模块化设计和制造的研究开始于19世纪50年代末60年代初。模块化技术在现代多个工业领域发展和实施，主要包括核电行业、远洋船舶、大飞机制造行业。受其他行业发展的启发，石油行业在热能机组、海洋平台、炼油化工等领域，开始逐步应用模块化设计及建造技术。
随着非常规、边际油气田和海外项目的逐渐增多，对控制系统模块化/撬装化的需求也越来越多。典型的如海上中心平台、油气田集中处理站等，均有近百个工艺撬块。目前，油气田站场工艺撬块集成度较高，而与之配套的控制系统仍沿用集中式布置，这样造成撬块到中控系统间的电缆较多，而且必须在现场敷设，增加了现场施工和调试工作量。另外在撬块搬迁时，大量电缆还必须重新敷设，有些甚至还必须重新采购。因此，为适应工艺模块化/撬装化的要求，控制系统的模块化/撬装化也势在必行。
1、模块化控制系统的设计思路
传统的工厂，控制系统一般多采用I/O卡件集中布置在机柜间/站控室，现场仪表阀门等信号一般采用从现场仪表端或接线箱通过控制电缆连接到控制机柜端子的方式。这样的连接方式使得所有的控制电缆必须在现场进行敷设，也使得仪表只能在现场进行调试。
随着越来越多的传感器被用于监控环境信息、设备的健康状态和生产过程的各类参数，这些数据的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安装转型为分布式安装，即基于远程I/O模块的分布式控制系统。分布式控制系统在智能化生产时代会得到更广泛的应用，同时可组态分布式I/O模式的应用使得系统搭建更为灵活。因此，在采用模块化建设方式时，控制系统往往会采用远程分布式I/O的方式，并将之集中在各个模块设置的电仪室或者现场机柜间内。各模块的远程I/O再通过光纤连接到中心控制室，而光纤则可采用预先埋地敷设的方式。这样的方案使得现场施工的工作量降到最低，而且每一个模块中的仪表都可以在模块预制车间完成工艺安装和撬块内接线的工作，运抵到现场后，仅需要连接预埋好的通信光纤即可。
因此，在设计过程中应尽早确定系统I/O点数以及对控制柜的要求，以尽早开展现场电仪室/机柜间的设计。同时尽早邀请系统硬件供应商的加入，提前确定控制系统的软硬件方案以满足现场电仪室/机柜间设计的要求。
2、实际案例分析
2.1 项目概况
为了配合某含硫气井的开发，在该地区建造了一套满足单井试采要求的单井撬装脱硫装置。该装置采用双塔工艺进行脱硫和硫磺回收，采用三甘醇脱水工艺脱水、采用熔硫和造粒工艺得到副产品硫磺。随着试采结束，该套装置需要考虑搬迁至其他试采井进行试采。该研究内容立足于吸取前期项目经验教训，通过论证优化控制系统设计方案，更好满足撬装化的设计要求，为设备建设及搬迁提供方便。
2.2 拟采用的控制系统结构
该套撬装装置在撬装化控制室设置站场控制系统(SCS)，完成站内工艺参数的采集、控制、显示和存储，对于工艺参数越限、火灾和气体泄漏实现报警和联锁保护。SCS由过程控制系统(PCS)和安全仪表系统(SIS)构成。PCS采用通用的PLC，负责站内的生产流程以及辅助流程的数据采集和控制。SIS采用SIL2认证的PLC，为故障安全型，负责站内SIS仪表信号的采集和联锁控制。
2.2.1 不设置现场远程I/O方案
SCS均设置于控制室内，信号电缆由现场仪表设备敷设至控制室。
2.2.2 设置区域远程I/O机柜方案
按照区域布置远程I/O机柜，分别位于天然气处理区、硫磺回收区、硫磺成型区、公用工程区、变配电撬/UPS撬/变频撬，分别根据现场I/O点数设置一面或多面远程I/O机柜。各区域检测与控制点分别将信号引入本区域的远程I/O机柜中，再通过光纤与控制室内的SCS机柜进行通信。I/O机柜采用增安或隔爆设计。
由于可能存在井口区与脱硫站场分别分开设置的情况，因此井口区可能单独设置远程I/O机柜。另外除井口与天然气处理区外，SIS检测控制点仅在天然气处理区较多，因此可仅考虑在井口区与天然气处理区设置SIS的远程I/O机柜。
2.2.3 设置撬块远程I/O箱方案
该方案在每个需要检测控制的撬块上设置1面远程I/O箱，撬块远程I/O箱可随撬块一同成撬，该远程I/O箱替代了原控制方案中随撬块成撬的接线箱。
根据现场检测控制点布置情况，井口区、公用工程区、变配电撬/UPS撬/变频撬、机柜间的I/O配置与区域远程I/O箱方案相同。由于该方案中，每个撬块SIS点数较少，因此不考虑设置撬块SIS远程I/O箱，采用上述方案中的区域SIS I/O箱或不设置SIS现场远程I/O机柜。
2.3 对比分析
2.3.1 硬件成本
对无现场I/O机柜方案、区域I/O机柜方案和采用配置撬块I/O箱方案进行定量对比分析，见表1所列。
表1 无现场I/O机柜方案、区域I/O机柜和撬块I/O箱方案对比
设置区域I/O机柜或撬块I/O箱的方案，不但增加了机柜或箱体数量、系统用电负荷，还需要考虑防爆区内的机柜/箱体的防爆要求。由于增加了系统输入输出模块数量，因此提高了控制系统的硬件投资，但可以有效减少电缆长度，大幅减少现场施工工作量。
2.3.2 施工
随撬块一同成撬的撬块远程I/O箱方案可以将控制系统集成于撬块当中，作为撬块一部分，仅需要增加电源以及SCS的光纤敷设的现场施工工程量，并且减少了接线箱的安装工程量。因此撬块远程I/O箱方案现场施工工程量最低。
不管设置撬块远程I/O箱还是区域远程I/O机柜，均能够使大部分的施工工程量调整到加工工厂中安装完成，并且有利于撬块整体搬迁。同时，电缆工程量大幅度减少，与之配套的桥架、钢管等材料也相应减少。而电缆、桥架、钢管现场安装的工作量很大，可以减少现场的施工工程量，加快项目进度。
2.3.3 调 试
系统调试难度增加，现场调试检测难度降低，减少现场侧物理接线的检查工作量，大 部分工作改为总线通信调试，软件调试工作量增加，但软件的修改相较硬件调试更为直接方便，提高了调试效率，但前提是调试人员要具备相应的技术能力。
2.3.4 维 护
维护要求门槛提高，原先的硬接线形式对于维护人员的要求不高，熟悉基本的电气原理即可胜任。采用远程I/O技术后，维护工作量集中在通信和软件调试，需要有一定软件操作基础的工程师才可以胜任。
2.3.5 经济效益
随着采集测控点数量的增加，使用优化后的系统有更为明显的经济效益：首先，由于分布式I/O技术的总线数据传输，减少了现场的接线和调试工作量；其次，大部分工作为软件调试，通信一旦建立，可以不受不良天气的影响，可以缩短工期，有效减少投资。
3、防爆和防护及环境控制
对于设置于非防爆区、温湿度可控的环境，常规控制柜即可满足要求的情况，本文不再做进一步的论述，下面主要讨论在防爆2区、室外情况下的控制柜防爆、防护及环境控制。
3.1 远程I/O控制柜防爆及防护
3.1.1 隔爆型控制柜
采用隔爆型控制柜，最大的优点就是可以采用普通的卡件，选择范围广，成本低。但相应的需要面对以下问题：
1)激发是影响地震记录质量的重要因素，如果激发不出有效的弹性波能量，再好的接收条件也无济于事，所以激发有效波必须具备：频带较宽；有较高的信噪比和良好的重复性。山区复杂的地表条件，决定了要因地制宜的选择激发井位、井深和药量。山区表层纵横向岩性及速度变化均较大，使用一个固定的激发井深难以获得理想的资料，因此勘探过程中的激发井深及激发岩性的选择非常重要，适当的激发井深及好的激发岩性可以取得较高品质的原始资料。利用小折射、微测井及岩性录井等措施做详细的表层结构调查，且要根据出露地表的情况来对表层进行划分，划分出低速层、降速层及高速层等，且画出表层结构纵剖面图，以此可以逐点进行激发井深设计。
2)隔爆控制柜造价高，且壳体厚重，如果接入的测控点较多，控制柜的体积和质量难以控制。
3)现场检修、维护及测试工作进行前，需切断电源，且必须确保周围环境中可燃气体含量在安全范围内，同时防爆型柜体开关相对费时费力。
3.1.2 增安型控制柜
采用本安型远程I/O机柜及配套的电源、空气开关等，理论上选择防护等级满足室外防护要求的控制柜即可，不需考虑防爆要求，但根据实际的案例和经验，业主方往往要求选择增安型控制柜以增加可靠性和安全性。采用增安型控制柜，需要注意以下问题：
1)I/O模板、电源、空气开关、保险等均需有防爆2区认证，硬件成本高。
2)对施工水平和质量要求高，日后维护成本也较采用普通卡件加隔爆控制柜的方式要高。
3)由于增安型控制柜对密封的要求，其内部散热也与隔爆型控制柜类似，只是壳体相对较薄，内部元件散热量相对较少，但极端环境下的散热仍是需要考虑的问题。
3.1.3 建议
虽然隔爆型控制柜在柜体上造价较高，但是在总体成本上仍远低于本安卡件及其相关联硬件，如电源、空气开关等带来的费用增加。
对于本安型远程I/O系统，目前西门子公司可以提供全套的解决方案，由于防爆2区认证的电源、空气开关市面上相对较多，罗克韦尔公司和倍加福公司则只提供I/O卡件本身，需要另外配套本安电源等。
综合来说，环境情况良好时，即温度适宜、无太阳直晒等，可以考虑采用隔爆型控制柜加普通卡件的方式以节约成本；环境相对严苛时，若业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优先选择。
3.2 远程I/O控制柜环境控制
远程I/O控制柜的环境控制，主要是保证其内部环境工作温度在电子器件适宜的范围内。对于低温区域，采用隔爆型的电伴热即可满足要求，且技术成熟，选择范围广。因此，本节主要讨论的是隔爆和增安型控制柜内部散热的方法及对应的环境策略。
3.2.1 控制柜的散热方式
目前市面上常见的远程I/O模块，其工作温度范围基本为-20～60 ℃，有些厂家的产品可以做到-40～70 ℃。因此，如果环境温度适宜，适当增加遮阳等措施，在国内大多数区域是可以满足现场使用要求的。
在气候环境相对严苛的条件下，比如热带沙漠地区，太阳光照强烈，环境温度常年高温，建议从以下方面加以完善：
1)露天阳光直射的防爆控制柜应加装遮阳板，注意遮阳板与柜体间留有一定通风间隙。
2)防爆控制柜后端加装散热板，易于柜体的散热，且注意柜体内的发热元件安装布置摆放应尽量松散一些，留出散热空间。
3)出于安全考虑可以采用正压防爆控制柜，控制柜内通压缩空气或氮气均可。尤其是体积较大的控制柜，采用正压防爆型。
3.2.2 新技术的应用
半导体制冷技术也叫温差制冷技术或者热电制冷技术，它是以温差电现象为基础的制冷方法，是基于帕尔贴效应的原理达到制冷目的，即在两种不同金属组成的闭合线路中，通以直流电流，一端会产生热量，一端会吸收热量。
将半导体制冷片固定在控制箱隔壁外壳壁内，热端一侧紧贴隔爆外壳壁，在外壳壁与半导体制冷片冷端之间涂导热硅胶，使外壳壁和半导体制冷片充分接触，减少因接触空隙产生的温差，提高了半导体制冷的效率。为了使热量能够及时散发出去，一般情况下还需要在外壳外部焊接辅助散热翘片，提升散热能力。
利用半导体制冷法具有易于调控、无制冷剂、无机械转动部件、无噪声以及无污染等优点。但仍有以下两点问题需要解决：
1)市面上缺少成熟的、有实际应用案例的并取得防爆2区及以上认证的半导体制冷设备。
2)半导体制冷产生的冷凝水处理问题，尤其是机柜内部产生的冷凝水会对电子元件造成损害，因此需要考虑机柜内部的温湿度控制。
4、结束语
模块化建设较传统建设模式能更好地适应油气田地面建设工程，可以缩短工程施工周期，降低现场的管控风险，提高施工质量，让业主方更早投产，及早见到效益。采用基于远程I/O模块和撬块I/O的分布式控制系统的设计方案与传统的控制系统设计思路相比，结构简单、易于现场实施，同时可实现传统方案不具备的系统复用性。对于实际项目控制系统方案的选择，还需根据实际情况及项目后期安排在初步设计、详细设计过程中进行优化，以更好地服务于模块化建设。
作者：姚彬(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司)、杨静(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司)、张玉恒(中石化石油工程设计有限公司)