郝亞沖 程武山 張鵬舉 饒 斌

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 201900)

隨著海洋油氣田開(kāi)發(fā)不斷向深海推進(jìn)，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)也已發(fā)展成具有直接液壓、先導(dǎo)液壓、順序液壓、直接電液、復(fù)合電液及全電氣等多種控制模式，其中復(fù)合電液控制技術(shù)是現(xiàn)階段具有明顯優(yōu)勢(shì)并被廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)[1]。深海油氣田水下控制器是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心，但是目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)這方面的成熟產(chǎn)品。因此，深海油氣田水下控制器的國(guó)產(chǎn)化研制已經(jīng)成為我國(guó)發(fā)展水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)程中必須盡快解決的重要課題。

筆者設(shè)計(jì)了一種深海油氣田水下控制器，給出了深海油氣田水下控制器自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件流程以及基于電力載波的通信方案，并結(jié)合KingVIEW軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面。

1 深海油氣田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)①

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是深海油氣田采集油氣的必備裝置，主要由主控站(MCS)、供電單元、臍帶纜、水下臍帶纜終端單元、水下控制模塊(SCM)及采油樹(shù)等部分組成，如圖1所示。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)在整個(gè)深海油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要，整體架構(gòu)決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能[2]。水下控制系統(tǒng)包括水上部分和水下兩部分，水上平臺(tái)設(shè)置有主控制系統(tǒng)(MCS)監(jiān)控水下生產(chǎn)；水下井口設(shè)置有采油樹(shù)和水下控制模塊(SCM)，其中水下控制模塊控制采油樹(shù)執(zhí)行生產(chǎn)操作和安全關(guān)斷，并完成采油樹(shù)各回路的溫度、壓力及沙粒沖蝕等傳感信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)各回路生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)控，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)電力載波傳送到水上平臺(tái)的主控制系統(tǒng)[3]。采油樹(shù)儀器儀表的數(shù)據(jù)量較大，需要較高的帶寬和傳輸速度，而且要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)從水下到水上的傳輸，基于電力載波的通信方式即可滿(mǎn)足要求[4]。

圖1 深海油氣田采集水下生產(chǎn)系統(tǒng)的組成框圖

2 水下控制模塊

水下控制模塊是連接水面平臺(tái)與水下采油系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，按照預(yù)先設(shè)定的邏輯對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保油氣采集生產(chǎn)安全可控地進(jìn)行；同時(shí)，還擔(dān)負(fù)著水下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳遞與中轉(zhuǎn)任務(wù)。采油樹(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，通過(guò)控制采油樹(shù)管線上的閥門(mén)，來(lái)控制整個(gè)采油系統(tǒng)的流程，主要包括生產(chǎn)主回路、環(huán)空回路和藥劑注入回路三大部分。其主要功能是：接收SCM發(fā)出的信號(hào)，開(kāi)關(guān)閥門(mén)，通斷油路，檢測(cè)SCM按照主控站指令發(fā)出控制命令；向SCM提供溫度和壓力信號(hào)并記錄，檢測(cè)SCM對(duì)溫度和壓力信號(hào)的接收和傳輸能力。

2.1 整體架構(gòu)

水下控制模塊設(shè)計(jì)為模塊化，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)主控站MCS的命令進(jìn)行傳遞、解釋和執(zhí)行，對(duì)所采集的傳感器數(shù)據(jù)和各種反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，系統(tǒng)主要由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、電源管理系統(tǒng)、動(dòng)力線載波系統(tǒng)和主控系統(tǒng)組成。本項(xiàng)目對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行研究，確定水下控制器的控制模式，當(dāng)切換到本地控制模式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)本地手動(dòng)操作；當(dāng)切換到遠(yuǎn)程控制模式，即可進(jìn)行主控站的遠(yuǎn)程操作。針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水下控制模塊(SCM)，其中PLC作為控制核心，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、運(yùn)行監(jiān)視及故障報(bào)警等功能[5]。水下控制模塊SCM通過(guò)采集各類(lèi)傳感器信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。水下控制模塊SCM的硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 SCM硬件架構(gòu)示意圖

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

筆者設(shè)計(jì)的水下控制器利用程序?qū)崿F(xiàn)有效功能，模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況、實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)作狀態(tài)并及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況做出調(diào)整[6]，主要功能有：水下控制器以PLC作為控制核心，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、運(yùn)行監(jiān)視和故障報(bào)警；SCM通過(guò)采集各類(lèi)傳感器的信息來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)深海油氣田生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；控制水下采油樹(shù)和生產(chǎn)管匯上調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)管匯內(nèi)流量的控制；按照預(yù)先設(shè)定的自動(dòng)控制程序?qū)λ略O(shè)備進(jìn)行控制，在自動(dòng)控制模式，可以控制采油樹(shù)閥門(mén)按照逆料流流程啟動(dòng)，并進(jìn)行生產(chǎn)；監(jiān)測(cè)水下設(shè)備的工作狀態(tài)，并將相關(guān)信息傳送至水面控制室；在水下設(shè)備發(fā)生異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

電子處理部分是水下控制器的核心部分，可以對(duì)主控站的命令進(jìn)行傳輸、解釋和執(zhí)行，同時(shí)對(duì)所采集的傳感器數(shù)據(jù)和各種反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸；再由平臺(tái)分析處理實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷，使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完備的閉環(huán)系統(tǒng)[7，8]。SCM的功能框圖如圖3所示。

圖3 SCM的功能框圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

SCM能夠采集井下、生產(chǎn)通道和環(huán)空通道的溫度、壓力及流量等傳感器數(shù)據(jù)，傳感信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器和低通濾波器濾除高頻噪聲干擾，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，將其疊加在電力載波上，最終將數(shù)據(jù)傳送至主控站MCS，主控站MCS對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后即可獲得傳感器的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

由于該水下生產(chǎn)系統(tǒng)的模擬量輸入共有7路，其中壓力傳感器(PTT1主生產(chǎn)回路壓力、PT3環(huán)空回路壓力)和溫度傳感器(PTT1主生產(chǎn)回路溫度、PT3環(huán)空回路溫度)各兩個(gè)，流量計(jì)3個(gè)(WGFM生產(chǎn)回路產(chǎn)量、乙二醇注入量和阻垢劑注入量)。該水下控制器以數(shù)字量控制為主，并有大量模擬量采集信號(hào)，如溫度、壓力及流量等連續(xù)量的采集，故選用帶有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊。綜合生產(chǎn)工藝等要求，選擇模擬量輸入模塊EM231，4路12位模擬量輸入模塊，輸入電流0～20mA。

2.4 電動(dòng)閥的驅(qū)動(dòng)與控制

SCM對(duì)采油樹(shù)閥門(mén)采用一級(jí)控制，直接控制電動(dòng)閥通斷。當(dāng)SCM接收到平臺(tái)對(duì)采油樹(shù)閥門(mén)促發(fā)的控制信號(hào)，SCM迅速響應(yīng)，立即促發(fā)電動(dòng)閥得電，打開(kāi)閥門(mén)[9]。采油樹(shù)電動(dòng)閥的控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，可以分別進(jìn)行機(jī)旁手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程上位機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。當(dāng)切換開(kāi)關(guān)切換到手動(dòng)控制擋時(shí)，便可在機(jī)旁操作箱進(jìn)行手動(dòng)操作，按下啟動(dòng)按鈕后中間繼電器線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)閥得電打開(kāi)。當(dāng)切換到自動(dòng)控制模式時(shí)，在上位機(jī)界面進(jìn)行控制，SCM的數(shù)字量輸出點(diǎn)輸出，同樣中間繼電器線圈得電，電動(dòng)閥打開(kāi)。

圖5 電動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)電路

2.5 調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)與控制

為了實(shí)現(xiàn)SCM對(duì)采油樹(shù)的主回路調(diào)節(jié)閥、阻垢劑調(diào)節(jié)閥和乙二醇調(diào)節(jié)閥的控制，滿(mǎn)足模擬量輸出要求，選用EM232模塊，該模塊為兩路12位模擬量輸出模塊，其輸出電壓±10V，電壓分辨率12位，實(shí)現(xiàn)SCM對(duì)調(diào)節(jié)閥的有效控制，從而有效控制水下生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量。

SCM的CPU配合EM232模塊進(jìn)行模擬量的輸出工作，可分別在手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種模式下把輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換和隔離送到調(diào)節(jié)閥，最終達(dá)到控制流量的目的[10]。同時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，把調(diào)節(jié)閥的實(shí)際輸出值和所處的運(yùn)行狀態(tài)輸入上位機(jī)。上位機(jī)除了接收SCM的信號(hào)外，同時(shí)向SCM發(fā)出控制參數(shù)，如調(diào)節(jié)參數(shù)的修改及給定值的設(shè)定等。

2.6 外部通信與執(zhí)行

電力載波通信選用LXZB-T02/220/04型電力線載波機(jī)，該載波機(jī)獨(dú)有的糾錯(cuò)技術(shù)提高了通信的可靠性，RS232/485數(shù)據(jù)接口可實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。利用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，這些核心技術(shù)明顯地改善了接收能力，提高了通信的可靠性，能夠在有強(qiáng)噪聲干擾的低壓配電線上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，滿(mǎn)足低壓電力監(jiān)控設(shè)備通過(guò)電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需要[11]。水下控制器與數(shù)據(jù)控制中心電力載波的通信如圖6所示。

圖6 水下控制器與電力載波的通信

數(shù)據(jù)控制中心的上位機(jī)串口符合RS232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和主站的通信必須進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，利用PC/PPI電纜連接兩者。由于KingVIEW有豐富的底層驅(qū)動(dòng)，與主站PLC的通信方式采用PPI協(xié)議，并同時(shí)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的任務(wù)。S7-200PLC內(nèi)部集成的PPI接口的物理特性為RS485，可在多種模式下工作，其中自由口通信方式是S7-200 PLC的一個(gè)很有特色的功能，它可以與任何協(xié)議公開(kāi)地與其他設(shè)備及控制器等進(jìn)行通信。本項(xiàng)目中，主站PLC通過(guò)載波與SCM就采用自由口模式進(jìn)行通信，該電力載波是透明傳輸。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸[12]。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 監(jiān)控界面

通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求及其所要實(shí)現(xiàn)功能的分析，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用KingVIEW設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面，有利于試驗(yàn)者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。KingVIEW6.55提供了豐富且簡(jiǎn)捷易用的配置界面，還有大量的圖形元素和圖庫(kù)精靈，并以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地在上位機(jī)界面顯示各變量的變化，并附有調(diào)節(jié)界面和各參數(shù)的變化曲線。同時(shí)具有報(bào)警窗口及實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可方便地生成各種報(bào)表。筆者設(shè)計(jì)的水下生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的主界面如圖7所示。

圖7 水下生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主界面

水下控制器的自動(dòng)控制流程如圖8所示，將所有下游設(shè)備的反饋信息的組合邏輯作為啟動(dòng)條件，將所有上游設(shè)備的故障信息和運(yùn)行狀態(tài)的組合邏輯作為各閥門(mén)的停止條件。在自動(dòng)工作模式中，可以按不同工藝需要，分析動(dòng)作及其順序，按照設(shè)定的自動(dòng)控制流程逆料流自動(dòng)打開(kāi)各個(gè)閥門(mén)，設(shè)定各個(gè)回路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，系統(tǒng)進(jìn)入正常生產(chǎn)狀態(tài)，水下控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下設(shè)備的工作狀態(tài)，并在溫度及壓力等參數(shù)超限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

圖8 水下控制器的自動(dòng)控制流程

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)建立在監(jiān)控中心的軟硬件基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的性質(zhì)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在使用方式上的特點(diǎn)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和功能。利用KingVIEW及其二次開(kāi)發(fā)功能建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的生成、查詢(xún)、更新，以及其他任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)請(qǐng)求及報(bào)警響應(yīng)等操作。管理程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，如初始化模塊、對(duì)象查找模塊、內(nèi)容修改更新模塊、報(bào)警模塊及記錄模塊等。數(shù)據(jù)管理與通信如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)管理與通信框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

水下控制器是海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，作為水下生產(chǎn)設(shè)備的重要組成部分，它承擔(dān)著安全有效控制水下生產(chǎn)系統(tǒng)、保證水下油氣田安全運(yùn)行的重任。筆者通過(guò)分析當(dāng)前水下控制器的研究現(xiàn)狀，以S7-200 PLC為核心開(kāi)發(fā)了水下控制模塊，較好地完成了水下生產(chǎn)控制功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)深水鉆井裝備系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，推動(dòng)我國(guó)海洋油氣鉆采裝備進(jìn)入快速發(fā)展具有重要意義。該系統(tǒng)還采用了特殊的電力線載波技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的安全性，而且其通信設(shè)備的部署更加靈活。深海油氣田水下控制系統(tǒng)具有指向明確的市場(chǎng)用戶(hù)，應(yīng)用空間廣闊，開(kāi)發(fā)前景樂(lè)觀，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)收益比較明顯。

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