模塊化設(shè)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(shù)在現(xiàn)代多個工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展和實施，主要包括核電行業(yè)、遠洋船舶、大飛機制造行業(yè)。受其他行業(yè)發(fā)展的啟發(fā)，石油行業(yè)在熱能機組、海洋平臺、煉油化工等領(lǐng)域，開始逐步應(yīng)用模塊化設(shè)計及建造技術(shù)。

隨著非常規(guī)、邊際油氣田和海外項目的逐漸增多，對控制系統(tǒng)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(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)場敷設(shè)，增加了現(xiàn)場施工和調(diào)試工作量。另外在撬塊搬遷時，大量電纜還必須重新敷設(shè)，有些甚至還必須重新采購。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/撬裝化也勢在必行。

1、模塊化控制系統(tǒng)的設(shè)計思路
傳統(tǒng)的工廠，控制系統(tǒng)一般多采用I/O卡件集中布置在機柜間/站控室，現(xiàn)場儀表閥門等信號一般采用從現(xiàn)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(xiàn)場進行敷設(shè)，也使得儀表只能在現(xiàn)場進行調(diào)試。

隨著越來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)過程的各類參數(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)時代會得到更廣泛的應(yīng)用，同時可組態(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，控制系統(tǒng)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(shè)置的電儀室或者現(xiàn)場機柜間內(nèi)。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(yù)先埋地敷設(shè)的方式。這樣的方案使得現(xiàn)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(yù)制車間完成工藝安裝和撬塊內(nèi)接線的工作，運抵到現(xiàn)場后，僅需要連接預(yù)埋好的通信光纖即可。



因此，在設(shè)計過程中應(yīng)盡早確定系統(tǒng)I/O點數(shù)以及對控制柜的要求，以盡早開展現(xiàn)場電儀室/機柜間的設(shè)計。同時盡早邀請系統(tǒng)硬件供應(yīng)商的加入，提前確定控制系統(tǒng)的軟硬件方案以滿足現(xiàn)場電儀室/機柜間設(shè)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(fā)，在該地區(qū)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(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行試采。該研究內(nèi)容立足于吸取前期項目經(jīng)驗教訓，通過論證優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計方案，更好滿足撬裝化的設(shè)計要求，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，對于工藝參數(shù)越限、火災(zāi)和氣體泄漏實現(xiàn)報警和聯(lián)鎖保護。SCS由過程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)構(gòu)成。PCS采用通用的PLC，負責站內(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認證的PLC，為故障安全型，負責站內(nèi)SIS儀表信號的采集和聯(lián)鎖控制。

2.2.1 不設(shè)置現(xiàn)場遠程I/O方案
SCS均設(shè)置于控制室內(nèi)，信號電纜由現(xiàn)場儀表設(shè)備敷設(shè)至控制室。

2.2.2 設(shè)置區(qū)域遠程I/O機柜方案
按照區(qū)域布置遠程I/O機柜，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I/O點數(shù)設(shè)置一面或多面遠程I/O機柜。各區(qū)域檢測與控制點分別將信號引入本區(qū)域的遠程I/O機柜中，再通過光纖與控制室內(nèi)的SCS機柜進行通信。I/O機柜采用增安或隔爆設(shè)計。

由于可能存在井口區(qū)與脫硫站場分別分開設(shè)置的情況，因此井口區(qū)可能單獨設(shè)置遠程I/O機柜。另外除井口與天然氣處理區(qū)外，SIS檢測控制點僅在天然氣處理區(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的遠程I/O機柜。

2.2.3 設(shè)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(shè)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(jù)現(xiàn)場檢測控制點布置情況，井口區(qū)、公用工程區(qū)、變配電撬/UPS撬/變頻撬、機柜間的I/O配置與區(qū)域遠程I/O箱方案相同。由于該方案中，每個撬塊SIS點數(shù)較少，因此不考慮設(shè)置撬塊SIS遠程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)場遠程I/O機柜。

2.3 對比分析
2.3.1 硬件成本
對無現(xiàn)場I/O機柜方案、區(qū)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(xiàn)場I/O機柜方案、區(qū)域I/O機柜和撬塊I/O箱方案對比


設(shè)置區(qū)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(shù)量、系統(tǒng)用電負荷，還需要考慮防爆區(qū)內(nèi)的機柜/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度，大幅減少現(xiàn)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(tǒng)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(shè)的現(xiàn)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(xiàn)場施工工程量最低。

不管設(shè)置撬塊遠程I/O箱還是區(qū)域遠程I/O機柜，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，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)場安裝的工作量很大，可以減少現(xiàn)場的施工工程量，加快項目進度。

2.3.3 調(diào) 試
系統(tǒng)調(diào)試難度增加，現(xiàn)場調(diào)試檢測難度降低，減少現(xiàn)場側(cè)物理接線的檢查工作量，大 部分工作改為總線通信調(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
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(shù)后，維護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)濟效益
隨著采集測控點數(shù)量的增加，使用優(yōu)化后的系統(tǒng)有更為明顯的經(jīng)濟效益：首先，由于分布式I/O技術(shù)的總線數(shù)據(jù)傳輸，減少了現(xiàn)場的接線和調(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、防爆和防護及環(huán)境控制
對于設(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(qū)、室外情況下的控制柜防爆、防護及環(huán)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(yōu)點就是可以采用普通的卡件，選擇范圍廣，成本低。但相應(yīng)的需要面對以下問題：
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濟于事，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性。山區(qū)復雜的地表條件，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，使用一個固定的激發(fā)井深難以獲得理想的資料，因此勘探過程中的激發(fā)井深及激發(fā)巖性的選擇非常重要，適當?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、微測井及巖性錄井等措施做詳細的表層結(jié)構(gòu)調(diào)查，且要根據(jù)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(jié)構(gòu)縱剖面圖，以此可以逐點進行激發(fā)井深設(shè)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(zhì)量難以控制。
3)現(xiàn)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(huán)境中可燃氣體含量在安全范圍內(nèi)，同時防爆型柜體開關(guān)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(guān)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(jù)實際的案例和經(jīng)驗，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，需要注意以下問題：
1)I/O模板、電源、空氣開關(guān)、保險等均需有防爆2區(qū)認證，硬件成本高。
2)對施工水平和質(zhì)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(nèi)部散熱也與隔爆型控制柜類似，只是殼體相對較薄，內(nèi)部元件散熱量相對較少，但極端環(huán)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(guān)聯(lián)硬件，如電源、空氣開關(guān)等帶來的費用增加。
對于本安型遠程I/O系統(tǒng)，目前西門子公司可以提供全套的解決方案，由于防爆2區(qū)認證的電源、空氣開關(guān)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(huán)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(jié)約成本；環(huán)境相對嚴苛時，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 遠程I/O控制柜環(huán)境控制
遠程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)。對于低溫區(qū)域，采用隔爆型的電伴熱即可滿足要求，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(chǎn)品可以做到-40～70 ℃。因此，如果環(huán)境溫度適宜，適當增加遮陽等措施，在國內(nèi)大多數(shù)區(qū)域是可以滿足現(xiàn)場使用要求的。
在氣候環(huán)境相對嚴苛的條件下，比如熱帶沙漠地區(qū)，太陽光照強烈，環(huán)境溫度常年高溫，建議從以下方面加以完善：
1)露天陽光直射的防爆控制柜應(yīng)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(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(shù)的應(yīng)用
半導體制冷技術(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(chǎn)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(nèi)，熱端一側(cè)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(chǎn)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(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。

利用半導體制冷法具有易于調(diào)控、無制冷劑、無機械轉(zhuǎn)動部件、無噪聲以及無污染等優(yōu)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(yīng)用案例的并取得防爆2區(qū)及以上認證的半導體制冷設(shè)備。
2)半導體制冷產(chǎn)生的冷凝水處理問題，尤其是機柜內(nèi)部產(chǎn)生的冷凝水會對電子元件造成損害，因此需要考慮機柜內(nèi)部的溫濕度控制。

4、結(jié)束語
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)場的管控風險，提高施工質(zhì)量，讓業(yè)主方更早投產(chǎn)，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(tǒng)的設(shè)計方案與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思路相比，結(jié)構(gòu)簡單、易于現(xiàn)場實施，同時可實現(xiàn)傳統(tǒng)方案不具備的系統(tǒng)復用性。對于實際項目控制系統(tǒng)方案的選擇，還需根據(jù)實際情況及項目后期安排在初步設(shè)計、詳細設(shè)計過程中進行優(yōu)化，以更好地服務(wù)于模塊化建設(shè)。

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(shè)計有限公司)