谈电潜泵地面设备分布式智能控制系统

2022-09-21 16:46:18 来源:写作指导

海上平台地面设备控制网络频发故障,结合各家品牌各类型变频器的多样性,研制出对地面控制系统分布式系统,更改原有控制网络架构,减少上层网络的计算量和多重监控,建立不同类型变频器标准控制程序开发,统一多种设备的标准接口,建立机组运行大数据,为设备生命管理周期和故障追溯性提供可靠性。现海上潜油电泵控制系统大多采用“一对一”的变频地面设备和一套中央控制柜集中监控系统,即一台变频柜拖带一台井下机组,所有变频柜通过通讯方式连在一起,将所有机组数据汇总至中央控制柜内,由中央控制柜上的上位机进行集中监控。整个控制网络中,采用的是西门子的Profibus-DP网络形式:上层网络核心以西门子S7-300/400控制器为主,下层分站使用S7-200系列EM277通讯模块或者含有DP通讯功能的卡件,通过一根DP双绞线首尾相连,实现现场总线控制模式,并通过调整终端电阻,增加通讯网络的可靠性和稳定性[1]。随着各家品牌变频器进入海油市场,各自控制方式和控制参数的不同,上层控制器内控制应用不同,需要根据各种品牌分门别类采用不同控制内容,造成了现阶段地面设备控制系统极其混乱;最重要的是潜油电泵控制系统在使用过程中,经常根据工艺需求增减调整井,进而需要在原有系统上增加或者减少控制分站,需要对当前控制系统频繁进行调整,附加人员技术水平不足,网络终端制作工艺不良,以及通讯介质生锈、老化等其他客观因素,致使整个网络通讯状态和通讯质量很不稳定。Profibus-DP网络中所有设备均在同一个线路上,整个网络通过一根双绞线首尾相连,如果分站2和分站3中间发生断路或者短路,未处于本地操作模式的变频器3和变频器4,都有可能发生关停事故,影响机组正常运行。在一次针对老旧平台的故障统计中,通讯故障占到所有故障类型的46%,有近一半的机组故障停机因素为通讯故障导致,对地面设备的稳定性、采油平台的整体产量,都造成了一定的影响。

1研究目标方向

鉴于海上潜油电泵机组不允许轻易关停,而总线式的DP通讯网络又存在着这样的工艺弊端,通过调整控制形式,由原来上层网络核心控制器“统一控制”,更改为变频器本地“分布式控制”,减少上层网络的计算量,将各项保护功能分散到单井本地任务,由各变频器本地进行操控逻辑的计算,实现本地即时保护功能;并且,在实现各机组分布式控制的同时,统一各种品牌变频器的本地控制内容,建立标准的分布式控制程序,实现上层控制系统与分布式之间的规范化和标准化。

1.1主要目标

开发地面控制系统分布式控制模式,改变原有机组保护方式,实现机组运行状态本地自行监控,减少上层网络复杂计算和多重保护等,提高变频设备运行的可靠性和安全性。开发统一的标准分布式控制程序,实现所有机组变频器控制方式一致,实现中央控制柜上层网络与每台变频器分站通讯内容“同量化”,完成一种兼容大部分类型变频器的控制程序,预留统一的通讯接口,改善上层网络的控制方式和控制内容。

1.2主要方向

研究的主要方向如下:(1)当前已经应用变频器的分布式控制开发,老旧系统升级改造;(2)变频器标准控制程序的开发,统一通讯接口,推广实际项目。

2研究内容

2.1研究要点

分布式控制系统的研究,最需要的就是新型的控制网络,彻底解决设备之间网络因素的影响,达到一台分站网络故障,其他设备完全不受影响,有没有上层控制网络,设备均能稳定运行,保质保量保生产。同时,标准分布式控制程序的研究,必须对所有类型变频器的控制方式进行归纳和统一,在通讯变量和地址上,各型号变频器同样参数的通讯地址各不相同,写入形式也不尽一样,更存在部分参数并不是所有变频器全部具备,需要在编写本地控制程序和人机操作画面过程中,存在偏差,需要针对不同类型变频器编制不同版本控制程序。分布式控制网络的研究,还需要关注变频器上层网络控制模式的通讯接口和整个ESP控制系统通讯结构的架构。(1)通讯接口:现行电潜泵变频器,大多以变频模块+对应本地控制器组合为主,原有本地控制器扩展DP通讯模块实现DP通讯;分布式控制方式,采用功能齐全、性价比高的统一专业控制器,扩展出带有星形通讯网络的模块实现数据传输,并加载标准的分布式控制程序,彻底实现机组分站通讯中断不停机功能。(2)通讯架构:基于星形以太网结构的通讯,各主要控制器厂家都具有自身的独特性和市场需求的通用性。在通讯性上,各厂家都采用国际通用的MODBUS通讯协议,基本涵盖了市面上所有仪器、仪表通讯需求。此次网络优化,整体结构即采用MODBUSTCP/IP形式和协议,中央控制柜内控制器和变频器本地控制器均实现MODBUSTCP/IP主从通讯即可[2]。

2.2整合当前控制内容

进行老旧系统改造,前提是不能更改原有系统的工艺功能和通讯内容。通过多年现场服务和故障维修经验,整合当前地面设备控制系统所需工艺功能如表1所示。

2.3新控制程序开发

充分了解各种变频器现有运行方式,利用增加的本地控制器系统,组建出完善的控制网络,实现变频器机组控制本地化,直接、即时、快速的进行机组各项保护,减少上层网络计算量和监控负担;同时,改变原有控制网络架构,破除总线形式通讯方式,分布式控制系统,无网络干扰因素,将设备通讯故障影响率降为零。以技术路线方针为指导,对三类变频器进行专项研究,标准化本地控制形式,开发出兼容多类品牌设备,功能齐全、性能可靠的本地控制系统。新控制系统技术路线如下:(1)与各知名品牌控制器进行技术沟通与研究,了解各控制器能够实现控制方式;(2)选用一种功能较为全面、通讯扩展较好的经济行控制器为本地控制器[3];(3)选用一种技术成熟、功能全面的冗余控制系统作为主控制器[4];(4)使用本地控制器实现变频机组控制网络分布式监控;(5)使用主控制器完成与本地控制器之间的分布式网络架构;(6)通过分布式数字化网络,实现所有变频分站的终端可靠保护。对地面设备控制系统进行分布式控制模式研发,针对当前的主要设备类型,进行如下专项研究开发:(1)第Ⅰ类变频器分布式控制模式开发,以西门子变频器为代表,原有控制系统不能实现标准MODBUSRTU通讯,其核心控制单元为CU320,整改方案为选用带有Profibus-DP主站功能的控制器替换,增加以太网方式的上层通讯功能,也可采用另一种方案,替换掉原有的AOP30,本地增加控制器进行USS通讯控制变频器,再通过以太网与上层网络通讯。(2)第Ⅱ类变频器分布式控制模式开发,以施耐德变频器为代表,原有变频柜带有核心控制器,但需要特殊编程进行本地控制,需要专业软件实现,开发应用标准控制形式替换整改,以常用本地控制器+人机进行逻辑替换,实现相应工艺功能。(3)第Ⅲ类变频器分布式控制模式开发,是ABB品牌、国产化设备和第三方设备统称,变频模块具备标准MODBUSRTU通讯,以常用本地控制器+人机进行逻辑替换,实现相应工艺功能,各类型变频器之间的差异,在本地控制器处分布式处理,“同量化”所有通讯内容后,与上层控制网络标准化通讯。

2.4统一通讯接口

标准化本地控制形式和控制程序,其与上层控制网络之间的通讯内容“同量化”;上层控制网络控制程序内容统一,其与第三方(如中控、EMS等)通讯接口也实现了统一。整个地面设备控制系统统一的通讯接口包含:(1)统一各品牌变频器控制方式;(2)统一本地控制器内部控制功能块;(3)统一触摸屏人机界面画面,实现分布监控统一化;(4)统一上层网络监控内容,实现多种品牌无差别;(5)统一上层网络控制器和上位机系统,集中监控规范化。

3项目效益

分布式控制系统研究,对于老旧平台来说,是迫切解决现场问题的需要,对于新项目来说也是必然要改变的。变频控制系统设备老旧,频繁发生网络通讯故障,现行总线形式网络架构存工艺应用弊端,急需进行分布式控制改造;控制系统地面设备核心产品为变频器,实现分布式控制模式,降低机组非正常停机操作,减少平台产量损失;对于频繁增加调整井、更换井下机组的平台,分布式控制网络拓扑结构的优势明显优于原有上层集中监控结构,大大降低网络因素造成的故障停井几率;分布式标准控制程序的开发,可使后期服务人员维护及分站扩展十分便捷,节省了近三分之一的人员成本和施工难度。偏小结构平台或者不具备中央控制柜上层监控系统,分布式控制结构正好可以弥补原有控制内容的缺失,提高机组控制的专业性和可靠性,减少人工劳动简化操作流程,方便管理和实时监控。带有分布式控制结构的中央控制柜上层网络中,具备及其便捷和通用的通讯扩展功能,能够进行数据远传和远程监控管理,为日后采油平台实现智能化、无人化提供可靠的数字化基础。

引用

[1]刘锴,周海.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[2]杨更更.Modbus软件开发实战指南[M].北京:清华大学出版社,2021:147-164.

[3]西门子中国.S7-200SMART系统手册V2.2[Z].2016(11):492-516.

[4]施耐德电气.ModiconM580热备常用架构系统规划指南[Z].2017(09):37-72.

作者:史轩玮 周建新 单位:中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司