潜油电泵控制系统新型上位机可应用性探究

史轩玮 周建新 陈柯臣 刘攀

摘要：介绍了潜油电泵控制系统常规上位机的结构功能和新型上位机特征属性，并通过实际应用情况验证了新型上位机的实际可应用性，可以为地面设备控制系统降本增效提供一定的参考。

关键词：潜油电泵控制系统;上位机;一体机;分体式;HMI

中图分类号：TE933;TP273  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）01-0033-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.009

0    引言

现阶段，国内潜油平台潜油电泵控制系统（ESP）大多以一台变频器拖带一台井下机组的方式为主，所有变频器安装在同一个潜油电泵控制间，由一台中央控制柜集中监控，而中央控制柜内的上位机就成为整个系统集中、统一的人机操控界面。

潜油平台上位机从使用至今，鉴于海上潮湿、盐雾的工业环境，一般均采用工业级的计算机，可以是主机和显示器的组合，也可以是主机、显示器集成的一体机。为了便于安装和维护，ESP系统一直采用一体机的形式，安装Windows操作系统和专业监控软件后，长期处于运行不停机的状态。

随着操作系统和监控软件版本的逐渐更新，潜油平台上位机经历了早期的Win2000系统的研华工控机、Win7系统的西门子IPC677B和IPC677C，以及现在普遍使用的Win10系统的IPC677D的迭代过程。为了与中央控制柜内ESP系统主控制器进行通信，监控软件也一直跟随系统版本在不断更新、变化，因主控制器采用的是西门子S7-300/400系列PLC，监控软件也从早期的WinCC V6.0升级到现在的WinCC V7.3[1]。

但WinCC软件在版本的兼容性、更新换代的频次、对操作系统的严格要求以及整个安装文件的超级大容量等方面都十分麻烦，不利于相同工程项目文件的挪用和移植，尤其是随着ESP系统分布式控制方式的实施，中央控制柜的负荷量逐渐减小，上位机所需要的功能逐渐简单、明了。考虑到产业降本增效的需求，随着各种新型工控产品逐渐发展成熟，原有价格昂贵的工业一体机将逐渐被取代。

1    上位机应用功能

上位机作为中央控制柜内核心器件，负责整个ESP系统所有潜油电泵井下机组的集中监控部分，具体应用功能如表1所示。

具体功能细节如下：

（1）功能1和功能2：上位机具备和主控制器通信功能，现有主控制器一般为西门子S7-300/400控制器，其与上位机通信方式可采用Profibus-DP或以太网协议，实际应用中采用的是DP通信方式。主控制器、上位机和所有变频器从站以及网络扩展通信模块，均通过西门子紫色DP通信电缆，采用总线方式首尾相连起来。DP从站将变频器当前运行数据通过通信传递至主控制器内，上位机读取主控制器数据进行显示;同时上位机画面操控主控制器内地址，通过主控制器内相关控制程序直接控制本地变频器运转，即实现远程操控机组功能。

（2）功能3、功能4、功能5：上位机监控系统需具备数据库功能，将采集上来的从站变频器数据进行存储记录，再通过监控软件本身特殊插件读取数据库进行曲线绘制，进而显示每台机组运行的历史记录;针对特殊要求变量，如故障报警实现触发记录功能，形成机组故障历史记录，同时保存为内部数据库数据进行长期保存;数据库内数据按照工艺需求一般保留一年，数据按照循环录入形式记录，并能够按照时间归档后导出，导出格式Excel或Text文档不限。

上位机除以上功能外，一般具备触屏操控模式，便于现场操作人员直接操作。

2    新型上位机

在具备上述上位机基本功能的前提下，为了追求低成本，可以考虑采用如下两种方式替换。

2.1    普通工控机

2.1.1    替换思路

采用主机箱和显示器分体结构模式替换一体机形式，如图2所示。

分体结构工控机，除在结构安装上和触屏操作方式不同外，其既具有基础功能，又不失性能。当然，两者具有一定的差异。

以戴尔OptiPlex 7060为例，其与西门子IPC677D的性能数据对比如表2所示。

分体式工控机不具备特殊工业通信卡件，需单独购买。不过随着控制方式的简易变更，上位机如果采用工业以太网方式和主控制器进行通信，普通工控机也可以直接实现。

然而，普通工控机的显示器为坐立式或壁挂式，无法进行面板式安装，不能按照常规方式安装在中央控制柜柜门上，且显示器为非触屏式，需配合键盘和鼠标进行操作，同时也需要外加透明面板（如亚克力面板）进行防水防尘保护。

2.1.2    项目应用

在秦皇岛某平台一键降频项目中，平台中控新增一键降频上位机基于原有上位机进行通信和程序升级，低成本、高效率地实现了中控远程一键降频、调频功能，可以在生产流程压力较大时，在短时间内对任意選定的多台变频器直接进行远程降频。

该项目要求在中控室增加一台上位机实现ESP系统远程操控，从控制原理和实现方式出发，又考虑到中控室应用环境，自行设计采用了分体结构的普通工控机实现功能，既满足了现场实际控制需求，又大大降低了产品成本，提升了项目利润。

2.2    大型触摸屏

2.2.1    替换思路

采用新型大尺寸触摸屏替换一体机，如图3所示。

随着工业迅速发展，触摸屏产品发生了很大变化，尺寸可以大至15寸，与普通工控机外观大小基本一样，可以实现262K真彩、1 920×1 080分辨率，与常规工控机不相上下。

以昆仑通态的TPC1571大型HMI为例，其与西门子IPC677D的性能数据对比如表3所示。

从核心数据看，TPC1571确实不如IPC677D，两者完全属于两类产品，存在着本质的区别，但从性价比综合考虑，在满足常规基础功能的前提下，一台IPC成本在2.5万元左右，而一台HMI成本还不到1万元，价格上完全优于IPC。而且出于整体项目考虑，大型HMI可以按照原有结构面板式安装到柜门上，无论是从新建平台项目还是老旧改造项目考虑，均具备一定的可替换性。

2.2.2    项目应用

在秦皇岛某平台扩建项目中，平台新增一个潜油电泵控制间，设备数量较少，不参与原有潜油电泵控制系统，新增中央控制柜功能需求不多，操作频次不高;在不改变主控制器的前提下，自行设计采用大型HMI触摸屏替代原有工控机，重新开发了上位监控系统，满足原有上位机所有常规功能需求，已经持续稳定运行近一年。

3    总结与展望

以上两种新型上位机替换项目应用，从满足基本功能需求出发，考虑实际经济效益情况，相关信息如表4所示。

随着潜油电泵控制系统逐渐标准化和智能化，中央控制柜的功能也正趋近于整个系统数据的传输和存储。为了便于操作人员的日常操作和整个系统的优化，人机界面功能逐渐简单和清晰，其结构性能也就没必要完全覆盖所有工控需求，上位机也可以简单化实现。而且当前科技产品逐渐发展成熟，各类跨界产品界线逐渐模糊，在追求高性能、低成本的信息时代，原有上位机一成不变的现状将被改变。

[参考文献]

[1] 朱建军.监控组态软件WinCC应用教程[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2] 朱益江.MCGS工控组态技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2017.

收稿日期：2021-10-08

作者简介：史轩玮（1981—），男，天津人，工程师，从事潜油平台地面设备调试、故障处理及升级改造技术支持工作。