孫夢，楊明越，季興龍，李洋

（山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 266590）

0 引言

近年來現(xiàn)代化信息技術發(fā)展突飛猛進，使得可編程自動化控制系統(tǒng)在油田中的應用越來越廣泛。期間，2000年投產的我國第一套灘海油田自動化測控系統(tǒng)經過近10年的擴充、完善、維修、維護，一直保持了良好的運行狀態(tài)，系統(tǒng)測控功能達到了設計要求，為海上油田生產提供了有力的技術保障。但是隨著淺海固定平臺標準的不斷完善，自動化控制技術發(fā)展的日新月異，這就要求對自動化測控系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)進行升級和改造，采用高穩(wěn)定性、高性能的PLC系統(tǒng)[1]。

1 整體結構

埕北油田采油平臺自控系統(tǒng)在中心平臺調度控制室的統(tǒng)一調度下協(xié)調優(yōu)化運行，自控系統(tǒng)從平臺的布局、功能、生產管理方式等實際出發(fā)，設為三級管理模式。分為陸地監(jiān)控中心，中心平臺調度控制室和衛(wèi)星平臺站。

1.1 中心平臺調度控制室

每個中心平臺監(jiān)控中心設置兩臺冗余服務器、報警打印機。冗余服務器不僅是整個系統(tǒng)的核心，同時也是中心平臺操作站，安裝有PKS服務器軟件，服務器冗余軟件、MMI組態(tài)軟件、MMI用戶應用軟件、RSlinx硬件驅動軟件、Excel報表軟件等。完成系統(tǒng)組態(tài)、數據采集、控制、歷史歸檔、打印、網絡管理等功能，響應操作站計算機的數據請求提供數據服務和控制操作；對下可通過RS232、ControlNET網絡與衛(wèi)星平臺RTU連接，對上通過以太網陸地監(jiān)控中心、生產管理區(qū)和遠程終端提供數據服務。

1.2 陸地監(jiān)控中心

1.2.1 廠部

陸地監(jiān)控中心配置兩臺遠程操作員站，分別監(jiān)控CP1、CP2的數據。遠程操作員站安裝有PKS客戶端軟件、MMI用戶應用軟件、Excel報表軟件等。

1.2.2 生產管理區(qū)

CP1、CP2生產管理區(qū)各配置1臺遠程操作員站，其硬軟件配置及完成的功能，與陸地中心配置的遠程操作員站相同。

1.2.3 無人值守采油平臺

無人值守采油平臺自控系統(tǒng)有過程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）兩套控制系統(tǒng)組成，兩者有機結合互相診斷，通過通訊模板完成于中心平臺的通訊。PCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)通過遠程模板經DH+網絡相連，構成，構成統(tǒng)一的RTU系統(tǒng)。兩者信息共享，一旦PCS系統(tǒng)發(fā)生故障，中心平臺能夠通過SIS系統(tǒng)確保平臺有效的轉換至安全狀態(tài)[3]。

圖1 埕北32采修一體化平臺模板配置圖Fig.1 Cheng north 32 mining integration platform template confi guration diagram

圖2 模擬量信號處理過程Fig.2 Analog signal processing

圖3 開關量信號處理過程Fig.3 Analog signal processing

2 CB32平臺系統(tǒng)簡介及結構說明

2.1 平臺PLC自控系統(tǒng)

平臺自控系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）兩套控制系統(tǒng)組成。過程控制系統(tǒng)PCS系統(tǒng)完成采油平臺的生產參數的監(jiān)控，安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）由緊急關斷系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）和火氣系統(tǒng)（FGS系統(tǒng)）構成，安全儀表SIS系統(tǒng)完成對生產的安全控制，兩者有機結合互相診斷，通過通訊模板完成中心平臺的通訊。PCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)通過遠程模板相連，兩者信息共享，保障無人值守采油平臺安全運行[4]。

2.2 平臺PLC自控系統(tǒng)硬件

PLC系統(tǒng)有微處理器（CPU）、存儲器、電源、背板機架、輸入輸出模板等組件組成。其中背板機架為模板之間提供高速的信息傳遞通道。在背板上，控制器模塊、網絡模塊、I/O模板可插在任意槽內，十分方便。微處理器是PLC的核心部分，它包括控制器和運算器，其控制功能是通過將各輸入端狀態(tài)信息讀入并按照用戶程序進行處理，然后控制輸出端實現(xiàn)的。PLC中配有系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器主要用來存放系統(tǒng)的管理和監(jiān)控程序、編譯處理用戶的程序及各種系統(tǒng)參數等。輸入組件主要包括耦合器、隔離輸入接口和輸入狀態(tài)寄存器。該組件通過輸入端子接收和采集各類輸入信號，再經光電耦合器輸入到輸入映像寄存器中。輸出組件由輸出映像寄存器、輸出鎖存器、光電耦合器、功率放大器等組成。

在埕北32平臺，采用6個機架來搭建平臺的PLC自控系統(tǒng)，各個機架通過C網模塊進行連接。其中兩個機架做PLC核心部分CPU的冗余。冗余系統(tǒng)的主從控制器實時同步控制狀態(tài)和數據，在主控制器意外故障時系統(tǒng)自動切換，熱備冗余系統(tǒng)平穩(wěn)的無擾動切換，對整個工程的監(jiān)控不會中斷。并且需根據現(xiàn)場工藝流程的特點、設計要求、控制任務和輸入輸出的點數，設備的特性來選擇數字量和模擬量輸入的模塊，以達到系統(tǒng)的要求。

SIS系統(tǒng)共由4個機架組成。其中RACK1和RACK2組成系統(tǒng)的冗余功能，由CPU模塊1756-L61、以太網模塊1756-ENBT、C網模塊1756-CNB、冗余模塊1756-SRM組成。其中CPU模塊完成運算順控程序，進行信號的輸入輸出處理；以太網模塊完成與上位機與PC機的通訊任務；C網模塊起到組建控制網功能；冗余模塊組建PLC的冗余系統(tǒng)，將主從控制器的控制狀態(tài)和數據實時同步起來，在主控制器意外故障時自動切換。RACK3和RACK4由C網模塊1756-CNB、模擬量輸入模塊1756-IF16、數字量輸出模塊OB16D和數字量輸入模塊IB16組成，完成對ESD信號的處理。

PCS系統(tǒng)共有兩個機架（RACK5和RACK6），由開關量輸入模塊1756-IA16、開關量輸入模塊1756-IB16和模擬量輸入模塊1756-IF16組成，模擬量模塊完成對溫度、壓力、液位、流量等信號的采集和處理，開關量模塊完成對電潛泵的缺相狀態(tài)、短路狀態(tài)，井上井下安全閥狀態(tài)、泵的運行和故障狀態(tài)等的功能。

2.3 I/O接口地址分配

首先要對現(xiàn)場所有的信號進行分類匯總，現(xiàn)場的信號包括數字量信號、模擬量信號以及第三方通信的信號。如圖1所示。

首先對采油平臺的信號進行分類匯總，根據這個表確定需要的通道數量及模板的類型和各自的數量。其中數字量點261個，模擬量點192個。然后按照一定的規(guī)則將所有的信號分配到相應的模板通道中，并給各個信號量分配地址以便在上位機和下位機中使用。

2.4 點的監(jiān)測過程

對于模擬量信號（溫度、壓力、液位、流量等），首先需要在RSLogix5000中對相應的模擬量模塊進行正確的配置和組態(tài)，然后就需要對照相應的地址分配表，在模板的各個通道中對各個模擬量信號的類型進行設置并對模擬量的量綱進行設置，在這里我們都設置3277~16384分別對應4~20MA的電流信號。這樣就減少了程序員在現(xiàn)場出現(xiàn)變動的時候對程序的頻繁操作，只需要在上位機軟件中進行比例量和偏移量的設置即可達到對現(xiàn)場數據的準確監(jiān)測。然后用COP指令將各個模塊相應通道中的數據傳到中間數組中，進而使用RTN指令將中間數組中的數據進行取整處理，就可以將數據傳到上位機軟件中。在上位機軟件中設置好通訊方式和地址后就可以將中間數組的數據讀取上來，在進行比例量和偏移量的計算之后，就可以在上位機中將現(xiàn)場的實際數據顯示到畫面中。如圖2所示。

對于開關量信號（泵的啟停，閥的開關等），RSVIEW32根據操作員發(fā)出的控制命令，進行點的控制處理，并通過改變目標地址數據將命令發(fā)送到控制器，控制器接到命令后，通過繼電器對泵或閥門進行控制，然后將信號反饋到RSVIEW32服務器。如圖3所示。

3 結論

以上針對埕北油田實際生活生產中的應用，介紹了整個系統(tǒng)的組成，控制系統(tǒng)軟硬件的設計。通過選擇高性能，高穩(wěn)定性的ABPLC，并選擇增加冗余系統(tǒng)來增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]莊文浩.PLC在油田控制系統(tǒng)中的選型與應用[J].儀器儀表用戶,2013.20(2):54-56.

[2]廖常初.PLC基礎及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[3]鄢召民.墾東陸采平臺自動化測控系統(tǒng)[J].油氣田地面工程,2009,28(3):50-51.

[4]于殿強,田京山,黃少偉,等.埕島油田中心一號平臺測控系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].油氣田地面工程,2005,24(1):39-40.

[5]趙榮,張偉強.PLC在工業(yè)自動化控制中的應用[J].科技信息:科學教研,2007(19):310.

[6]唐維,曲立民,蓋樹光.套子灣污水廠自控系統(tǒng)升級改造研究[J].現(xiàn)代商貿,2010(11):363-364.

[7]曹凌,吳曉君,杜學普.基于S7-300PLC的油田監(jiān)控系統(tǒng)[J].機械與電子,2008(2):79-80.