劉 璋

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計研發(fā)中心，天津 300452）

1 現(xiàn)場設(shè)備控制盤并網(wǎng)中控PLC

以海洋平臺模塊鉆機中柴油罐現(xiàn)場控制盤并網(wǎng)入中控PLC控制盤為例，柴油罐主要工藝參數(shù)為溫度信號、液位信號，及溫控加熱器啟停信號，以上信號均通過現(xiàn)場分布的各類參數(shù)傳感器通過電纜傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制盤處理后進行監(jiān)控。

并網(wǎng)中控PLC方案擬將原柴油罐現(xiàn)場控制盤取消，原柴油罐工藝參數(shù)信號及加熱器啟?？刂菩盘柌捎糜簿€電纜信號直接遠傳接入主配電間內(nèi)的中控PLC主站，通過PLC主站與位于司鉆房的PLC從站同步監(jiān)控，以實現(xiàn)柴油罐液位、溫度，以及加熱器的現(xiàn)場顯示和遠程監(jiān)控的目的。

1.1 系統(tǒng)處理能力

1.1.1 現(xiàn)場控制盤

采用模塊化集成式小型PLC，系統(tǒng)負載能力低，信號處理速度慢，硬件、IO點數(shù)不可擴展。

1.1.2 電控PLC控制柜

中控級模塊式大型PLC，系統(tǒng)負載能力大，ms級信號處理速度，可擴展空間充足。

1.2 集中監(jiān)控能力

1.2.1 現(xiàn)場控制盤

現(xiàn)場參數(shù)指示和加熱器啟?？刂疲枧渲醚矙z操作人員進行設(shè)備專人?？?。在作業(yè)工況下，不利于司鉆及中控人員對該單元設(shè)備（柴油罐）進行及時監(jiān)控。

1.2.2 電控PLC系統(tǒng)

現(xiàn)場及遠程（司鉆房、中控兩地同步）監(jiān)控柴油罐工藝參數(shù)及加熱器啟停，設(shè)備集中化控制管理。

1.3 后期維護

1.3.1 現(xiàn)場控制盤

需操作人員巡檢后進行故障檢測，需離線調(diào)試、停產(chǎn)維修，后期維保難度大。

1.3.2 電控PLC系統(tǒng)

具有主機CPU及編程CPU，可進行系統(tǒng)離線編程調(diào)試及現(xiàn)場操作。系統(tǒng)具有自檢及故障報警功能，可在線進行維修改造，后期維保便捷。

1.4 經(jīng)濟投入

1.4.1 現(xiàn)場控制盤

現(xiàn)場控制盤監(jiān)控信號數(shù)量少，但需單獨配置CPU、固定IO、電源、柜體等，經(jīng)濟耗費巨大。

1.4.2 電控PLC系統(tǒng)

電控系統(tǒng)共享CPU模塊、電源模塊、通訊模塊等，只需增加IO卡件即可，組態(tài)費用低。

1.5 系統(tǒng)對比

通過以上并網(wǎng)方案對比（見表1）得出結(jié)論：現(xiàn)場可控制盤完全具備并入電控PLC系統(tǒng)的條件，且節(jié)省大量不必要的硬件設(shè)備，在并網(wǎng)后整體監(jiān)控能效提升。

表1 現(xiàn)場控制與電控對比控制方式

2 模塊化控制盤并入中控PLC

2.1 模塊鉆機鉆井儀表系統(tǒng)DAQ（鉆井儀表數(shù)據(jù)采集器）

該系統(tǒng)為中小型模塊PLC控制系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測鉆修井設(shè)備的重要參數(shù)，如大鉗扭矩、大鉤載荷、立管壓力、泥漿泵泵沖、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速扭矩、絞車轉(zhuǎn)速、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速扭矩、泥漿池液位等。盤柜布置在DES配電間或司鉆房內(nèi)，采集現(xiàn)場鉆井設(shè)備上傳感器的信號，傳輸標準4～20mA電流信號進入DAQ內(nèi)部進行數(shù)據(jù)計算處理，將鉆井儀表參數(shù)在司鉆臺鉆井儀表顯示屏（DRILL WATCH）上顯示。該DAQ系統(tǒng)主要采集模塊鉆機現(xiàn)場鉆井儀表參數(shù)，具有簡單的數(shù)據(jù)計算處理功能，IO點數(shù)為30個左右（見表2）。

表2 小型PLC與電控對比

2.2 電控PLC系統(tǒng)

該系統(tǒng)為工業(yè)大型PLC控制系統(tǒng)，存儲器容量大，主要用于鉆井設(shè)備電力供應(yīng)，交流變頻系統(tǒng)（泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤）控制，電能質(zhì)量系統(tǒng)監(jiān)控等電氣設(shè)備中控，同時監(jiān)控鉆修井設(shè)備的各項工作參數(shù)，系統(tǒng)主PLC布置于主配電間內(nèi)，PLC遠程IO模塊布置于司鉆房內(nèi)，監(jiān)控模塊鉆機主要鉆井設(shè)備，修井設(shè)備，如泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤、盤剎等，在主配電間、司鉆房有電控系統(tǒng)監(jiān)控觸摸屏幕。電控系統(tǒng)為大型PLC控制系統(tǒng)，可進行復(fù)雜的工業(yè)數(shù)據(jù)運算，邏輯連鎖等功能，IO點數(shù)上百個，且隨著系統(tǒng)功能擴展，IO點數(shù)不斷增加，為整個模塊鉆機設(shè)備控制中樞。

2.3 系統(tǒng)對比

目前這種雙系統(tǒng)獨立監(jiān)控方式在鉆井過程中控制分散，操作不便，對鉆井效率產(chǎn)生不良的影響。獨立鉆井儀表系統(tǒng)方案DAQ采集的信號是鉆井儀表系統(tǒng)的重要參數(shù)，信號級別高但數(shù)量不多，硬件設(shè)備、軟件邏輯組態(tài)、信號電纜敷設(shè)、電纜接線等都需要對其進行單獨設(shè)計和單獨采辦，給設(shè)計和采辦工作都帶來很大的工作量，極大地增加了鉆修機的經(jīng)濟費用投入。

此鉆井儀表與電控系統(tǒng)集成設(shè)計，保持原電控PLC系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)采集的傳感器信號類型和數(shù)量均不變，取消原DAQ（鉆井儀表數(shù)據(jù)采集器）。將鉆井儀表系統(tǒng)信號接入電控PLC中，其中 DSM主配電間中的一套主PLC和司鉆房內(nèi)一套PLC遠程IO模塊，采用就近原則，鉆井儀表信號采集點接入最近的IO模塊。一般情況下，DSM上的鉆井儀表傳感器信號接入DSM主配電間內(nèi)的主PLC，DES鉆臺面的傳感器信號接入司鉆房PLC遠程IO模塊。而通常所有信號都要鋪設(shè)電纜到一套DAQ系統(tǒng)中，節(jié)省了將近2 000各型號規(guī)格電纜，減少重復(fù)電纜敷設(shè)帶來的信號干擾，降低了信號電纜傳輸距離造成的信號不穩(wěn)定因素。

鉆井儀表系統(tǒng)并入電控PLC系統(tǒng)后，解決了多系統(tǒng)分散控制的種種缺陷，使各區(qū)域功能設(shè)備集中化監(jiān)控，更利于中控及司鉆人員操作，具有以下優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)擴展能力問題，信號傳輸干擾、兼容性接口問題。

（2）系統(tǒng)處理能力造成的時滯問題。

（3）多人機界面監(jiān)控效率問題。

（4）多系統(tǒng)設(shè)計造成的分系統(tǒng)采辦、多接口界面、重復(fù)人工時問題。

（5）多系統(tǒng)硬件帶來的高額設(shè)備采辦費用問題。

（6）不同系統(tǒng)信號電纜路徑、數(shù)量的重復(fù)敷設(shè)問題。

（7）弱電信號電纜干擾問題。

3 DCS控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)并網(wǎng)

DCS控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)，在整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成完全不同，DCS為集散式控制系統(tǒng)；終端現(xiàn)場設(shè)備即為多個子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，控制網(wǎng)分為多個層級，每個控制層分配不同的處理功能。與PLC的Controlnet系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同。

當前海洋石油原油處理平臺中控主要以DCS（分散式控制系統(tǒng)）架構(gòu)系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)將現(xiàn)場劃分為多個子網(wǎng)模塊，每個子網(wǎng)模塊均由現(xiàn)場總線控制，最后各個子網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一通過TCP/IP協(xié)議并入DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)模塊分散管理，上層HMI（人機接口）集中統(tǒng)一控制。具有控制功能分散，監(jiān)控集中、分模塊自控，綜合集控的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)為封閉式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即與不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議、接口形式、不同廠家產(chǎn)品之間的系統(tǒng)難以融合。致使工業(yè)控制系統(tǒng)升級、改造、擴容等難以實現(xiàn)，需要原系統(tǒng)廠家全面參與，軟件組態(tài)，硬件升級等。

海洋石油模塊鉆機電控系統(tǒng)主要采用PLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，以西門子公司PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為例，此種網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)（圖1），主要以PROFIBUS-DP主從站形式分布，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊，用于模塊鉆機中電力供應(yīng)設(shè)備、交流變頻設(shè)備，電能監(jiān)控等單元模塊化設(shè)備控制，以及PROFIBUS-PA（過程自動化）分布式I/O模塊，如現(xiàn)場變送器，執(zhí)行器等數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖1 PLC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

上述兩種DCS集散控制網(wǎng)絡(luò)與PLC controlnet控制網(wǎng)，概括如下：

（1）上層架構(gòu)均為控制層，即人機界面（HMI）和調(diào)試終端服務(wù)器。

（2）中層為控制網(wǎng)絡(luò)，即通訊媒介，工業(yè)以太網(wǎng)線或光纖。

（3）下層為單元模塊和現(xiàn)場傳感器，即現(xiàn)場設(shè)備與工業(yè)儀表。

由表3可知，兩系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)只在中層網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建結(jié)構(gòu)不同，整體控制網(wǎng)均為控制層、網(wǎng)路層、設(shè)備層，簡化網(wǎng)路層結(jié)構(gòu)后均可掛接到環(huán)形控制網(wǎng)路上，故存在集成并網(wǎng)的可行性，因此DCS控制網(wǎng)與PLC控制網(wǎng)具有并網(wǎng)的條件。

表3 DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)對比

多系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計，從根本上解決多系統(tǒng)并存帶來的鉆采時效問題，基于該項技術(shù)的理論方案基礎(chǔ)，當前以PLC為架構(gòu)的中控廠家，大部分具有集成上述系統(tǒng)的能力，其中四分之一廠家具有上述系統(tǒng)硬件裝配能力，且具有多年現(xiàn)場供應(yīng)業(yè)績，因此該并網(wǎng)方案具備投入實際現(xiàn)場應(yīng)用的條件，技術(shù)可行，風險可控。

隨著現(xiàn)代工業(yè)化控制系統(tǒng)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)以簡單高效，便于人機融合操作為基礎(chǔ)向同一方向發(fā)展，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)統(tǒng)一化，通訊協(xié)議標準逐步通用化，終端接口形式標準化，而工業(yè)以太網(wǎng)和光纖的遠距離大數(shù)據(jù)量傳輸特點也為系統(tǒng)融合搭設(shè)了橋梁，因而多系統(tǒng)并網(wǎng)是工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。

4 結(jié)論

多系統(tǒng)集成并網(wǎng)設(shè)計，為實現(xiàn)高度集成一體化工業(yè)流程監(jiān)控邁進很大一步，減少了傳統(tǒng)多系統(tǒng)界面帶來的操作風險，降低了系統(tǒng)監(jiān)控勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量固定設(shè)備和人力投入，優(yōu)化了設(shè)計采辦生產(chǎn)流程，達到節(jié)能減排的效果，在工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域起到引領(lǐng)和推動作用。