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模塊化設計和制造的研究開始于19世紀50年代末60年代初。模塊化技術在現代多個工業領域發展和實施，主要包括核電行業、遠洋船舶、大飛機制造行業。受其他行業發展的啟發，石油行業在熱能機組、海洋平臺、煉油化工等領域，開始逐步應用模塊化設計及建造技術。

隨著非常規、邊際油氣田和海外項目的逐漸增多，對控制系統模塊化/撬裝化的需求也越來越多。典型的如海上中心平臺、油氣田集中處理站等，均有近百個工藝撬塊。目前，油氣田站場工藝撬塊集成度較高，而與之配套的控制系統仍沿用集中式布置，這樣造成撬塊到中控系統間的電纜較多，而且必須在現場敷設，增加了現場施工和調試工作量。另外在撬塊搬遷時，大量電纜還必須重新敷設，有些甚至還必須重新采購。因此，為適應工藝模塊化/撬裝化的要求，控制系統的模塊化/撬裝化也勢在必行。

1、模塊化控制系統的設計思路
傳統的工廠，控制系統一般多采用I/O卡件集中布置在機柜間/站控室，現場儀表閥門等信號一般采用從現場儀表端或接線箱通過控制電纜連接到控制機柜端子的方式。這樣的連接方式使得所有的控制電纜必須在現場進行敷設，也使得儀表只能在現場進行調試。

隨著越來越多的傳感器被用于監控環境信息、設備的健康狀態和生產過程的各類參數，這些數據的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝轉型為分布式安裝，即基于遠程I/O模塊的分布式控制系統。分布式控制系統在智能化生產時代會得到更廣泛的應用，同時可組態分布式I/O模式的應用使得系統搭建更為靈活。因此，在采用模塊化建設方式時，控制系統往往會采用遠程分布式I/O的方式，并將之集中在各個模塊設置的電儀室或者現場機柜間內。各模塊的遠程I/O再通過光纖連接到中心控制室，而光纖則可采用預先埋地敷設的方式。這樣的方案使得現場施工的工作量降到最低，而且每一個模塊中的儀表都可以在模塊預制車間完成工藝安裝和撬塊內接線的工作，運抵到現場后，僅需要連接預埋好的通信光纖即可。



因此，在設計過程中應盡早確定系統I/O點數以及對控制柜的要求，以盡早開展現場電儀室/機柜間的設計。同時盡早邀請系統硬件供應商的加入，提前確定控制系統的軟硬件方案以滿足現場電儀室/機柜間設計的要求。

2、實際案例分析
2.1 項目概況
為了配合某含硫氣井的開發，在該地區建造了一套滿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品硫磺。隨著試采結束，該套裝置需要考慮搬遷至其他試采井進行試采。該研究內容立足于吸取前期項目經驗教訓，通過論證優化控制系統設計方案，更好滿足撬裝化的設計要求，為設備建設及搬遷提供方便。

2.2 擬采用的控制系統結構
該套撬裝裝置在撬裝化控制室設置站場控制系統(SCS)，完成站內工藝參數的采集、控制、顯示和存儲，對于工藝參數越限、火災和氣體泄漏實現報警和聯鎖保護。SCS由過程控制系統(PCS)和安全儀表系統(SIS)構成。PCS采用通用的PLC，負責站內的生產流程以及輔助流程的數據采集和控制。SIS采用SIL2認證的PLC，為故障安全型，負責站內SIS儀表信號的采集和聯鎖控制。

2.2.1 不設置現場遠程I/O方案
SCS均設置于控制室內，信號電纜由現場儀表設備敷設至控制室。

2.2.2 設置區域遠程I/O機柜方案
按照區域布置遠程I/O機柜，分別位于天然氣處理區、硫磺回收區、硫磺成型區、公用工程區、變配電撬/UPS撬/變頻撬，分別根據現場I/O點數設置一面或多面遠程I/O機柜。各區域檢測與控制點分別將信號引入本區域的遠程I/O機柜中，再通過光纖與控制室內的SCS機柜進行通信。I/O機柜采用增安或隔爆設計。

由于可能存在井口區與脫硫站場分別分開設置的情況，因此井口區可能單獨設置遠程I/O機柜。另外除井口與天然氣處理區外，SIS檢測控制點僅在天然氣處理區較多，因此可僅考慮在井口區與天然氣處理區設置SIS的遠程I/O機柜。

2.2.3 設置撬塊遠程I/O箱方案
該方案在每個需要檢測控制的撬塊上設置1面遠程I/O箱，撬塊遠程I/O箱可隨撬塊一同成撬，該遠程I/O箱替代了原控制方案中隨撬塊成撬的接線箱。

根據現場檢測控制點布置情況，井口區、公用工程區、變配電撬/UPS撬/變頻撬、機柜間的I/O配置與區域遠程I/O箱方案相同。由于該方案中，每個撬塊SIS點數較少，因此不考慮設置撬塊SIS遠程I/O箱，采用上述方案中的區域SIS I/O箱或不設置SIS現場遠程I/O機柜。

2.3 對比分析
2.3.1 硬件成本
對無現場I/O機柜方案、區域I/O機柜方案和采用配置撬塊I/O箱方案進行定量對比分析，見表1所列。

表1 無現場I/O機柜方案、區域I/O機柜和撬塊I/O箱方案對比


設置區域I/O機柜或撬塊I/O箱的方案，不但增加了機柜或箱體數量、系統用電負荷，還需要考慮防爆區內的機柜/箱體的防爆要求。由于增加了系統輸入輸出模塊數量，因此提高了控制系統的硬件投資，但可以有效減少電纜長度，大幅減少現場施工工作量。

2.3.2 施工
隨撬塊一同成撬的撬塊遠程I/O箱方案可以將控制系統集成于撬塊當中，作為撬塊一部分，僅需要增加電源以及SCS的光纖敷設的現場施工工程量，并且減少了接線箱的安裝工程量。因此撬塊遠程I/O箱方案現場施工工程量最低。

不管設置撬塊遠程I/O箱還是區域遠程I/O機柜，均能夠使大部分的施工工程量調整到加工工廠中安裝完成，并且有利于撬塊整體搬遷。同時，電纜工程量大幅度減少，與之配套的橋架、鋼管等材料也相應減少。而電纜、橋架、鋼管現場安裝的工作量很大，可以減少現場的施工工程量，加快項目進度。

2.3.3 調 試
系統調試難度增加，現場調試檢測難度降低，減少現場側物理接線的檢查工作量，大 部分工作改為總線通信調試，軟件調試工作量增加，但軟件的修改相較硬件調試更為直接方便，提高了調試效率，但前提是調試人員要具備相應的技術能力。

2.3.4 維 護
維護要求門檻提高，原先的硬接線形式對于維護人員的要求不高，熟悉基本的電氣原理即可勝任。采用遠程I/O技術后，維護工作量集中在通信和軟件調試，需要有一定軟件操作基礎的工程師才可以勝任。

2.3.5 經濟效益
隨著采集測控點數量的增加，使用優化后的系統有更為明顯的經濟效益：首先，由于分布式I/O技術的總線數據傳輸，減少了現場的接線和調試工作量；其次，大部分工作為軟件調試，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、防爆和防護及環境控制
對于設置于非防爆區、溫濕度可控的環境，常規控制柜即可滿足要求的情況，本文不再做進一步的論述，下面主要討論在防爆2區、室外情況下的控制柜防爆、防護及環境控制。

3.1 遠程I/O控制柜防爆及防護
3.1.1 隔爆型控制柜
采用隔爆型控制柜，最大的優點就是可以采用普通的卡件，選擇范圍廣，成本低。但相應的需要面對以下問題：
1)激發是影響地震記錄質量的重要因素，如果激發不出有效的彈性波能量，再好的接收條件也無濟于事，所以激發有效波必須具備：頻帶較寬；有較高的信噪比和良好的重復性。山區復雜的地表條件，決定了要因地制宜的選擇激發井位、井深和藥量。山區表層縱橫向巖性及速度變化均較大，使用一個固定的激發井深難以獲得理想的資料，因此勘探過程中的激發井深及激發巖性的選擇非常重要，適當的激發井深及好的激發巖性可以取得較高品質的原始資料。利用小折射、微測井及巖性錄井等措施做詳細的表層結構調查，且要根據出露地表的情況來對表層進行劃分，劃分出低速層、降速層及高速層等，且畫出表層結構縱剖面圖，以此可以逐點進行激發井深設計。
2)隔爆控制柜造價高，且殼體厚重，如果接入的測控點較多，控制柜的體積和質量難以控制。
3)現場檢修、維護及測試工作進行前，需切斷電源，且必須確保周圍環境中可燃氣體含量在安全范圍內，同時防爆型柜體開關相對費時費力。

3.1.2 增安型控制柜
采用本安型遠程I/O機柜及配套的電源、空氣開關等，理論上選擇防護等級滿足室外防護要求的控制柜即可，不需考慮防爆要求，但根據實際的案例和經驗，業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，需要注意以下問題：
1)I/O模板、電源、空氣開關、保險等均需有防爆2區認證，硬件成本高。
2)對施工水平和質量要求高，日后維護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密封的要求，其內部散熱也與隔爆型控制柜類似，只是殼體相對較薄，內部元件散熱量相對較少，但極端環境下的散熱仍是需要考慮的問題。

3.1.3 建議
雖然隔爆型控制柜在柜體上造價較高，但是在總體成本上仍遠低于本安卡件及其相關聯硬件，如電源、空氣開關等帶來的費用增加。
對于本安型遠程I/O系統，目前西門子公司可以提供全套的解決方案，由于防爆2區認證的電源、空氣開關市面上相對較多，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。

綜合來說，環境情況良好時，即溫度適宜、無太陽直曬等，可以考慮采用隔爆型控制柜加普通卡件的方式以節約成本；環境相對嚴苛時，若業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先選擇。

3.2 遠程I/O控制柜環境控制
遠程I/O控制柜的環境控制，主要是保證其內部環境工作溫度在電子器件適宜的范圍內。對于低溫區域，采用隔爆型的電伴熱即可滿足要求，且技術成熟，選擇范圍廣。因此，本節主要討論的是隔爆和增安型控制柜內部散熱的方法及對應的環境策略。

3.2.1 控制柜的散熱方式
目前市面上常見的遠程I/O模塊，其工作溫度范圍基本為-20～60 ℃，有些廠家的產品可以做到-40～70 ℃。因此，如果環境溫度適宜，適當增加遮陽等措施，在國內大多數區域是可以滿足現場使用要求的。
在氣候環境相對嚴苛的條件下，比如熱帶沙漠地區，太陽光照強烈，環境溫度常年高溫，建議從以下方面加以完善：
1)露天陽光直射的防爆控制柜應加裝遮陽板，注意遮陽板與柜體間留有一定通風間隙。
2)防爆控制柜后端加裝散熱板，易于柜體的散熱，且注意柜體內的發熱元件安裝布置擺放應盡量松散一些，留出散熱空間。
3)出于安全考慮可以采用正壓防爆控制柜，控制柜內通壓縮空氣或氮氣均可。尤其是體積較大的控制柜，采用正壓防爆型。

3.2.2 新技術的應用
半導體制冷技術也叫溫差制冷技術或者熱電制冷技術，它是以溫差電現象為基礎的制冷方法，是基于帕爾貼效應的原理達到制冷目的，即在兩種不同金屬組成的閉合線路中，通以直流電流，一端會產生熱量，一端會吸收熱量。

將半導體制冷片固定在控制箱隔壁外殼壁內，熱端一側緊貼隔爆外殼壁，在外殼壁與半導體制冷片冷端之間涂導熱硅膠，使外殼壁和半導體制冷片充分接觸，減少因接觸空隙產生的溫差，提高了半導體制冷的效率。為了使熱量能夠及時散發出去，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。

利用半導體制冷法具有易于調控、無制冷劑、無機械轉動部件、無噪聲以及無污染等優點。但仍有以下兩點問題需要解決：
1)市面上缺少成熟的、有實際應用案例的并取得防爆2區及以上認證的半導體制冷設備。
2)半導體制冷產生的冷凝水處理問題，尤其是機柜內部產生的冷凝水會對電子元件造成損害，因此需要考慮機柜內部的溫濕度控制。

4、結束語
模塊化建設較傳統建設模式能更好地適應油氣田地面建設工程，可以縮短工程施工周期，降低現場的管控風險，提高施工質量，讓業主方更早投產，及早見到效益。采用基于遠程I/O模塊和撬塊I/O的分布式控制系統的設計方案與傳統的控制系統設計思路相比，結構簡單、易于現場實施，同時可實現傳統方案不具備的系統復用性。對于實際項目控制系統方案的選擇，還需根據實際情況及項目后期安排在初步設計、詳細設計過程中進行優化，以更好地服務于模塊化建設。

作者：姚彬(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司)、楊靜(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司)、張玉恒(中石化石油工程設計有限公司)