端的遠(yuǎn)程控制模式[4]。而且，在淺水的固定式平臺(tái)上，油氣生產(chǎn)處理工藝較為簡單，無需部署PMS 系統(tǒng)，僅僅只需要考慮工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸即可。但是，在本案例中，MCS 系統(tǒng)的操作站和PMS 系統(tǒng)的操作站需一同進(jìn)行部署。因此最初的通訊設(shè)計(jì)方案是，將MCS 系統(tǒng)和PMS 系統(tǒng)一同部署在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。給PMS 系統(tǒng)使用。

氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為0.089 9 g/L，是相對(duì)分子質(zhì)量最小的物質(zhì)，主要用作還原劑。三氧化鉬熔點(diǎn)為795 ℃，沸點(diǎn)為1 155 ℃，在800～1 000 ℃蒸氣中主要以聚合分子(MoO3)3的形式存在，溫度高于600 ℃顯著升華，與氣態(tài)水結(jié)合生成MoO3 (H2O)3[1]，適當(dāng)增加一段還原氫氣中的氣態(tài)水含量，能有效促進(jìn)三氧化鉬揮發(fā)[2]。

圖2 傳統(tǒng)基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的三地控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

最后，基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在B 平臺(tái)和C 終端部署PMS 遠(yuǎn)程站，即可通過遠(yuǎn)程桌面的訪問方式，訪問PMS 系統(tǒng)服務(wù)器，獲得遠(yuǎn)程控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)在B 平臺(tái)和C 終端控制PMS 系統(tǒng)，使用其功能，實(shí)現(xiàn)PMS 三地控制。

2.3 存在的問題

2.3.1 衛(wèi)星帶寬需求大

MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)均部署在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，雖然通訊穩(wěn)定性可以達(dá)到最高，但是兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星帶寬的需求較大。經(jīng)評(píng)估，兩個(gè)系統(tǒng)的帶寬需求超過4兆。

2.3.2 使用MCS 系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站

MCS 系統(tǒng)作為工業(yè)控制系統(tǒng)，本身數(shù)據(jù)服務(wù)能力較弱。當(dāng)PMS 系統(tǒng)從MCS 請(qǐng)求大量數(shù)據(jù)時(shí)，容易導(dǎo)致MCS 系統(tǒng)出現(xiàn)異常卡滯或宕機(jī)的情況，不利于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 基于多重網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的三地控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

2.2 數(shù)據(jù)流向

2.2.1 MCS 系統(tǒng)

對(duì)于MCS 系統(tǒng)而言，基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在B 平臺(tái)和C 終端部署MCS 遠(yuǎn)程站，即可通過遠(yuǎn)程桌面的訪問方式，訪問MCS 系統(tǒng)服務(wù)器，獲得遠(yuǎn)程控制權(quán)和數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)在B 平臺(tái)和C 終端控制水下控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MCS 三地控制。

2.2.2 PMS 系統(tǒng)

對(duì)于PMS 系統(tǒng)而言，它是一個(gè)分析的系統(tǒng)，它需要獲得以下3 部分?jǐn)?shù)據(jù)：

(1) MCS 系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)：通過TCP/IP 協(xié)議，將MCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)全部傳輸給PMS 系統(tǒng)使用。

(2) A 平臺(tái)部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)：通過RS485 協(xié)議將少量數(shù)據(jù)傳輸給MCS 系統(tǒng)，再由MCS 系統(tǒng)傳輸給PMS系統(tǒng)使用。

(3) B 平臺(tái)接收端的生產(chǎn)數(shù)據(jù)：通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，從B 平臺(tái)新增的中控系統(tǒng)，使用OPC 協(xié)議將部分需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)回傳到MCS 系統(tǒng)，再由MCS 系統(tǒng)傳輸

3.1 操作需求與安全性分析

3.1.1 MCS 系統(tǒng)

MCS 系統(tǒng)主要功能是負(fù)責(zé)控制水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)備，屬于工業(yè)控制系統(tǒng)范疇。在操作上，要求有高可靠性、高穩(wěn)定性、安全性。無論是正常工況，還是臺(tái)風(fēng)遙控工況[4]，部署遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)，都應(yīng)該優(yōu)先選用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)部署，以確保油氣生產(chǎn)可以安全穩(wěn)定地進(jìn)行。

3.1.2 PMS 系統(tǒng)

PMS 系統(tǒng)是基于數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)，不屬于工業(yè)控制的范疇。在使用PMS 的在線預(yù)警功能時(shí)，需要保證PMS 系統(tǒng)的正常運(yùn)行和使用。但同時(shí)考慮到，水合物的形成是一個(gè)漸變的過程，而且實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)在MCS 系統(tǒng)上也有顯示。故在采用遠(yuǎn)程登錄的方式使用PMS 系統(tǒng)時(shí)，因短時(shí)間的通訊中斷造成的系統(tǒng)異常，是可以接受的。

在使用PMS 系統(tǒng)計(jì)劃預(yù)測(cè)功能時(shí)，需要截取一段時(shí)間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入，然后由系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算和推演，此過程由本地服務(wù)器完成，故短時(shí)間的通訊中斷造成的系統(tǒng)異常，也是可以接受的。另外，在正常工況下，雖然可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，但是實(shí)際上A平臺(tái)上也是有操作人員的，該部分人員可以作為最后的操作保障。

在臺(tái)風(fēng)遙控模式下，水下生產(chǎn)系統(tǒng)需要盡量維持穩(wěn)定，當(dāng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，MCS 系統(tǒng)直接執(zhí)行關(guān)停保護(hù)，防止問題擴(kuò)大。所以在該工況下，PMS 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)劃預(yù)測(cè)功能意義不大，故對(duì)PMS 系統(tǒng)功能不做要求。

3.2 MCS 系統(tǒng)的三地部署方案

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路中部署MCS 系統(tǒng)，部署的過程中，所有交換機(jī)、路由器，均采用直連的模式，禁止路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，固定端口帶寬，提高拓?fù)淇煽啃?。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 MCS 系統(tǒng)基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三地部署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 PMS 系統(tǒng)的三地部署方案

基于微波、散射通訊鏈路，將PMS 系統(tǒng)部署在辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。來自A 平臺(tái)原中控系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)、MCS系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)和B 平臺(tái)新建中控系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)，經(jīng)過單向的光閘，進(jìn)行硬件隔離后，由A 平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心中集中采集儲(chǔ)存。PMS 系統(tǒng)通過辦公網(wǎng)絡(luò)，從數(shù)據(jù)中心讀取用于分析的數(shù)據(jù)，并通過辦公網(wǎng)絡(luò)，與B 平臺(tái)的PMS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作站、C 終端的PMS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作站相連接。詳細(xì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 PMS 系統(tǒng)基于辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三地部署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.4 多重網(wǎng)絡(luò)綜合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

3.4.1 減少衛(wèi)星帶寬占用，辦公網(wǎng)絡(luò)資源利用率提高

將PMS 系統(tǒng)部署在辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以減少對(duì)衛(wèi)星帶寬的占用。同時(shí)，可以利用辦公網(wǎng)絡(luò)40M～100M 的大網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸，釋放PMS 系統(tǒng)的性能。

3.4.2 MCS 系統(tǒng)不再作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，系統(tǒng)穩(wěn)定性高

通過利用原來A 平臺(tái)上部署在辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心，作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集。A 平臺(tái)原中控系統(tǒng)服務(wù)器、MCS 系統(tǒng)服務(wù)器和B 平臺(tái)新建中控系統(tǒng)服務(wù)器只需要定時(shí)向光閘發(fā)送約定的數(shù)據(jù)即可。這是計(jì)劃性的事件，有利于服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4.3 MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件隔離，穩(wěn)定性高

通過增加單向光閘，MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件隔離。屬于工業(yè)控制范疇的MCS 系統(tǒng)得到了安全保護(hù)，自身安全性沒有降低，解決了MCS 系統(tǒng)的額外授權(quán)問題。另外，在MCS 系統(tǒng)與PMS 系統(tǒng)之間，增加了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效調(diào)度，確保了多個(gè)系統(tǒng)互聯(lián)之間的穩(wěn)定性。

3.4.4 用最經(jīng)濟(jì)最靈活的方式實(shí)現(xiàn)了三地控制

最大限度利用A 平臺(tái)原有網(wǎng)絡(luò)硬件資源，將單向光閘、數(shù)據(jù)中心的作用發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的接入。以數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，極大地提升了數(shù)據(jù)再利用的靈活性。將PMS 系統(tǒng)通過辦公網(wǎng)絡(luò)部署，長遠(yuǎn)考慮了占用衛(wèi)星通訊資源帶來的租賃費(fèi)用，有效降低了后期的運(yùn)維費(fèi)用。

4 結(jié)論

本文主要圍繞南海A 平臺(tái)、B 平臺(tái)和C 終端三地的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)案例進(jìn)行研究，分析基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、微波網(wǎng)絡(luò)和散射網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)部署的優(yōu)劣，最終得出將MCS 控制系統(tǒng)部署在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、PMS 系統(tǒng)部署在辦公網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)方案。該方案實(shí)現(xiàn)在A 平臺(tái)、B平臺(tái)和C 終端三地多系統(tǒng)的控制，為后期水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)控制站就地部署，接收站建設(shè)在遠(yuǎn)端的這種開發(fā)方案提供了成熟可靠的控制解決方案，在保障生產(chǎn)安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，整合資源能力，突破空間屏障，提升了系統(tǒng)間的智能化水平。