油田过程控制系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年3月12日提交的美国临时专利申请第61/777, 142号的权益， 其公开的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明涉及经由高速数字通信网络将多路复用的过程控制和安全信号从石油化 工厂或气/油分离站的中央控制室路由到现场装置；以及本发明还涉及现场安装控制接 口，该现场安装控制接口提供用于一套多样化的油田控制装置的现场控制或现场逻辑。
【背景技术】
[0004] 传统的设计实践是将各个过程控制和安全信号从过程接口建筑物（PIB)和/或 中央控制室（CCR)路由到包括传感器和最终元件的现场装置。传感器可包括压力开关和 传输器、液位（level)开关和传输器、温度开关和传输器、位置和限位开关、振动监测器，还 有其它仪器。最终元件可包括电磁螺线管、致动器和定位器，用于控制电动机的起动和停 止、这样的电动机的速度、阀完全打开和关闭或者阀打开和关闭到特定位置等等。在现场装 置需要单独电力的情况下，传统上还从PIB或CCR提供该单独电力。这些现有技术的设计 需要在PIB或CCR处的众多控制系统输入/输出（I/O)机架、和进出油田的大量的电缆和 导管。现场总线基础（Fieldbus Foundation，FF)H1技术的引入提供了现场级别的"多点 (multi-drop) "仪器的能力。然而，由于31. 25千比特/秒的通信速度，导致由于在用FF H1系统时现场布线的减少而使通过主石油化工项目实现的净成本节省有限，这限制了可有 效共享公共FF H1段的现场装置的数量。另外，FF H1系统和其它传统控制系统需要在CCR 或PIB内有大系统机架，以提供现场控制系统接口。现有的传统"远程I/O"技术达不到提 供完全独立式端子、电源、基于状态的逻辑和信号转换能力。
[0005] 需要一种系统，该系统使得能够转换仪器和控制信号，以将其转换成"现场"而非 CCR或PIB中的售卖方I/O机架内的高速数字通信。这样的系统将大大减少当前必须在现 场安装的接线盒与PIB或CCR之间路由的互连的硬连线电缆、导管、电缆托架和其它管道的 数量，以及减少CCR或PIB内所需的机架机柜的数量。工厂硬件和基础设施要求的这种显 著减少将提供大量的成本节省。
[0006] 这样的系统将向终端用户提供更大的灵活性以通过公共的高速数字通信网络与 一套多样化的现场装置进行通信。
[0007] 另外包含一种现场安装控制接口，其中，安装在智能接线盒（SJB)内的现场多功 能控制网关（field versatile control gateway，FVCG)允许在一套多样化的油田控制装 置（诸如，部署在油/气井位处的传感器和阀）的单个外壳内的连接。FVCG/SJB提供了 监测关键输入、针对可允许的限制来检查参数、并且执行所需动作以提供安全且可靠的油/ 气井位操作的现场完全控制功能。FVCG/SJB包括对于在工业中使用的众多现场通信协议的 转换的规定、识别装置级别的"健康"诊断指示符并且应用基于本地状态的逻辑以基于用户 定义的标准（考虑到诸如所需的风险降低、对故障的适当响应和安装的装置冗余之类的标 准）来增强整体安全仪表功能（SIF)的可靠性和安全性的能力。经由通过FVCG/SJB启用 的高速通信来进行返回到中央控制室的通信。
[0008] 为了方便起见，下面是在讨论现有技术和描述本发明时使用的术语缩写的列表：
[0009] CCR:中央控制室
[0010] CPU:中央处理单元
[0011] DCS:分布式控制系统
[0012] EI:以太网接口
[0013] ESD:紧急停机
[0014] FF:现场总线基础
[0015] FVCG :现场多功能控制网关
[0016] I/O:输入/输出
[0017] ISA100 :国际自动化协会（ISA)的无线协议
[0018] HSL :使用单模光纤、多模光纤和以太网的高速链路
[0019] I SCI :智能安全和控制积分器 [0020] JB :接线盒
[0021] PIB:过程接口建筑物
[0022] PRC:工厂路由控制器
[0023] SIF :安全仪表功能
[0024] SJB :智能接线盒
【发明内容】
[0025] 本发明包含一种过程控制系统，该过程控制系统用于将现场和控制室中的各种工 厂仪器和系统互连，同时使互连布线、CCR或PIB接口设备、电力/电源模块以及相关联的 导管、电缆托架和管道、和其它基础设施要求最小化。该系统的一个关键要素是，它提供了 现场级别的（1)现场装置接口、（2)本地控制和（3)信号转换技术的组合。该系统支持并 启用现场控制和现场逻辑、现场装置电力和布线接口、以及信号转换（对于硬连线和无线 传感器及最终元件二者）。本发明的系统允许以快速采样和控制响应时间进行多变量现场 控制。
[0026] 通过使用现场多功能控制网关（FVCG)使得可以减少从现场到CCR或PIB的布线。 FVCG提供了与传统现场装置的接口，并且进行通过高速数字通信网络输出过程控制和安全 信息所需的信号转换。为了增强可靠性，可经由硬连线通信、无线通信、或硬连线通信和无 线通信二者，在FVCG之间、和在单个FVCG与多个现场装置之间传递数据。
[0027] 分布在整个过程设施内的预定位置处的FVCG与驻留在CCR或PIB内的多功能控 制接口进行通信。多功能控制接口从FVCG收集已经经由高速数字通信而传输的过程控制 和安全信号，并且将这些过程控制和安全信号路由到中央多功能控制开关。中央多功能控 制开关执行具有智能能力的完全集成的过程控制和安全系统到具有自适应逻辑和模拟以 及工厂路由控制器功能的网络的高级路由能力。
[0028] 在FVCG和分布式控制系统（DCS)之间共享用于操作控制的逻辑。该系统可被配 置为使得：对于某些控制应用，DCS具有主控制并且FVCG具有次控制，然而对于其它控制 应用，FVCG具有主控制并且DCS具有次控制。类似地，在FVCG和工厂的中央逻辑解算器之 间共享用于紧急停机控制的逻辑，其中，对于某些应用，FVCG具有主控制，而对于其它应用， FVCG具有次控制。在所有情况下，如果主控制装置存在失效，则控制将转向次控制装置。如 本文中使用的，术语"中央逻辑解算器"是指在传统紧急停机系统中用于管理与安全隔离功 能相关联的所有输入和输出的专用可编程控制系统。"中央逻辑解算器"通常被设置为与监 管控制系统（被称为DCS)完全分开和独立的系统。本申请引入的构思是经由通过FVCG启 用的高速数字通信，根据需要将与"中央逻辑解算器"的通信限制到协调级别，并且本地管 理与井口装置（wellhead)相关联的完全安全功能。
[0029] 在一个实施例中，DCS监测FVCG (诸如，监测FVCG的健康状况、监测与FVCG有关的 临界报警、并且测量FVCG的CPU执行时间），从而允许DCS确定FVCG是否超载或劣化。如 果进行了这样的确定，则控制功能的责任从FVCG转移到DCS，并且FVCG将充当纯通信和中 继模块，而不充当控制模块。因此，FVCG可在两种模式下操作：在模式1下，作为通信装置 进行操作，其中信息通过装置进行传递；而在模式2下，作为控制和通信装置进行操作。
[0030] 在另一个实施例中，FVCG提供了如下能力：基于与特定安全仪器功能（SIF)相关 联的风险和智能现场装置自诊断，配置在安全系统表决内使用的用户定义的安全系统劣化 状态。
[0031] 在另一个实施例中，FVCG利用与整个工厂ESD系统同步的时钟提供了每个智能现 场装置自诊断故障的时间戳；将检测到的故障的存在传送到中央ESD系统、DCS和/或本地 控制面板；以及收集存在装置故障的逝去时间，并且其中，FVCG可被配置为在装置（或装置 的组合）处于劣化或故障状态的所定义的时间长度之后，使相关过程达到安全状态。
[0032] 在另一个实施例中，该系统监测由FVCG经历的温度、湿度、负载水平和振动。如果 这些参数超过预定标准，则常见故障信号被发送到DCS，并且一般由FVCG进行的控制功能 将转向DCS，而一般由FVCG进行的紧急停机功能将转向ESD控制器。
[0033] 在又一个实施例中，当油/气井远离主处理工厂时，本地FVCG将提供用于控制功 能、测试、维修和设备升级的现场逻辑。
[0034] FVCG/SJB可取代现有技术的现场安装接线盒（JB)。FVCG/SJB用于下面的功能： (1)用于多个现场装置的接口，（2)信号和协议转换，（3)用于现场装置的电源和电力调节， 优选地，为每个FVCG提供冗余电源，（4)用于FF H1段和端子块的布线端子，其中，对现场 传感器和最终元件进行短路保护。
[0035] FVCG用作与每个现场装置（即，各个过程传感器和最终元件）的连接点。来自每 个现场装置的布线端子与FVCG端子模块（提供了被隔离的传统4-20mA端子和FF H1支线 连接两者）连接。FVCG端子模块提供了现场装置布线的物理端子，并且执行连接的FF H1 支线和其它传统控制信号布线所需的短路和开路检测。另外，经由FVCG端子模块提供用于 现场装置的电源和电力调节。对于FF H1电路，FVCG端子模块组合了现有FF H1装置耦合 器和FF H1段电源和电力调节器的功能。
[0036] 各个"对"或各个FF "支线"端接于取代传统FF装置耦合器并且消除了对FF段 "干线"端子的需要的端子模块的被隔离部分、以及在FF H1主机接口处的系统机柜内的诊 断和电源模块。本发明的系统完全消除了现在在FF装置耦合器、FF电源和调节器、以及FF HI主机接口之间所需的"干线"电缆。FVCG提供了智能无线中继模块的功能，并且用作高 速数字通信和现场信号布线环境之间的接口。
[0037] 另外，每个FVCG提供了对每个硬连线H1支线的状态和与其它FVCG的高速数字通 信的诊断。在控制