电潜泵地面设备分布式智能控制系统＊

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 史轩玮 周建新

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MODBUS TCP/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MODBUS TCP/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。

表1 地面设备控制系统工艺功能Tab.1 Process functions of ground equipment control system

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MODBUS RTU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MODBUS RTU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。