海上油气生产面临的挑战

在更极端的环境中工作，正在推动海底自动化系统网络和标准开发的改进。海底的精密设备必须与上层通信。

通过小约翰·m·吉尔摩 2012年12月4日

全球对碳氢化合物能源的需求继续推动着生产，特别是在海上储层的新资产中。深水和超深水油气生产始于20世纪90年代初，2000年达到约150万桶/天，目前超过720万桶油当量/天。

深水油气产量的增加对海上平台和船舶的自动化系统提出了很高的要求。这些需求通常会影响各种自动化系统如何用于改善和增加深水产量，特别是这些系统如何相互连接。

深水生产平台通常运行几种不同的自动化系统:

上层分布式控制系统(DCS)，通过将原油与水、气分离，实现生产流体的分离和稳定。水经过处理后再注入，而气体用作船上燃料，通过管道输送到岸上，再注入或燃烧。根据船型的不同，稳定原油可以储存在船上，然后转移到油轮上，也可以通过管道输送到另一个目的地。此外，DCS还提供了整个船舶的主要人机界面(HMI)功能。
主(或船舶)控制系统(MCS)负责操作水下井口、歧管、化学注入器和其他水下设备。它通常分为两部分:湿式控制，安装在海底设备上，干式控制，位于生产船上。
船体系统，它是控制功能的集合，如压载物管理、储罐管理和清洗等。
酒店系统，管理与支持船员相关的一切，如暖通空调、水和废水、食物准备、通信和娱乐。

关注MCS和DCS之间接口的发展方式可以说明海上自动化系统正在发生什么变化，以及深水工作人员如何克服潜在的挑战。

安全问题的重要性在持续增长。这推动了对更高安全等级联锁的需求，以及对水下井口、歧管和其他设备的额外监控。但随着技术和勘探方法的进步，其他问题也在演变。例如，更大、更复杂的油田需要更多的海底测量、控制器和执行器。此外，由于海底处理技术和经济效益不断提高，在泥浆管线上处理分离、水回注和气回注等单元操作通常更具成本效益，而不是将生产液输送到上层进行处理，然后再将其送回井下进行回注。这些变化意味着在海底需要更复杂的控制策略。

另一个变化是海底回接——基本上是海底的多相管道——现在经常被用来延长现有生产平台的使用寿命。该公司采用海底回接技术，将新油田与现有但未充分利用的生产平台连接起来，而不是在新资产区域安装新平台。这些解决方案需要将控制网络扩展数百英里，并控制复杂的多相泵送系统。

当然，降低成本和风险始终是一个因素。自动化系统及其接口几乎总是在第一次采油的关键路径上，因此通过标准化和先进的编程技术(如面向对象编程)来降低风险是关键。此外，由于MCS和DCS通常由不同的供应商提供，因此尽量减少相互指责是很重要的。

最后，使用多个供应商和供应商独立性需要一个可行的开源支持组织来广泛采用和长期生存。专有工业网络协议的时代基本上已经过去了。工业用户，如IT甚至消费者用户，都希望协议在工业供应商中得到广泛的支持，并且有大量现成的产品可用。

考虑到这些事实，很容易看出，为了持续提高安全性，以及海上深水油气生产设施日益复杂，需要在上层和海底自动化系统之间建立更强大、更快、更开放、更可维护的通信。随着这方面的不断发展，出现了两种可能的协议标准。

传统上，MCS和DCS之间通信的事实标准是Modbus，它是在20世纪70年代作为可编程逻辑控制器之间的通信标准而开发的。因此，它本质上是一个寄存器到寄存器的映射工具，具有有限数量的可用数据类型。它没有任何对象管理功能，这意味着数据类型和范围同步必须由MCS和DCS程序员显式处理。它也是一个轮询架构，这意味着设备不能异常报告。此外，每个网络限制为247台设备。最后，还有许多变体，如Modbus TCP/IP、Modbus over TCP/IP、Modbus Plus和Enron Modbus，它们都具有不同的内部结构和要求。

这些限制促使石油公司、海底设备供应商和自动化供应商寻求更好的MCS与DCS接口解决方案。有两个主要的候选人正在努力取代Modbus:以太网/IP和OPC UA。以太网工业协议(Ethernet /IP)最初由罗克韦尔自动化开发，但现在由开放设备网络供应商协会(ODVA)管理。OPC统一架构(OPC- ua)由OPC基金会管理。

以太网/ IP

以太网/IP是由罗克韦尔自动化在20世纪90年代末开发的，作为该公司在TCP/IP网络上的通用工业协议(CIP)的实现。在这个意义上，它类似于DeviceNet和ControlNet，它们分别在车载网络和专用网络上实现CIP。这三个协议现在都由ODVA管理。

以太网/IP使用数据报结构来传输基本的I/O数据，并通过TCP进行显式消息传递，以传输参数、设定值等。它支持按异常报告的远程过程调用结构。虽然数据报结构允许一些面向对象的标准I/O传输，但其他活动需要更详细的编码。

另一个优点是CIP安全层，它在IEC 61508标准下实现了认证的安全完整性等级3 (SIL 3)。

以太网/IP在自动化层次结构的较低级别中得到广泛实现和支持，通常在现场到控制和控制到操作级别之间。它也被用于现场层和控制层内的点对点通信，但还没有被广泛接受用于操作层的点对点接口。

OPC-UA

OPC- ua于2006年推出，以克服以前OPC版本的局限性。重要的变化包括多平台支持(ANSI C、Java、。net以及最初的Microsoft Windows);具有节点或面向对象编程能力的内置信息模型;双向中断能力，支持异常报告和心跳监控;大的系统支持能力。支持两种协议级别:适用于嵌入式设备的高性能二进制协议和通用的web服务协议。信息模型将用户应用程序与底层协议隔离开来，并且可通过OPC基金会获得互操作性认证计划。

缺点是，虽然OPC-UA支持冗余，但它不支持协议内的SIL通信。与以太网/IP相比，它还具有更高的通信开销要求。

最近几个月，OPC-UA得到了主要自动化供应商的广泛关注，包括ABB、横河电机，甚至罗克韦尔，他们都宣布了OPC-UA作为企业和运营级集成协议的支持和实施路线图。然而，英维思和西门子走得更远，表示计划使用嵌入式OPC-UA技术将协议扩展到控制和现场级别。

总之，ODVA的以太网/IP协议在控制层次的较低级别上得到了很好的验证，但在操作和企业级别上还没有被广泛采用。它也不支持健壮的、易于使用的对象管理编程工具，但是它有一个SIL 3级的版本。

另一方面，来自OPC基金会的OPC- ua已经在自动化行业的自动化层次结构的上层被广泛接受，并且最近被提议作为跨越领域和企业级的通信协议。此外，它完全支持对象编程技术，并具有健壮的互操作性认证程序。

哪个更好?这是个好问题，你可以参与决定答案。标准化工作正在进行中，推荐标准将于2013年出台。如果您想参与对话，请考虑加入MCS-DCS接口标准化网络。该组织的网站描述了其目的:“为了简化上层系统的MCS和DCS通信，需要开发一个标准接口，包括一个标准通信协议。MCS-DCS接口标准化(MDIS)网络由海底控制领域的主要行业参与者、上层专家和石油公司共同组成。接口的标准化简化了数据通信链路的实现，同时提高了数据质量。使用网络组作为行业的协作资源，它能够促进信息交换，进一步发展标准MCS-DCS接口。”

John M. Gilmore, Jr.，是英维思运营管理公司上游石油和天然气行业解决方案总监。

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