中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 史軒瑋 周建新

海上平臺地面設備控制網(wǎng)絡頻發(fā)故障，結(jié)合各家品牌各類型變頻器的多樣性，研制出對地面控制系統(tǒng)分布式系統(tǒng)，更改原有控制網(wǎng)絡架構，減少上層網(wǎng)絡的計算量和多重監(jiān)控，建立不同類型變頻器標準控制程序開發(fā)，統(tǒng)一多種設備的標準接口，建立機組運行大數(shù)據(jù)，為設備生命管理周期和故障追溯性提供可靠性。

現(xiàn)海上潛油電泵控制系統(tǒng)大多采用“一對一”的變頻地面設備和一套中央控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)，即一臺變頻柜拖帶一臺井下機組，所有變頻柜通過通訊方式連在一起，將所有機組數(shù)據(jù)匯總至中央控制柜內(nèi)，由中央控制柜上的上位機進行集中監(jiān)控。

整個控制網(wǎng)絡中，采用的是西門子的Profibus-DP網(wǎng)絡形式：上層網(wǎng)絡核心以西門子S7-300/400控制器為主，下層分站使用S7-200系列EM277通訊模塊或者含有DP通訊功能的卡件，通過一根DP雙絞線首尾相連，實現(xiàn)現(xiàn)場總線控制模式，并通過調(diào)整終端電阻，增加通訊網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性[1]。

隨著各家品牌變頻器進入海油市場，各自控制方式和控制參數(shù)的不同，上層控制器內(nèi)控制應用不同，需要根據(jù)各種品牌分門別類采用不同控制內(nèi)容，造成了現(xiàn)階段地面設備控制系統(tǒng)極其混亂；最重要的是潛油電泵控制系統(tǒng)在使用過程中，經(jīng)常根據(jù)工藝需求增減調(diào)整井，進而需要在原有系統(tǒng)上增加或者減少控制分站，需要對當前控制系統(tǒng)頻繁進行調(diào)整，附加人員技術水平不足，網(wǎng)絡終端制作工藝不良，以及通訊介質(zhì)生銹、老化等其他客觀因素，致使整個網(wǎng)絡通訊狀態(tài)和通訊質(zhì)量很不穩(wěn)定。Profibus-DP網(wǎng)絡中所有設備均在同一個線路上，整個網(wǎng)絡通過一根雙絞線首尾相連，如果分站2和分站3中間發(fā)生斷路或者短路，未處于本地操作模式的變頻器3和變頻器4，都有可能發(fā)生關停事故，影響機組正常運行。

在一次針對老舊平臺的故障統(tǒng)計中，通訊故障占到所有故障類型的46%，有近一半的機組故障停機因素為通訊故障導致，對地面設備的穩(wěn)定性、采油平臺的整體產(chǎn)量，都造成了一定的影響。

1 研究目標方向

鑒于海上潛油電泵機組不允許輕易關停，而總線式的DP通訊網(wǎng)絡又存在著這樣的工藝弊端，通過調(diào)整控制形式，由原來上層網(wǎng)絡核心控制器“統(tǒng)一控制”，更改為變頻器本地“分布式控制”，減少上層網(wǎng)絡的計算量，將各項保護功能分散到單井本地任務，由各變頻器本地進行操控邏輯的計算，實現(xiàn)本地即時保護功能；并且，在實現(xiàn)各機組分布式控制的同時，統(tǒng)一各種品牌變頻器的本地控制內(nèi)容，建立標準的分布式控制程序，實現(xiàn)上層控制系統(tǒng)與分布式之間的規(guī)范化和標準化。

1.1 主要目標

開發(fā)地面控制系統(tǒng)分布式控制模式，改變原有機組保護方式，實現(xiàn)機組運行狀態(tài)本地自行監(jiān)控，減少上層網(wǎng)絡復雜計算和多重保護等，提高變頻設備運行的可靠性和安全性。

開發(fā)統(tǒng)一的標準分布式控制程序，實現(xiàn)所有機組變頻器控制方式一致，實現(xiàn)中央控制柜上層網(wǎng)絡與每臺變頻器分站通訊內(nèi)容“同量化”，完成一種兼容大部分類型變頻器的控制程序，預留統(tǒng)一的通訊接口，改善上層網(wǎng)絡的控制方式和控制內(nèi)容。

1.2 主要方向

研究的主要方向如下：（1）當前已經(jīng)應用變頻器的分布式控制開發(fā)，老舊系統(tǒng)升級改造；（2）變頻器標準控制程序的開發(fā)，統(tǒng)一通訊接口，推廣實際項目。

2 研究內(nèi)容

2.1 研究要點

分布式控制系統(tǒng)的研究，最需要的就是新型的控制網(wǎng)絡，徹底解決設備之間網(wǎng)絡因素的影響，達到一臺分站網(wǎng)絡故障，其他設備完全不受影響，有沒有上層控制網(wǎng)絡，設備均能穩(wěn)定運行，保質(zhì)保量保生產(chǎn)。同時，標準分布式控制程序的研究，必須對所有類型變頻器的控制方式進行歸納和統(tǒng)一，在通訊變量和地址上，各型號變頻器同樣參數(shù)的通訊地址各不相同，寫入形式也不盡一樣，更存在部分參數(shù)并不是所有變頻器全部具備，需要在編寫本地控制程序和人機操作畫面過程中，存在偏差，需要針對不同類型變頻器編制不同版本控制程序。

分布式控制網(wǎng)絡的研究，還需要關注變頻器上層網(wǎng)絡控制模式的通訊接口和整個ESP控制系統(tǒng)通訊結(jié)構的架構。

（1）通訊接口：現(xiàn)行電潛泵變頻器，大多以變頻模塊+對應本地控制器組合為主，原有本地控制器擴展DP通訊模塊實現(xiàn)DP通訊；分布式控制方式，采用功能齊全、性價比高的統(tǒng)一專業(yè)控制器，擴展出帶有星形通訊網(wǎng)絡的模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并加載標準的分布式控制程序，徹底實現(xiàn)機組分站通訊中斷不停機功能。

（2）通訊架構：基于星形以太網(wǎng)結(jié)構的通訊，各主要控制器廠家都具有自身的獨特性和市場需求的通用性。在通訊性上，各廠家都采用國際通用的MODBUS通訊協(xié)議，基本涵蓋了市面上所有儀器、儀表通訊需求。此次網(wǎng)絡優(yōu)化，整體結(jié)構即采用MODBUS TCP/IP形式和協(xié)議，中央控制柜內(nèi)控制器和變頻器本地控制器均實現(xiàn)MODBUS TCP/IP主從通訊即可[2]。

2.2 整合當前控制內(nèi)容

進行老舊系統(tǒng)改造，前提是不能更改原有系統(tǒng)的工藝功能和通訊內(nèi)容。通過多年現(xiàn)場服務和故障維修經(jīng)驗，整合當前地面設備控制系統(tǒng)所需工藝功能如表1所示。

表1 地面設備控制系統(tǒng)工藝功能Tab.1 Process functions of ground equipment control system

2.3 新控制程序開發(fā)

充分了解各種變頻器現(xiàn)有運行方式，利用增加的本地控制器系統(tǒng)，組建出完善的控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)變頻器機組控制本地化，直接、即時、快速的進行機組各項保護，減少上層網(wǎng)絡計算量和監(jiān)控負擔；同時，改變原有控制網(wǎng)絡架構，破除總線形式通訊方式，分布式控制系統(tǒng)，無網(wǎng)絡干擾因素，將設備通訊故障影響率降為零。

以技術路線方針為指導，對三類變頻器進行專項研究，標準化本地控制形式，開發(fā)出兼容多類品牌設備，功能齊全、性能可靠的本地控制系統(tǒng)。

新控制系統(tǒng)技術路線如下：

（1）與各知名品牌控制器進行技術溝通與研究，了解各控制器能夠?qū)崿F(xiàn)控制方式；

（2）選用一種功能較為全面、通訊擴展較好的經(jīng)濟行控制器為本地控制器[3]；

（3）選用一種技術成熟、功能全面的冗余控制系統(tǒng)作為主控制器[4]；

（4）使用本地控制器實現(xiàn)變頻機組控制網(wǎng)絡分布式監(jiān)控；

（5）使用主控制器完成與本地控制器之間的分布式網(wǎng)絡架構；

（6）通過分布式數(shù)字化網(wǎng)絡，實現(xiàn)所有變頻分站的終端可靠保護。

對地面設備控制系統(tǒng)進行分布式控制模式研發(fā)，針對當前的主要設備類型，進行如下專項研究開發(fā)：

（1）第Ⅰ類變頻器分布式控制模式開發(fā)，以西門子變頻器為代表，原有控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)標準MODBUS RTU通訊，其核心控制單元為CU320，整改方案為選用帶有Profibus-DP主站功能的控制器替換，增加以太網(wǎng)方式的上層通訊功能，也可采用另一種方案，替換掉原有的AOP30，本地增加控制器進行USS通訊控制變頻器，再通過以太網(wǎng)與上層網(wǎng)絡通訊。

（2）第Ⅱ類變頻器分布式控制模式開發(fā)，以施耐德變頻器為代表，原有變頻柜帶有核心控制器，但需要特殊編程進行本地控制，需要專業(yè)軟件實現(xiàn)，開發(fā)應用標準控制形式替換整改，以常用本地控制器+人機進行邏輯替換，實現(xiàn)相應工藝功能。

（3）第Ⅲ類變頻器分布式控制模式開發(fā)，是ABB品牌、國產(chǎn)化設備和第三方設備統(tǒng)稱，變頻模塊具備標準MODBUS RTU通訊，以常用本地控制器+人機進行邏輯替換，實現(xiàn)相應工藝功能，各類型變頻器之間的差異，在本地控制器處分布式處理，“同量化”所有通訊內(nèi)容后，與上層控制網(wǎng)絡標準化通訊。

2.4 統(tǒng)一通訊接口

標準化本地控制形式和控制程序，其與上層控制網(wǎng)絡之間的通訊內(nèi)容“同量化”；上層控制網(wǎng)絡控制程序內(nèi)容統(tǒng)一，其與第三方（如中控、EMS等）通訊接口也實現(xiàn)了統(tǒng)一。

整個地面設備控制系統(tǒng)統(tǒng)一的通訊接口包含：

（1）統(tǒng)一各品牌變頻器控制方式；

（2）統(tǒng)一本地控制器內(nèi)部控制功能塊；

（3）統(tǒng)一觸摸屏人機界面畫面，實現(xiàn)分布監(jiān)控統(tǒng)一化；

（4）統(tǒng)一上層網(wǎng)絡監(jiān)控內(nèi)容，實現(xiàn)多種品牌無差別；

（5）統(tǒng)一上層網(wǎng)絡控制器和上位機系統(tǒng)，集中監(jiān)控規(guī)范化。

3 項目效益

分布式控制系統(tǒng)研究，對于老舊平臺來說，是迫切解決現(xiàn)場問題的需要，對于新項目來說也是必然要改變的。

變頻控制系統(tǒng)設備老舊，頻繁發(fā)生網(wǎng)絡通訊故障，現(xiàn)行總線形式網(wǎng)絡架構存工藝應用弊端，急需進行分布式控制改造；控制系統(tǒng)地面設備核心產(chǎn)品為變頻器，實現(xiàn)分布式控制模式，降低機組非正常停機操作，減少平臺產(chǎn)量損失；對于頻繁增加調(diào)整井、更換井下機組的平臺，分布式控制網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的優(yōu)勢明顯優(yōu)于原有上層集中監(jiān)控結(jié)構，大大降低網(wǎng)絡因素造成的故障停井幾率；分布式標準控制程序的開發(fā)，可使后期服務人員維護及分站擴展十分便捷，節(jié)省了近三分之一的人員成本和施工難度。

偏小結(jié)構平臺或者不具備中央控制柜上層監(jiān)控系統(tǒng)，分布式控制結(jié)構正好可以彌補原有控制內(nèi)容的缺失，提高機組控制的專業(yè)性和可靠性，減少人工勞動簡化操作流程，方便管理和實時監(jiān)控。

帶有分布式控制結(jié)構的中央控制柜上層網(wǎng)絡中，具備及其便捷和通用的通訊擴展功能，能夠進行數(shù)據(jù)遠傳和遠程監(jiān)控管理，為日后采油平臺實現(xiàn)智能化、無人化提供可靠的數(shù)字化基礎。