一、項目簡介 　　科威特西部油田GC27、GC28集油站和傳輸管線生產設施擴建項目，是中國石油工程建設公司通過投標的方式，在國外承包的最大的EPC總包合同，合同金額近四億美元。GC28站設計規模為原油 1270×104 m3/a (220MB/D)，天然氣 487×104 m3/a （170MMSCFD），工藝流程為凝析油采用分子篩脫水和凝析油脫色工藝；原油采用中質油和輕質油分別處理而且壓力等級不同的兩套流程；氣體處理采用三級壓縮，兩套裝置并聯運行；采用了有煙火炬、無煙火炬、泄壓液體自動燃燒等新工藝，新設備。油系統的操作范圍為25%－110%、氣系統為10％－115％。 油氣處理質量指標要求高：凈化原油含水量小于0.1%，含鹽量小于14毫克/升； 凝析油含水量小于50ppm，色度達到+20賽波特。該站生產過程全部實現自動化控制，自動化控制設備由就地控制盤（Local Control Panel）、遠程控制盤(Remote Control Panel)、和DCS控制系統三部分構成，每一部分均可獨立完成控制功能，靈活方便，可靠性高。 二、系統簡介 　　其控制系統采用的是Fisher－Rosemount的RS3系統構成的過程控制系統PCS（Process Control System）和由TRICONIX PLC 構成的安保系統SSS（Safety & Shutdown System）,它又包括ESD (Emergency Shut Down) 和 F&G (Fire & Gas)兩部分，另外，大型壓縮機等設備都采用PLC獨立控制，并以冗余RS232/422方式與PCS系統鏈接。該系統主要有以下特點：一是規模大，GC28站的I/O點為11673點；二是控制方案及控制算法復雜，控制策略與工藝過程緊密結合，自動化程度高；三是火氣檢測系統和緊急關斷系統采用了可靠的三冗余控制系統，嚴格按照四級關斷邏輯設計，安全等級高；四是火氣系統、 緊急關斷系統、壓縮機控制系統以冗余MODBUS通訊與過程控制系統有機的結合為一體，并采用一體化的組態編程方法，在操作站上為統一的操作平臺；五是系統的供電、總線、通訊、控制器、及I/O全冗余，可靠性高。該系統于2000年底投運。 三、系統硬件 　　PCS系統由RS3系統的冗余高速數據總線及其上的各種功能節點構成，它包括:4個操作員站和1個工程師站（按用途劃分）及相應的外設，11個控制器站，每個站由通訊組件、緩沖器組件、協處理器組件、存貯器組件及4組1：1冗余控制器構成，控制器下接冗余I/O。SSS系統包括ESD系統和F&G系統兩部分，由兩套獨立的TRICONEX PLC及其上位工程師站構成，為總線、控制器三冗余，I/O四冗余結構，兩套系統分別以冗余MODBUS接口與RS3系統的PLC接口連接，同時兩套系統之間以冗余RS232進行數據交換。兩套大型的壓縮機組分別采用ABB的Freelance 2000和AB PLC 5/04 控制，通過冗余的MODBUS接口與PCS 系統連接。 四、邏輯、算法和程序 　　ESD系統完成各工藝系統間及同一工藝系統的各級之間的的關斷、隔離和動設備的停車控制，ESD關斷邏輯設計為四級，第一級為全廠關斷并泄壓，第二級為全廠關斷，第三級為工藝系統關斷，第四級為工藝系統單元或單個設備關斷；關斷信號由ESD因果邏輯CAUSE & EFFECT（C&E）產生，并觸發相應的緊急切斷閥(ESDV)、瀉壓閥(SBDV)完成工藝系統的關斷，或者觸發電機等動設備完成停車；關斷源可為現場過程信號、現場火氣信號、現場手動觸發開關、控制室手動觸發開關、操作員命令或邏輯連鎖等；在PCS中，對不同類型的關斷信號設開車旁路、維護旁路、和ESD信號禁止等邏輯；所有的關斷閥和動設備的狀態在PCS操作站上顯示。ESD邏輯（C&E）采用功能塊圖（FBD）的模式編輯，經過編譯后下載至控制器運行。 電機和緊急關斷閥的控制邏輯分別如下圖所示: 　　① 如下圖所示，電機的控制方案為：在ESD中，由因果邏輯（C&E）產生電機的緊急關斷信號，在PCS中，通過DMC模塊產生電機的手/自動狀態選擇、切換；反饋指示；電機狀態指示；手動啟/停；遠程/就地選擇；手動旁路等信號，PCS信號通過MODBUS與ESD數據進行鏈接，并與ESD關斷信號經過相應的邏輯運算，共同完成對電機的控制，同時在PCS操作站上，通過調用DMC模塊的面板，組態電機的操作界面。 　　② 如下圖所示，緊急關斷閥的控制方案為：在ESD中，由因果邏輯（C&E）產生閥的緊急關斷信號，在PCS中，通過DVC模塊產生閥的手/自動狀態選擇；反饋指示；閥狀態指示；手動開/關；ESD信號旁路；ESD信號復位；ESD信號組復位等信號，這些信號通過MODBUS與ESD數據進行鏈接，并與ESD關斷信號經過相應的邏輯運算，共同完成對緊急關斷閥的控制，同時在PCS操作站上，通過調用DVC模塊的面板，組態閥的操作界面。 　　根據控制邏輯，下圖所示的是一個常開型ESD閥的典型回路圖，在具體組態中，根據工藝控制的需要，會有幾十種不同的典型回路圖。 　　 　　F&G系統完成油氣區的可燃氣體、毒性氣體（H2S）的檢測和消防。消防系統由現場安裝的火焰探頭、毒氣（H2S）探頭、可燃氣體探頭、煙霧探頭；手動報警站、聲/光報警器；水噴淋，泡沫噴淋和CO2噴射裝置；就地單元控制器（小型PLC系統）及控制系統構成。F&G系統的基本邏輯為：根據探頭的監測信號，完成火災或毒氣泄漏邏輯判斷并報警，根據火警發生的位置，啟動相應的消防設施，在工藝區啟動水噴淋系統，在儲罐區啟動水噴淋和泡沫噴淋，在變電站及室內無人職守區，啟動CO2噴射裝置。消防水系統的壓力維持在8公斤，設充壓泵自動維持壓力，消防泵為電動/柴油雙驅動，CO2氣瓶設泄漏自檢設施（為重力平衡機構）。F&G系統的模擬信號具有線路診測功能，開關信號采用常閉信號，設開路報警并加線路檢測報警，確保系統的可靠性。 　　PCS系統完成對工藝過程的監測和控制，工藝過程的主要參數為溫度、壓力、流量、液位、界面、密度、含水、轉速、震動等的監測控制和報警，常用的控制為PID控制，包括分程和串級等。PCS系統的核心是RS3控制系統，它是Rosemount 公司在70年代中期推出的DCS系統，經過多次的升級和改進，具有很好的穩定性和擴展性，功能完善，使用靈活等特點。RS3提供標準的PID模塊，可方便的組態PID控制功能，同時RS3系統的CB（Control Block）模塊提供方便連接功能，可以將各種基本的功能塊組合成復雜的控制方案。為保證過程控制的無擾動切換,對單回路，由自動狀態切換至手動狀態時設定值（SP）值跟蹤過程值（PV）值；對串級回路，主回路鎖定在自動模式，如果副回路不在遠程模式（remote），則主回路的輸出跟蹤副回路的設定值，如果副回路在手動模式，則副回路的設定值跟蹤過程值（PV）值。 　　下圖所示為兩列同軸的兩級壓縮機的級聯、負荷分配及進出口壓力控制方案，兩列壓縮機可同時工作，也可單列工作，前后兩級的入口壓力變化與出口壓力變化的比較結果控制壓縮機的轉速，保證壓縮機的負荷平衡和平穩運行。 如圖： ① 低壓（一級）入口的壓力由分程控制PIC-5131控制，其設定值由操作員設定。 ② PIC-5131的輸出同為FIC-5134和FIC-5135的遠方設定值。如果一列壓縮機不運行，則該列信號不影響壓力控制，壓力控制由運行列完成。 ③ PIC-5131的參數應當在兩列同時運行時整定，當為一列運行時，相應的控制響應將會較兩列同時運行為慢，可確保控制效果的穩定。 ④ 高壓（二級）入口的壓力由分程控制PIC-5252控制，其設定值由操作員設定。 ⑤ PIC-5252的輸出同為FIC-5255和FIC-5256的遠方設定值。如果一列壓縮機不運行，則該列信號不影響壓力控制，壓力控制由運行列完成。 ⑥ PIC-5252的參數應當在兩列同時運行時整定，當為一列運行時，相應的控制響應將會較兩列同時運行為慢，可確保控制效果的穩定。 ⑦ 高壓出口的壓力由兩個控制器控制：PIC-5612，其設定值為低值，和PIC-5612A，其設定值為高值。（PIC-5622,PIC-5622A控制第二列） ⑧ K-1502速度控制單元的設定值由PY-5612A給定。（PY-5622A控制第二列 K－2502） ⑨ PY-5612A(PY-5622A)輸出為PIC-5612A（PIC-5622A）和FY-5612（FY-5622）的低選信號。(PY-5622A、PIC-5622A和FY-5622控制第二列) ⑩ FY-5612（FY-5622）輸出為FIC-5134(FIC-5135)和PIC-5255(PIC-5256)的高選信號。（FY-5622、FIC-5135和PIC-5256控制第二列） 　　組態時根據控制邏輯功能圖組態各個功能塊，然后再確定信號的連接和跟蹤關系即可。用RS3的標準功能塊，可以完成大部分的工藝控制方案的組態，同時RS3還提供復雜的順序控制功能和高精度浮點數的運算功能，支持復雜的順控邏輯和復雜的數據計算。該站主要的過程控制策略有PID控制，比率控制，選擇控制，凝析油分子篩脫水單元順序控制，泵選邏輯，壓縮機加、減載控制，壓縮機啟停順序控制，壓縮機防喘振控制等；主要的流量計算有氣體在線補償AGA8算法計算，標準/非標準孔板流量計算，Annubar流量計流量計算，噴嘴流量計流量計算，凈油流量計算，流量的累計和換算等；另外還有一些針對大型撬裝設備，如制冷機、加熱爐、應急發電機、藝二醇接觸撬等的特殊控制方案，限于篇幅，在此不做詳細介紹。 五、結束語 　　該系統于2000年底投運，一次投產成功，達到設計指標，全站僅需操作人員5名，體現了目前世界上大型油、氣處理站的自動化水平和生產管理水平。自控系統完全達到設計要求，其高穩定性，高安全性設計，和為工藝生產提供完善解決方案的設計理念，對我國的油氣生產和油氣田自動化系統的設計和工程建設，具有很好的借鑒和指導作用。 作者信息 　　任文忠，男，1993年畢業于石油大學（華東）自動化系應用電子技術專業，畢業以來一直從事油、氣田自<