孫夢，楊明越，季興龍，李洋

（山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 266590）

0 引言

近年來現(xiàn)代化信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，使得可編程自動(dòng)化控制系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用越來越廣泛。期間，2000年投產(chǎn)的我國第一套灘海油田自動(dòng)化測控系統(tǒng)經(jīng)過近10年的擴(kuò)充、完善、維修、維護(hù)，一直保持了良好的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)測控功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為海上油田生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。但是隨著淺海固定平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展的日新月異，這就要求對(duì)自動(dòng)化測控系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改造，采用高穩(wěn)定性、高性能的PLC系統(tǒng)[1]。

1 整體結(jié)構(gòu)

埕北油田采油平臺(tái)自控系統(tǒng)在中心平臺(tái)調(diào)度控制室的統(tǒng)一調(diào)度下協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，自控系統(tǒng)從平臺(tái)的布局、功能、生產(chǎn)管理方式等實(shí)際出發(fā)，設(shè)為三級(jí)管理模式。分為陸地監(jiān)控中心，中心平臺(tái)調(diào)度控制室和衛(wèi)星平臺(tái)站。

1.1 中心平臺(tái)調(diào)度控制室

每個(gè)中心平臺(tái)監(jiān)控中心設(shè)置兩臺(tái)冗余服務(wù)器、報(bào)警打印機(jī)。冗余服務(wù)器不僅是整個(gè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是中心平臺(tái)操作站，安裝有PKS服務(wù)器軟件，服務(wù)器冗余軟件、MMI組態(tài)軟件、MMI用戶應(yīng)用軟件、RSlinx硬件驅(qū)動(dòng)軟件、Excel報(bào)表軟件等。完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、控制、歷史歸檔、打印、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，響應(yīng)操作站計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)請求提供數(shù)據(jù)服務(wù)和控制操作；對(duì)下可通過RS232、ControlNET網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星平臺(tái)RTU連接，對(duì)上通過以太網(wǎng)陸地監(jiān)控中心、生產(chǎn)管理區(qū)和遠(yuǎn)程終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 陸地監(jiān)控中心

1.2.1 廠部

陸地監(jiān)控中心配置兩臺(tái)遠(yuǎn)程操作員站，分別監(jiān)控CP1、CP2的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程操作員站安裝有PKS客戶端軟件、MMI用戶應(yīng)用軟件、Excel報(bào)表軟件等。

1.2.2 生產(chǎn)管理區(qū)

CP1、CP2生產(chǎn)管理區(qū)各配置1臺(tái)遠(yuǎn)程操作員站，其硬軟件配置及完成的功能，與陸地中心配置的遠(yuǎn)程操作員站相同。

1.2.3 無人值守采油平臺(tái)

無人值守采油平臺(tái)自控系統(tǒng)有過程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）兩套控制系統(tǒng)組成，兩者有機(jī)結(jié)合互相診斷，通過通訊模板完成于中心平臺(tái)的通訊。PCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程模板經(jīng)DH+網(wǎng)絡(luò)相連，構(gòu)成，構(gòu)成統(tǒng)一的RTU系統(tǒng)。兩者信息共享，一旦PCS系統(tǒng)發(fā)生故障，中心平臺(tái)能夠通過SIS系統(tǒng)確保平臺(tái)有效的轉(zhuǎn)換至安全狀態(tài)[3]。

圖1 埕北32采修一體化平臺(tái)模板配置圖Fig.1 Cheng north 32 mining integration platform template confi guration diagram

圖2 模擬量信號(hào)處理過程Fig.2 Analog signal processing

圖3 開關(guān)量信號(hào)處理過程Fig.3 Analog signal processing

2 CB32平臺(tái)系統(tǒng)簡介及結(jié)構(gòu)說明

2.1 平臺(tái)PLC自控系統(tǒng)

平臺(tái)自控系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS系統(tǒng)）和安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）兩套控制系統(tǒng)組成。過程控制系統(tǒng)PCS系統(tǒng)完成采油平臺(tái)的生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控，安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）由緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）和火氣系統(tǒng)（FGS系統(tǒng)）構(gòu)成，安全儀表SIS系統(tǒng)完成對(duì)生產(chǎn)的安全控制，兩者有機(jī)結(jié)合互相診斷，通過通訊模板完成中心平臺(tái)的通訊。PCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程模板相連，兩者信息共享，保障無人值守采油平臺(tái)安全運(yùn)行[4]。

2.2 平臺(tái)PLC自控系統(tǒng)硬件

PLC系統(tǒng)有微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、電源、背板機(jī)架、輸入輸出模板等組件組成。其中背板機(jī)架為模板之間提供高速的信息傳遞通道。在背板上，控制器模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、I/O模板可插在任意槽內(nèi)，十分方便。微處理器是PLC的核心部分，它包括控制器和運(yùn)算器，其控制功能是通過將各輸入端狀態(tài)信息讀入并按照用戶程序進(jìn)行處理，然后控制輸出端實(shí)現(xiàn)的。PLC中配有系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器主要用來存放系統(tǒng)的管理和監(jiān)控程序、編譯處理用戶的程序及各種系統(tǒng)參數(shù)等。輸入組件主要包括耦合器、隔離輸入接口和輸入狀態(tài)寄存器。該組件通過輸入端子接收和采集各類輸入信號(hào)，再經(jīng)光電耦合器輸入到輸入映像寄存器中。輸出組件由輸出映像寄存器、輸出鎖存器、光電耦合器、功率放大器等組成。

在埕北32平臺(tái)，采用6個(gè)機(jī)架來搭建平臺(tái)的PLC自控系統(tǒng)，各個(gè)機(jī)架通過C網(wǎng)模塊進(jìn)行連接。其中兩個(gè)機(jī)架做PLC核心部分CPU的冗余。冗余系統(tǒng)的主從控制器實(shí)時(shí)同步控制狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在主控制器意外故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換，熱備冗余系統(tǒng)平穩(wěn)的無擾動(dòng)切換，對(duì)整個(gè)工程的監(jiān)控不會(huì)中斷。并且需根據(jù)現(xiàn)場工藝流程的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求、控制任務(wù)和輸入輸出的點(diǎn)數(shù)，設(shè)備的特性來選擇數(shù)字量和模擬量輸入的模塊，以達(dá)到系統(tǒng)的要求。

SIS系統(tǒng)共由4個(gè)機(jī)架組成。其中RACK1和RACK2組成系統(tǒng)的冗余功能，由CPU模塊1756-L61、以太網(wǎng)模塊1756-ENBT、C網(wǎng)模塊1756-CNB、冗余模塊1756-SRM組成。其中CPU模塊完成運(yùn)算順控程序，進(jìn)行信號(hào)的輸入輸出處理；以太網(wǎng)模塊完成與上位機(jī)與PC機(jī)的通訊任務(wù)；C網(wǎng)模塊起到組建控制網(wǎng)功能；冗余模塊組建PLC的冗余系統(tǒng)，將主從控制器的控制狀態(tài)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步起來，在主控制器意外故障時(shí)自動(dòng)切換。RACK3和RACK4由C網(wǎng)模塊1756-CNB、模擬量輸入模塊1756-IF16、數(shù)字量輸出模塊OB16D和數(shù)字量輸入模塊IB16組成，完成對(duì)ESD信號(hào)的處理。

PCS系統(tǒng)共有兩個(gè)機(jī)架（RACK5和RACK6），由開關(guān)量輸入模塊1756-IA16、開關(guān)量輸入模塊1756-IB16和模擬量輸入模塊1756-IF16組成，模擬量模塊完成對(duì)溫度、壓力、液位、流量等信號(hào)的采集和處理，開關(guān)量模塊完成對(duì)電潛泵的缺相狀態(tài)、短路狀態(tài)，井上井下安全閥狀態(tài)、泵的運(yùn)行和故障狀態(tài)等的功能。

2.3 I/O接口地址分配

首先要對(duì)現(xiàn)場所有的信號(hào)進(jìn)行分類匯總，現(xiàn)場的信號(hào)包括數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)以及第三方通信的信號(hào)。如圖1所示。

首先對(duì)采油平臺(tái)的信號(hào)進(jìn)行分類匯總，根據(jù)這個(gè)表確定需要的通道數(shù)量及模板的類型和各自的數(shù)量。其中數(shù)字量點(diǎn)261個(gè)，模擬量點(diǎn)192個(gè)。然后按照一定的規(guī)則將所有的信號(hào)分配到相應(yīng)的模板通道中，并給各個(gè)信號(hào)量分配地址以便在上位機(jī)和下位機(jī)中使用。

2.4 點(diǎn)的監(jiān)測過程

對(duì)于模擬量信號(hào)（溫度、壓力、液位、流量等），首先需要在RSLogix5000中對(duì)相應(yīng)的模擬量模塊進(jìn)行正確的配置和組態(tài)，然后就需要對(duì)照相應(yīng)的地址分配表，在模板的各個(gè)通道中對(duì)各個(gè)模擬量信號(hào)的類型進(jìn)行設(shè)置并對(duì)模擬量的量綱進(jìn)行設(shè)置，在這里我們都設(shè)置3277~16384分別對(duì)應(yīng)4~20MA的電流信號(hào)。這樣就減少了程序員在現(xiàn)場出現(xiàn)變動(dòng)的時(shí)候?qū)Τ绦虻念l繁操作，只需要在上位機(jī)軟件中進(jìn)行比例量和偏移量的設(shè)置即可達(dá)到對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測。然后用COP指令將各個(gè)模塊相應(yīng)通道中的數(shù)據(jù)傳到中間數(shù)組中，進(jìn)而使用RTN指令將中間數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行取整處理，就可以將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)軟件中。在上位機(jī)軟件中設(shè)置好通訊方式和地址后就可以將中間數(shù)組的數(shù)據(jù)讀取上來，在進(jìn)行比例量和偏移量的計(jì)算之后，就可以在上位機(jī)中將現(xiàn)場的實(shí)際數(shù)據(jù)顯示到畫面中。如圖2所示。

對(duì)于開關(guān)量信號(hào)（泵的啟停，閥的開關(guān)等），RSVIEW32根據(jù)操作員發(fā)出的控制命令，進(jìn)行點(diǎn)的控制處理，并通過改變目標(biāo)地址數(shù)據(jù)將命令發(fā)送到控制器，控制器接到命令后，通過繼電器對(duì)泵或閥門進(jìn)行控制，然后將信號(hào)反饋到RSVIEW32服務(wù)器。如圖3所示。

3 結(jié)論

以上針對(duì)埕北油田實(shí)際生活生產(chǎn)中的應(yīng)用，介紹了整個(gè)系統(tǒng)的組成，控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。通過選擇高性能，高穩(wěn)定性的ABPLC，并選擇增加冗余系統(tǒng)來增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]莊文浩.PLC在油田控制系統(tǒng)中的選型與應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2013.20(2):54-56.

[2]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]鄢召民.墾東陸采平臺(tái)自動(dòng)化測控系統(tǒng)[J].油氣田地面工程,2009,28(3):50-51.

[4]于殿強(qiáng),田京山,黃少偉,等.埕島油田中心一號(hào)平臺(tái)測控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2005,24(1):39-40.

[5]趙榮,張偉強(qiáng).PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用[J].科技信息:科學(xué)教研,2007(19):310.

[6]唐維,曲立民,蓋樹光.套子灣污水廠自控系統(tǒng)升級(jí)改造研究[J].現(xiàn)代商貿(mào),2010(11):363-364.

[7]曹凌,吳曉君,杜學(xué)普.基于S7-300PLC的油田監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子,2008(2):79-80.