，，，

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院 德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東 德州 253005；2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

水下采油樹電液復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張長齊1，黃魯蒙2，李富平1，張彥廷2

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院 德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東 德州 253005；2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

根據(jù)水下采油樹系統(tǒng)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)了水下采油樹電液復(fù)合控制系統(tǒng)，包括通信控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力單元(HPU)和水下控制模塊(SCM)。采用PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，設(shè)計(jì)了主從站和冗余控制系統(tǒng)，并分別設(shè)計(jì)了HPU和SCM的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，其中HPU電控系統(tǒng)采用軟冗余控制，SCM電控系統(tǒng)采用硬冗余控制。該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水下采油樹閥門管匯的精確、穩(wěn)定控制。

水下采油樹；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

Abstract：Based on the research for subsea tree system and related standards，electro-hydraulic control system for subsea tree is designed，including communication and control system，hydraulic power unit，and subsea control module.PROFIBUS-DP and Industrial Ethernet were used to design master-slave and redundant control system.HPU and SCM were designed，including hydraulic system and electronic control system.Soft redundant control is used in HPU，and hard redundant control is used in SCM.This system makes sure a stable control for subsea tree.

Keywords：subsea tree；control system；design

水下采油樹是一種井口設(shè)備，主要功能是懸掛油管、承托油管重力、密封油管和套管的空間、控制和調(diào)節(jié)油井生產(chǎn)、保證各種井下作業(yè)、錄取油壓資料和測壓、清蠟等。水下采油樹控制系統(tǒng)是水下采油樹的控制中心，根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥門，實(shí)現(xiàn)水下采油樹的各項(xiàng)功能，在水下生產(chǎn)過程中具有非常重要的作用。

根據(jù)控制方式的不同，水下采油樹控制系統(tǒng)可分為3類[1]：全液控制系統(tǒng)；電液復(fù)合控制系統(tǒng)；全電控制系統(tǒng)[2]。綜合考慮控制距離、系統(tǒng)響應(yīng)速度、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素，電液復(fù)合控制系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。該系統(tǒng)主要由通信控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力單元(HPU)和水下控制模塊(SCM)等組成[3]，其中通信控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號處理與傳遞，HPU負(fù)責(zé)液壓動(dòng)力的供應(yīng)，SCM負(fù)責(zé)水下電磁閥的控制。本文通過對水下采油樹系統(tǒng)的研究，對水下采油樹電液復(fù)合控制系統(tǒng)的通信控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力單元和水下控制模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作參數(shù)為：水深500 m，高壓控制壓力34.5 MPa，低壓控制壓力20.7 MPa。

1 通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門子PLC控制，在系統(tǒng)的不同模塊通信中運(yùn)用多種不同的通信技術(shù)，主要包括工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線[4]。

對于液壓動(dòng)力單元。PC上位機(jī)與下位機(jī)PLC以雙絞線連接，采用TCP/IP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的控制以及數(shù)據(jù)通信，其中上位機(jī)為裝有WinCC軟件工控機(jī)，下位機(jī)包括主站CPU、備站CPU、從站模塊以及各輸入輸出模塊；冗余CPU之間采用TCP/IP通信協(xié)議，用于數(shù)據(jù)交換和同步鏈路的建立，主站CPU和備站CPU與從站間的通信采用PROFIBUS通信協(xié)議。

對于水下控制模塊。水下控制模塊采用硬冗余控制[5]，有2套硬件設(shè)備，每套硬件設(shè)備通信方案相同。同上述液壓動(dòng)力單元，PC上位機(jī)與下位機(jī)的PLC間通信采用雙絞線，協(xié)議類型為TCP/IP類型；主站CPU和備站CPU間采用同步光纜連接，實(shí)現(xiàn)主備站切換高度同步；主站CPU與從站CPU間采用PROFIBUS通訊協(xié)議，一個(gè)CPU主站對應(yīng)多個(gè)CPU從站，實(shí)現(xiàn)主控站對多個(gè)水下采油樹的控制。

1.2主從站與冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控的對象比較多或者對系統(tǒng)有冗余要求時(shí)需要用到主從站通信。主從站通信分PLC主站和從站。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，進(jìn)行了冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所謂冗余系統(tǒng)就是控制系統(tǒng)分為主系統(tǒng)和備用系統(tǒng)，正常工作時(shí)，主系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的工作，備用系統(tǒng)與主系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過軟件或硬件模塊可以實(shí)現(xiàn)主備系統(tǒng)的切換，由備用系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)在故障情況下的可靠運(yùn)行。

根據(jù)主備系統(tǒng)的組成不同，可將PLC冗余方式分為軟冗余和硬冗余2種。液壓動(dòng)力單元位于水面以上，采用軟冗余控制，系統(tǒng)配置如圖1所示。水下控制模塊位于水下，對系統(tǒng)具有更高的要求，采用硬冗余控制，系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖1 HPU系統(tǒng)配置

圖2 SCM系統(tǒng)配置

2 液壓動(dòng)力單元設(shè)計(jì)

根據(jù)API SPEC 17F—2006 (R2011) 和GB/T 21412.6—2009標(biāo)準(zhǔn)[6，7]進(jìn)行液壓動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)。

2.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在明確液壓動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)要求、分析水上部分與水下控制模塊控制聯(lián)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)液壓動(dòng)力單元液壓系統(tǒng)各回路[8]。水下采油樹液壓動(dòng)力單元液壓系統(tǒng)主要包括油箱及其附件、泵回路、蓄能器組、循環(huán)泵回路、調(diào)壓回路、接口回路、回油回路等[9]。系統(tǒng)的功能主要是輸出穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的可驅(qū)動(dòng)水下采油樹閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力液，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理框圖和原理圖分別如圖3～4所示。

圖3 HPU液壓系統(tǒng)原理示意

圖4 HPU液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的工作過程為：首先，啟動(dòng)高壓泵和低壓泵，泵回路開始工作，由供油油箱作為泵的供油源，泵回路為整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)充油液，包括蓄能器、臍帶纜、水下蓄能器等部分。待系統(tǒng)充液完成，系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，泵回路自動(dòng)停止工作，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定的壓力值時(shí)，泵回路重啟。蓄能器組儲存泵回路提供的高壓液，待系統(tǒng)需要補(bǔ)油時(shí)，蓄能器組泄油供能，蓄能器組和泵回路處壓力均為系統(tǒng)壓力。調(diào)壓回路將減壓閥入口的系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)到執(zhí)行器工作所需的額定操作壓力，經(jīng)調(diào)壓后的液壓液進(jìn)入接口回路，從而流向臍帶纜進(jìn)入水下生產(chǎn)系統(tǒng)，為水下元件提供動(dòng)力液。水下回路的返回液經(jīng)回油回路返回回油油箱。當(dāng)系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，循環(huán)泵將供油油箱和回油油箱的液壓液進(jìn)行循環(huán)沖洗，保證油液清潔度，同時(shí)當(dāng)油箱中的液壓液不足時(shí)，通過循環(huán)泵將外部油桶內(nèi)的液壓液泵入油箱，保證油液始終充足。

2.2電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓動(dòng)力單元電控系統(tǒng)的主要作用有：控制液壓泵的啟停，采集系統(tǒng)中壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器參數(shù)，控制系統(tǒng)中緊急關(guān)斷回路的通斷，控制和監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

電控系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC作為下位機(jī)，WinCC組態(tài)軟件[10]作為上位機(jī)，系統(tǒng)須滿足冗余功能要求，采用PROFIBUS-DP主從站和軟冗余設(shè)計(jì)，S7-300系列PLC為主站，ET200 M為從站，其中主站采用兩個(gè)S7-300系列PLC，互為冗余。ET200 M從站包括接口模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸入模塊。電控系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

圖5 HPU電控系統(tǒng)控制原理示意

2.2.1控制系統(tǒng)程序

本系統(tǒng)采用西門子編程軟件Step7進(jìn)行編程，首先需要對系統(tǒng)連接進(jìn)行組態(tài)配置，系統(tǒng)連接配置如圖6所示。控制系統(tǒng)程序分為冗余程序段和非冗余程序段，冗余程序段為調(diào)用軟冗余程序庫“SWR_AGSEND_300”中的功能塊編寫的程序，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余控制，非冗余程序段為系統(tǒng)的控制程序，對系統(tǒng)中的泵、電磁閥等進(jìn)行控制。

冗余程序段的部分程序如圖7所示，在OB35中進(jìn)行編寫，首先需要調(diào)用FB101“SWR_ZYK”功能塊，啟動(dòng)系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)同步功能，然后根據(jù)提取的狀態(tài)字判斷是否為主系統(tǒng)，若為主系統(tǒng)，執(zhí)行程序段3中的傳感器數(shù)據(jù)采集冗余程序段，若為備用系統(tǒng)，則直接執(zhí)行程序段4，停止冗余數(shù)據(jù)同步。非冗余程序段的部分程序如圖8～9所示，在OB1中進(jìn)行編寫，為系統(tǒng)的控制程序，主要包括泵控制程序、系統(tǒng)報(bào)警程序、電磁閥控制程序等。

圖6 HPU系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接配置

圖7 HPU冗余程序段

圖8 報(bào)警控制程序

圖9 泵控制程序

2.2.2系統(tǒng)操作界面

WinCC是SIEMENS系列PLC控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面[11]開發(fā)工具，通過WinCC開發(fā)的操作界面，用戶可以方便地對控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，本系統(tǒng)采用S7-300 PLC，可以不借助其他軟件與WinCC控制界面直接建立連接。本系統(tǒng)的操作界面包括系統(tǒng)主界面、壓力溫度曲線界面和報(bào)警記錄界面等，分別如圖10～12所示。

圖10 HPU控制系統(tǒng)主界面

圖11 HPU壓力溫度曲線界面

圖12 HPU報(bào)警記錄界面

主界面主要包括菜單欄、狀態(tài)欄、控制欄等。菜單欄的主要功能是進(jìn)行各控制界面的切換。包括用戶登錄/注銷、主界面、壓力溫度曲線、報(bào)警記錄和退出系統(tǒng)等按鈕。點(diǎn)擊用戶登錄/注銷按鈕可以進(jìn)行用戶登錄與注銷；點(diǎn)擊退出系統(tǒng)按鈕可以退出控制

系統(tǒng)；點(diǎn)擊主界面、壓力溫度曲線、報(bào)警記錄按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的操作界面。壓力溫度曲線界面顯示系統(tǒng)各點(diǎn)的壓力溫度狀態(tài)，不同的按鈕對應(yīng)不同的參數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)保存的歷史數(shù)據(jù)和圖像可以導(dǎo)出為.XPS文檔格式，便于分析和總結(jié)。報(bào)警記錄界面通過WinCC的報(bào)警記錄工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用報(bào)警工具將系統(tǒng)中的各監(jiān)測變量進(jìn)行歸檔，在歸檔變量時(shí)，與Step7中的數(shù)據(jù)輸出量或位存儲器變量相對應(yīng)，主要包括供回油油箱溫度信號、油箱液位信號、過濾器信號等。

3 水下控制模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)API SPEC 17F—2006 (R2011) 和GB/T 21412.6—2009標(biāo)準(zhǔn)對水下控制模塊的功能和軟硬件方面的要求，設(shè)計(jì)水下控制模塊的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。

3.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對水下控制模塊工作原理和功能研究，同時(shí)依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對水下控制模塊液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。水下控制模塊液壓系統(tǒng)主要包括供油回路、先導(dǎo)控制回路、液壓補(bǔ)償回路、接口回路、回油回路等。系統(tǒng)的功能是接收來自水面控制液壓動(dòng)力單元的液壓動(dòng)力液，并根據(jù)水面主控站的命令對液壓液進(jìn)行分配，開啟和關(guān)閉水下采油樹各閥門。所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理示意圖和原理圖分別如圖13～14所示。

圖13 SCM液壓系統(tǒng)原理示意

系統(tǒng)的工作過程為：供油回路接收來自液壓動(dòng)力單元的高壓和低壓兩種不同壓力的液壓驅(qū)動(dòng)液，在工作開始時(shí)，供油回路先對水下蓄能器進(jìn)行充壓儲存能量，便于后續(xù)快速補(bǔ)油。然后高壓油液進(jìn)入先導(dǎo)控制回路，先導(dǎo)控制回路負(fù)責(zé)為電液換向閥提供先導(dǎo)控制油液，也可控制驅(qū)動(dòng)液壓油液的通斷，同時(shí)液壓油液經(jīng)先導(dǎo)控制回路進(jìn)入接口回路，接口回路采用的是快速接頭，能夠快速連接和切斷回路，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)輸出流體的供給與切斷，并且監(jiān)測流體供給狀態(tài)，液壓補(bǔ)償回路與閥執(zhí)行器的彈簧腔相連，使補(bǔ)償油液進(jìn)入彈簧腔，保證對各液壓元件的控制不受水深影響。來自閥執(zhí)行器的回油液壓液有2種排出途徑，即經(jīng)回油回路返回水面或者直接排入海水中。

圖14 SCM液壓系統(tǒng)原理

3.2電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下控制模塊電控系統(tǒng)的主要作用包括：采集水下控制模塊內(nèi)部和水下采油樹內(nèi)生產(chǎn)和環(huán)空的溫度、壓力、流量信息；控制水下采油樹電液控制先導(dǎo)閥，引導(dǎo)液流方向控制閥門執(zhí)行器的開關(guān)。

SCM電控系統(tǒng)采用主從站設(shè)計(jì)，同時(shí)兼具硬冗余功能。選用西門子S7-400 H系列PLC作為系統(tǒng)主站和備用主站。采用S7-300系列PLC為從站模塊，I/O模塊主要包括模擬量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。電控系統(tǒng)原理示意如圖15所示。PC上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主站PLC經(jīng)光端機(jī)將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，控制信號通過光纜進(jìn)行傳遞，水下的PLC從站接收到控制信號，對位于水下的傳感器和電磁閥進(jìn)行控制，同樣經(jīng)過光端機(jī)將電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳遞到水面，實(shí)現(xiàn)水面對水下的控制和監(jiān)視功能，保證正常生產(chǎn)。

圖15 SCM電控系統(tǒng)控制原理示意

3.2.1控制系統(tǒng)程序

SCM系統(tǒng)連接配置如圖16所示?？刂瞥绦蛑饕ǎ簜鞲衅餍盘柌杉姶砰y控制，系統(tǒng)監(jiān)測報(bào)警等。在編程過程中，基于PROFIBUS-DP主從站特點(diǎn)，主站和從站均需要進(jìn)行編程，采用功能模塊SFC 15進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，采用功能模塊SFC 14進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，主站側(cè)和從站側(cè)均具有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，從而實(shí)現(xiàn)主從站間數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

圖16 SCM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接配置

SCM硬冗余的程序設(shè)計(jì)大量運(yùn)用SFC 15和SFC 14功能程序塊，用于主從站間的數(shù)據(jù)傳遞。圖17～18所示為電磁閥控制程序，分為主站側(cè)程序和從站側(cè)程序，主站打包并發(fā)送控制指令，從站接收并執(zhí)行主站發(fā)送的控制指令，同時(shí)程序中的控制開關(guān)在主站中為位存儲器，如HP1加壓回路為M 0.0，從站中為BOOL型數(shù)據(jù)，如HP1加壓回路為DB2.DBX 0.0，兩種控制開關(guān)的轉(zhuǎn)換通過主站側(cè)的相應(yīng)程序來完成。圖19為系統(tǒng)的報(bào)警信號傳遞程序，從站通過采集相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，由內(nèi)部的處理程序判斷報(bào)警狀態(tài)，并將報(bào)警信號傳遞給主站。

a 主站側(cè)向從站發(fā)送控制指令

b 從站側(cè)接收控制指令

a 主站側(cè)程序

b 從站側(cè)程序

a 從站發(fā)送報(bào)警信息程序

b 主站接收報(bào)警信息程序

3.2.2系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)

水下控制模塊的WinCC組態(tài)界面主要包括用戶登錄界面、主界面、壓力溫度流量界面、報(bào)警記錄界面等，用戶登錄界面賬戶名為zhangcq，必須輸入正確的賬戶名稱和密碼才能對系統(tǒng)進(jìn)行操作，報(bào)警界面監(jiān)視系統(tǒng)的壓力、溫度和流量信號。下面對主界面和傳感器采集界面進(jìn)行說明。

主界面由菜單欄、狀態(tài)欄和控制欄組成，如圖20所示。狀態(tài)欄顯示的是SCM的液壓控制原理圖，通過狀態(tài)欄可以監(jiān)視各生產(chǎn)和環(huán)空的溫度、壓力、流量狀態(tài)以及閥口的壓力狀態(tài)?？刂茩谥械陌粹o主要控制各電磁閥的通斷。傳感器采集界面主要對系統(tǒng)的壓力、溫度和流量等信號進(jìn)行采集，如圖21所示。在界面中，左鍵單擊相應(yīng)的按鈕，則顯示相應(yīng)變量對應(yīng)的曲線和數(shù)據(jù)，右鍵單擊相應(yīng)按鈕，則關(guān)閉對應(yīng)的曲線和數(shù)據(jù)顯示。

圖20 SCM控制系統(tǒng)主界面

圖21 SCM壓力溫度曲線界面

4 結(jié)論

1) 通過對通信協(xié)議和控制方式的研究，采用PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，運(yùn)用主從站和冗余系統(tǒng)控制方式，設(shè)計(jì)了水下采油樹電液復(fù)合控制系統(tǒng)的通信控制系統(tǒng)。

2) 根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對水下采油樹液壓動(dòng)力單元進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了液壓動(dòng)力單元的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，完成了電控系統(tǒng)的冗余程序和操作界面設(shè)計(jì)。

3) 通過研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對水下控制模塊的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)各回路，并用西門子軟件設(shè)計(jì)了水下控制模塊的硬冗余控制系統(tǒng)程序和控制系統(tǒng)操作界面。

4) 設(shè)計(jì)的電液復(fù)合控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水下采油樹管匯閥門的控制和各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測。

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DesignonElectro-hydraulicControlSystemforSubseaTree

ZHANG Changqi1，HUANG Lumeng2，LI Fuping1，ZHANG Yanting2

(1.ShelfoilPetroleumEquipment&ServicesCo.,Ltd.，ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Dezhou253005，China；2.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.005

1001-3482(2017)05-0020-09

2017-03-07

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M592269)

張長齊(1989-)，男，山東德州人，現(xiàn)從事固完井井下工具設(shè)計(jì)開發(fā)和水下采油樹控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作，E-mail：zhangcq@shelfoil.com。