模塊化設(shè)計(jì)和制造的研究開(kāi)始于19世紀(jì)50年代末60年代初。模塊化技術(shù)在現(xiàn)代多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展和實(shí)施，主要包括核電行業(yè)、遠(yuǎn)洋船舶、大飛機(jī)制造行業(yè)。受其他行業(yè)發(fā)展的啟發(fā)，石油行業(yè)在熱能機(jī)組、海洋平臺(tái)、煉油化工等領(lǐng)域，開(kāi)始逐步應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)及建造技術(shù)。
隨著非常規(guī)、邊際油氣田和海外項(xiàng)目的逐漸增多，對(duì)控制系統(tǒng)模塊化/撬裝化的需求也越來(lái)越多。典型的如海上中心平臺(tái)、油氣田集中處理站等，均有近百個(gè)工藝撬塊。目前，油氣田站場(chǎng)工藝撬塊集成度較高，而與之配套的控制系統(tǒng)仍沿用集中式布置，這樣造成撬塊到中控系統(tǒng)間的電纜較多，而且必須在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)，增加了現(xiàn)場(chǎng)施工和調(diào)試工作量。另外在撬塊搬遷時(shí)，大量電纜還必須重新敷設(shè)，有些甚至還必須重新采購(gòu)。因此，為適應(yīng)工藝模塊化/撬裝化的要求，控制系統(tǒng)的模塊化/撬裝化也勢(shì)在必行。
1、模塊化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
傳統(tǒng)的工廠，控制系統(tǒng)一般多采用I/O卡件集中布置在機(jī)柜間/站控室，現(xiàn)場(chǎng)儀表閥門(mén)等信號(hào)一般采用從現(xiàn)場(chǎng)儀表端或接線(xiàn)箱通過(guò)控制電纜連接到控制機(jī)柜端子的方式。這樣的連接方式使得所有的控制電纜必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行敷設(shè)，也使得儀表只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試。
隨著越來(lái)越多的傳感器被用于監(jiān)控環(huán)境信息、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程的各類(lèi)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝轉(zhuǎn)型為分布式安裝，即基于遠(yuǎn)程I/O模塊的分布式控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)在智能化生產(chǎn)時(shí)代會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)可組態(tài)分布式I/O模式的應(yīng)用使得系統(tǒng)搭建更為靈活。因此，在采用模塊化建設(shè)方式時(shí)，控制系統(tǒng)往往會(huì)采用遠(yuǎn)程分布式I/O的方式，并將之集中在各個(gè)模塊設(shè)置的電儀室或者現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)。各模塊的遠(yuǎn)程I/O再通過(guò)光纖連接到中心控制室，而光纖則可采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。這樣的方案使得現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量降到最低，而且每一個(gè)模塊中的儀表都可以在模塊預(yù)制車(chē)間完成工藝安裝和撬塊內(nèi)接線(xiàn)的工作，運(yùn)抵到現(xiàn)場(chǎng)后，僅需要連接預(yù)埋好的通信光纖即可。
因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡早確定系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)以及對(duì)控制柜的要求，以盡早開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)電儀室/機(jī)柜間的設(shè)計(jì)。同時(shí)盡早邀請(qǐng)系統(tǒng)硬件供應(yīng)商的加入，提前確定控制系統(tǒng)的軟硬件方案以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)電儀室/機(jī)柜間設(shè)計(jì)的要求。
2、實(shí)際案例分析
2.1 項(xiàng)目概況
為了配合某含硫氣井的開(kāi)發(fā)，在該地區(qū)建造了一套滿(mǎn)足單井試采要求的單井撬裝脫硫裝置。該裝置采用雙塔工藝進(jìn)行脫硫和硫磺回收，采用三甘醇脫水工藝脫水、采用熔硫和造粒工藝得到副產(chǎn)品硫磺。隨著試采結(jié)束，該套裝置需要考慮搬遷至其他試采井進(jìn)行試采。該研究?jī)?nèi)容立足于吸取前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，通過(guò)論證優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，更好滿(mǎn)足撬裝化的設(shè)計(jì)要求，為設(shè)備建設(shè)及搬遷提供方便。
2.2 擬采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該套撬裝裝置在撬裝化控制室設(shè)置站場(chǎng)控制系統(tǒng)(SCS)，完成站內(nèi)工藝參數(shù)的采集、控制、顯示和存儲(chǔ)，對(duì)于工藝參數(shù)越限、火災(zāi)和氣體泄漏實(shí)現(xiàn)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)。SCS由過(guò)程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)構(gòu)成。PCS采用通用的PLC，負(fù)責(zé)站內(nèi)的生產(chǎn)流程以及輔助流程的數(shù)據(jù)采集和控制。SIS采用SIL2認(rèn)證的PLC，為故障安全型，負(fù)責(zé)站內(nèi)SIS儀表信號(hào)的采集和聯(lián)鎖控制。
2.2.1 不設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O方案
SCS均設(shè)置于控制室內(nèi)，信號(hào)電纜由現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備敷設(shè)至控制室。
2.2.2 設(shè)置區(qū)域遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜方案
按照區(qū)域布置遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜，分別位于天然氣處理區(qū)、硫磺回收區(qū)、硫磺成型區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬，分別根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)I/O點(diǎn)數(shù)設(shè)置一面或多面遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。各區(qū)域檢測(cè)與控制點(diǎn)分別將信號(hào)引入本區(qū)域的遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜中，再通過(guò)光纖與控制室內(nèi)的SCS機(jī)柜進(jìn)行通信。I/O機(jī)柜采用增安或隔爆設(shè)計(jì)。
由于可能存在井口區(qū)與脫硫站場(chǎng)分別分開(kāi)設(shè)置的情況，因此井口區(qū)可能單獨(dú)設(shè)置遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。另外除井口與天然氣處理區(qū)外，SIS檢測(cè)控制點(diǎn)僅在天然氣處理區(qū)較多，因此可僅考慮在井口區(qū)與天然氣處理區(qū)設(shè)置SIS的遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。
2.2.3 設(shè)置撬塊遠(yuǎn)程I/O箱方案
該方案在每個(gè)需要檢測(cè)控制的撬塊上設(shè)置1面遠(yuǎn)程I/O箱，撬塊遠(yuǎn)程I/O箱可隨撬塊一同成撬，該遠(yuǎn)程I/O箱替代了原控制方案中隨撬塊成撬的接線(xiàn)箱。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制點(diǎn)布置情況，井口區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬、機(jī)柜間的I/O配置與區(qū)域遠(yuǎn)程I/O箱方案相同。由于該方案中，每個(gè)撬塊SIS點(diǎn)數(shù)較少，因此不考慮設(shè)置撬塊SIS遠(yuǎn)程I/O箱，采用上述方案中的區(qū)域SIS I/O箱或不設(shè)置SIS現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜。
2.3 對(duì)比分析
2.3.1 硬件成本
對(duì)無(wú)現(xiàn)場(chǎng)I/O機(jī)柜方案、區(qū)域I/O機(jī)柜方案和采用配置撬塊I/O箱方案進(jìn)行定量對(duì)比分析，見(jiàn)表1所列。
表1 無(wú)現(xiàn)場(chǎng)I/O機(jī)柜方案、區(qū)域I/O機(jī)柜和撬塊I/O箱方案對(duì)比
設(shè)置區(qū)域I/O機(jī)柜或撬塊I/O箱的方案，不但增加了機(jī)柜或箱體數(shù)量、系統(tǒng)用電負(fù)荷，還需要考慮防爆區(qū)內(nèi)的機(jī)柜/箱體的防爆要求。由于增加了系統(tǒng)輸入輸出模塊數(shù)量，因此提高了控制系統(tǒng)的硬件投資，但可以有效減少電纜長(zhǎng)度，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量。
2.3.2 施工
隨撬塊一同成撬的撬塊遠(yuǎn)程I/O箱方案可以將控制系統(tǒng)集成于撬塊當(dāng)中，作為撬塊一部分，僅需要增加電源以及SCS的光纖敷設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)施工工程量，并且減少了接線(xiàn)箱的安裝工程量。因此撬塊遠(yuǎn)程I/O箱方案現(xiàn)場(chǎng)施工工程量最低。
不管設(shè)置撬塊遠(yuǎn)程I/O箱還是區(qū)域遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜，均能夠使大部分的施工工程量調(diào)整到加工工廠中安裝完成，并且有利于撬塊整體搬遷。同時(shí)，電纜工程量大幅度減少，與之配套的橋架、鋼管等材料也相應(yīng)減少。而電纜、橋架、鋼管現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量很大，可以減少現(xiàn)場(chǎng)的施工工程量，加快項(xiàng)目進(jìn)度。
2.3.3 調(diào) 試
系統(tǒng)調(diào)試難度增加，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試檢測(cè)難度降低，減少現(xiàn)場(chǎng)側(cè)物理接線(xiàn)的檢查工作量，大 部分工作改為總線(xiàn)通信調(diào)試，軟件調(diào)試工作量增加，但軟件的修改相較硬件調(diào)試更為直接方便，提高了調(diào)試效率，但前提是調(diào)試人員要具備相應(yīng)的技術(shù)能力。
2.3.4 維 護(hù)
維護(hù)要求門(mén)檻提高，原先的硬接線(xiàn)形式對(duì)于維護(hù)人員的要求不高，熟悉基本的電氣原理即可勝任。采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)后，維護(hù)工作量集中在通信和軟件調(diào)試，需要有一定軟件操作基礎(chǔ)的工程師才可以勝任。
2.3.5 經(jīng)濟(jì)效益
隨著采集測(cè)控點(diǎn)數(shù)量的增加，使用優(yōu)化后的系統(tǒng)有更為明顯的經(jīng)濟(jì)效益：首先，由于分布式I/O技術(shù)的總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，減少了現(xiàn)場(chǎng)的接線(xiàn)和調(diào)試工作量；其次，大部分工作為軟件調(diào)試，通信一旦建立，可以不受不良天氣的影響，可以縮短工期，有效減少投資。
3、防爆和防護(hù)及環(huán)境控制
對(duì)于設(shè)置于非防爆區(qū)、溫濕度可控的環(huán)境，常規(guī)控制柜即可滿(mǎn)足要求的情況，本文不再做進(jìn)一步的論述，下面主要討論在防爆2區(qū)、室外情況下的控制柜防爆、防護(hù)及環(huán)境控制。
3.1 遠(yuǎn)程I/O控制柜防爆及防護(hù)
3.1.1 隔爆型控制柜
采用隔爆型控制柜，最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以采用普通的卡件，選擇范圍廣，成本低。但相應(yīng)的需要面對(duì)以下問(wèn)題：
1)激發(fā)是影響地震記錄質(zhì)量的重要因素，如果激發(fā)不出有效的彈性波能量，再好的接收條件也無(wú)濟(jì)于事，所以激發(fā)有效波必須具備：頻帶較寬；有較高的信噪比和良好的重復(fù)性。山區(qū)復(fù)雜的地表?xiàng)l件，決定了要因地制宜的選擇激發(fā)井位、井深和藥量。山區(qū)表層縱橫向巖性及速度變化均較大，使用一個(gè)固定的激發(fā)井深難以獲得理想的資料，因此勘探過(guò)程中的激發(fā)井深及激發(fā)巖性的選擇非常重要，適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)井深及好的激發(fā)巖性可以取得較高品質(zhì)的原始資料。利用小折射、微測(cè)井及巖性錄井等措施做詳細(xì)的表層結(jié)構(gòu)調(diào)查，且要根據(jù)出露地表的情況來(lái)對(duì)表層進(jìn)行劃分，劃分出低速層、降速層及高速層等，且畫(huà)出表層結(jié)構(gòu)縱剖面圖，以此可以逐點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)井深設(shè)計(jì)。
2)隔爆控制柜造價(jià)高，且殼體厚重，如果接入的測(cè)控點(diǎn)較多，控制柜的體積和質(zhì)量難以控制。
3)現(xiàn)場(chǎng)檢修、維護(hù)及測(cè)試工作進(jìn)行前，需切斷電源，且必須確保周?chē)h(huán)境中可燃?xì)怏w含量在安全范圍內(nèi)，同時(shí)防爆型柜體開(kāi)關(guān)相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
3.1.2 增安型控制柜
采用本安型遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜及配套的電源、空氣開(kāi)關(guān)等，理論上選擇防護(hù)等級(jí)滿(mǎn)足室外防護(hù)要求的控制柜即可，不需考慮防爆要求，但根據(jù)實(shí)際的案例和經(jīng)驗(yàn)，業(yè)主方往往要求選擇增安型控制柜以增加可靠性和安全性。采用增安型控制柜，需要注意以下問(wèn)題：
1)I/O模板、電源、空氣開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)等均需有防爆2區(qū)認(rèn)證，硬件成本高。
2)對(duì)施工水平和質(zhì)量要求高，日后維護(hù)成本也較采用普通卡件加隔爆控制柜的方式要高。
3)由于增安型控制柜對(duì)密封的要求，其內(nèi)部散熱也與隔爆型控制柜類(lèi)似，只是殼體相對(duì)較薄，內(nèi)部元件散熱量相對(duì)較少，但極端環(huán)境下的散熱仍是需要考慮的問(wèn)題。
3.1.3 建議
雖然隔爆型控制柜在柜體上造價(jià)較高，但是在總體成本上仍遠(yuǎn)低于本安卡件及其相關(guān)聯(lián)硬件，如電源、空氣開(kāi)關(guān)等帶來(lái)的費(fèi)用增加。
對(duì)于本安型遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，目前西門(mén)子公司可以提供全套的解決方案，由于防爆2區(qū)認(rèn)證的電源、空氣開(kāi)關(guān)市面上相對(duì)較多，羅克韋爾公司和倍加福公司則只提供I/O卡件本身，需要另外配套本安電源等。
綜合來(lái)說(shuō)，環(huán)境情況良好時(shí)，即溫度適宜、無(wú)太陽(yáng)直曬等，可以考慮采用隔爆型控制柜加普通卡件的方式以節(jié)約成本；環(huán)境相對(duì)嚴(yán)苛?xí)r，若業(yè)主方可以忽略成本的前提下，增安型控制柜加本安型卡件是優(yōu)先選擇。
3.2 遠(yuǎn)程I/O控制柜環(huán)境控制
遠(yuǎn)程I/O控制柜的環(huán)境控制，主要是保證其內(nèi)部環(huán)境工作溫度在電子器件適宜的范圍內(nèi)。對(duì)于低溫區(qū)域，采用隔爆型的電伴熱即可滿(mǎn)足要求，且技術(shù)成熟，選擇范圍廣。因此，本節(jié)主要討論的是隔爆和增安型控制柜內(nèi)部散熱的方法及對(duì)應(yīng)的環(huán)境策略。
3.2.1 控制柜的散熱方式
目前市面上常見(jiàn)的遠(yuǎn)程I/O模塊，其工作溫度范圍基本為-20～60 ℃，有些廠家的產(chǎn)品可以做到-40～70 ℃。因此，如果環(huán)境溫度適宜，適當(dāng)增加遮陽(yáng)等措施，在國(guó)內(nèi)大多數(shù)區(qū)域是可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求的。
在氣候環(huán)境相對(duì)嚴(yán)苛的條件下，比如熱帶沙漠地區(qū)，太陽(yáng)光照強(qiáng)烈，環(huán)境溫度常年高溫，建議從以下方面加以完善：
1)露天陽(yáng)光直射的防爆控制柜應(yīng)加裝遮陽(yáng)板，注意遮陽(yáng)板與柜體間留有一定通風(fēng)間隙。
2)防爆控制柜后端加裝散熱板，易于柜體的散熱，且注意柜體內(nèi)的發(fā)熱元件安裝布置擺放應(yīng)盡量松散一些，留出散熱空間。
3)出于安全考慮可以采用正壓防爆控制柜，控制柜內(nèi)通壓縮空氣或氮?dú)饩伞Ｓ绕涫求w積較大的控制柜，采用正壓防爆型。
3.2.2 新技術(shù)的應(yīng)用
半導(dǎo)體制冷技術(shù)也叫溫差制冷技術(shù)或者熱電制冷技術(shù)，它是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，是基于帕爾貼效應(yīng)的原理達(dá)到制冷目的，即在兩種不同金屬組成的閉合線(xiàn)路中，通以直流電流，一端會(huì)產(chǎn)生熱量，一端會(huì)吸收熱量。
將半導(dǎo)體制冷片固定在控制箱隔壁外殼壁內(nèi)，熱端一側(cè)緊貼隔爆外殼壁，在外殼壁與半導(dǎo)體制冷片冷端之間涂導(dǎo)熱硅膠，使外殼壁和半導(dǎo)體制冷片充分接觸，減少因接觸空隙產(chǎn)生的溫差，提高了半導(dǎo)體制冷的效率。為了使熱量能夠及時(shí)散發(fā)出去，一般情況下還需要在外殼外部焊接輔助散熱翹片，提升散熱能力。
利用半導(dǎo)體制冷法具有易于調(diào)控、無(wú)制冷劑、無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲以及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。但仍有以下兩點(diǎn)問(wèn)題需要解決：
1)市面上缺少成熟的、有實(shí)際應(yīng)用案例的并取得防爆2區(qū)及以上認(rèn)證的半導(dǎo)體制冷設(shè)備。
2)半導(dǎo)體制冷產(chǎn)生的冷凝水處理問(wèn)題，尤其是機(jī)柜內(nèi)部產(chǎn)生的冷凝水會(huì)對(duì)電子元件造成損害，因此需要考慮機(jī)柜內(nèi)部的溫濕度控制。
4、結(jié)束語(yǔ)
模塊化建設(shè)較傳統(tǒng)建設(shè)模式能更好地適應(yīng)油氣田地面建設(shè)工程，可以縮短工程施工周期，降低現(xiàn)場(chǎng)的管控風(fēng)險(xiǎn)，提高施工質(zhì)量，讓業(yè)主方更早投產(chǎn)，及早見(jiàn)到效益。采用基于遠(yuǎn)程I/O模塊和撬塊I/O的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方案不具備的系統(tǒng)復(fù)用性。對(duì)于實(shí)際項(xiàng)目控制系統(tǒng)方案的選擇，還需根據(jù)實(shí)際情況及項(xiàng)目后期安排在初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，以更好地服務(wù)于模塊化建設(shè)。
作者：姚彬(中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司)、楊靜(中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司)、張玉恒(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司)
