ESP地面控制系统的发展历程_栾德爵.pdf

ESP 地面控制系统的发展历程栾德爵，关旭东，张嵘，李志鹏，苗杰（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）摘要：中海油海上平台 ESP 地面控制系统先后经历了工频柜系统、一变多控系统、一对一变频控制系统的发展，实现了由单片机构成的 PCC 保护器控制技术到小型 PLC 控制技术，再到热冗余大型 PLC 高速、精准的控制技术发展；控制系统网络也由 Profibus网络到 Profibus+Modbus网络，再到 ModbusTCP/IP 以太网网络的发展，大大增强了网络的稳定性；后期变频柜将内置高速数据采集和数据分析控制器，可实现智能化控制功能，大大增强了控制系统的智能化，使现场管理更高效、更便捷。关键词：变频器Profibus智能化中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0020-02引言目前中海油大力推进增储上产“七年行动计划”，机采井广泛应用于新老海上平台，具备智能化功能的ESP 地面控制系统伴随着数字化的平台建设应用到了海上石油开采中。至今为止，ESP 地面控制系统经历了工频柜系统、一变多控系统、一对一变频控制系统三个阶段，一对一变频控制系统也经历了单 PLC、冷备 PLC、热冗余 PLC、国产化热冗余 PLC四个阶段，通讯网络经历了 Profibus1、Profibus+Modbus2、Mod-bus TCP/IP 三个阶段，越来越丰富的通讯接口和运算速度大大提升了系统的功能，为智能化控制奠定了硬件基础。1发展历程1.1单 PLC（Profibus 网络）工频柜系统、一变多控系统、早期的一对一变频控制系统均采用的是基于 Profibus 网络的单 PLC 控制系统，网络图如图 1 所示，主要用于设备运行数据采集、远程启停等操作，Profibus 网络结构简单，网络采用一进一出形式，如果一个网络节点出现问题，就会造成大面积的网络故障，甚至引起大范围停机事件，对现场生产及井下机组造成较大影响。1.2冷备 PLC（Profibus 网络）针对 PLC 出现故障导致控制系统失效的情况，现场配置了两台中央控制柜，两台 PLC 呈“一用一备”运行模式，网络图如图 2 所示，一台 PLC 故障后，手动切换到另外一台 PLC 继续工作，中间会导致系统的暂时失效，甚至出现变频器停机现象。1.3冷备 PLC（Profibus+Modbus 网络）PLC 通过 Profibus 网络直接与变频模块通讯，通过变频器内报文参数设置进行直接通讯，对通讯干扰和通讯故障容错能力较差，会导致设备的意外关停，通过在变频器内增置一台小型 PLC，用作对主 PLC通讯的缓存区，对启停、调频指令进行判断，判断是否为主 PLC 主动发送过来的指令，再通过 Modbus 通讯传递给变频器，使控制系统不再因通讯原因意外关停设备，大大提高了系统的问题定性（网络图如图 3 所示）。1.4热冗余 PLC（Profibus+Modbus 网络）热冗余2-3PLC 的使用解决了单台 PLC 故障后需要手动切换 PLC 的麻烦，两台 PLC 同时运行，一用一备，一旦主机发生故障停机，备用机可勿扰切换，不影响系统的继续运行，同时变频器内部继续采用增置一台小型 Smart PLC 的方案，极大的增强了系统的稳定性（网络图如下页图 4 所示）。1.5国产热冗余 PLC（Modbus TCP/IP 网络）随着中海油集团公司“提质降本增效”要求的部收稿日期：2022-05-07基金项目：中国海洋石油集团有限公司“潜油电泵地面控制系统智能化升级及产业化”（JTKY-SXSH-2021-HF-03）第一作者简介：栾德爵（1984），男，山东人，硕士研究生，高级工程师，从事电气仪表类系统设计工作。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.007图 1基于 Profibus 网络的单 PLC 控制系统网络图图 2基于 Profibus 网络的冷备 PLC 控制系统网络图图 3基于 Profibus+Modbus 网络的冷备 PLC控制系统网络图行业经济WINCCPLC315Profibus 网络变频器 1变频器 2变频器 30WINCCPLC315Profibus 网络变频器 1变频器 2变频器 30PLC315WINCCPLC315Profibus 网络变频器 1变频器 2变频器 30PLC315Modbus 通讯EM277+PLC200EM277+PLC200EM277+PLC2002023 年第 1 期WINCCPLCLK220MobusTCP/IP 网络变频器 4变频器 1交换机WINCCPLC412Profibus 网络变频器 1变频器 2变频器 30PLC412Modbus 通讯DP01Smart图 4基于 Profibus+Modbus 网络的热备 PLC控制系统网络图署和落实以及器件自主化、国产化的要求，价格便宜、功能更完善的国产热冗余 PLC 逐渐登上了中海油平台的中控、火气系统，ESP 地面控制系统也引进了国产大型热冗余 LK 系列 PLC，更丰富的通讯网络、更强的可扩展性和更快的处理器速度，可满足控制程序数字化、智能化的发展需求。之前系统一直使用的 Profibus 网络结构简单，但是通讯接头、通讯电缆价格昂贵，由于网络采用的是一进一出式，现场设备调整时电缆施工量大，且影响系统网络的通畅。Profibus 通讯需要报文支持，数据量有限，且硬件有点数限制，在数字化网络通讯中带来很大的制约性。基于以上两点问题，采用目前更为广泛运用的 Modbus TCP/IP 网络更能适应数字化的发展。Modbus TCP/IP 网络通讯物理层是与 TCP/IP 网络一样的，采用标准的 RJ45 接口，控制系统内置工业级管理型交换机，通过星型网络结构连接变频器及其他设备，扩展设备时方便快捷，不会对其他设备的网络造成干扰（网络图如图 5 所示）。1.6控制系统智能化目前海上油井已经进入了数字化、智能化管理，如何及时预知井下异常情况对于油井的生产管理至关重要，气锁、结蜡、出砂和堵转等情况对海上平台的正常生产带来不小的影响。通过高速采集到的机组运行数据，如运行频率、电流、电压、入口压力、出口压力和电机绕组温度等数据，根据功能模型算法进行智能分析，推断出当前井况，如果有异常情况发生，将异常信息及应对方案推送给管理方，由管理方进行确认后采取调频措施进行异常情况排除或者自行进行智能调频、停机等措施保证机组正常运行，对油井的预防性管理具有重大意义。2人工举升智能制造机械采油是目前海上油田最主要的采油方式，中海油机采井占总生产井 93%，贡献总产量的 98%，对油田开发生产成本和生产时效起着至关重要的作用。由于海上油田特殊的石油开采环境，导致修井成本高，单井修井成本需数百万元，修井平均周期在2030 d 左右。海上油田单井产量较高，由于停井导致的产量损失往往高于修井成本，所以电潜泵产品的质量，举升系统的稳定性，产品交付的及时性，均较大程度影响油公司生产成本和油田产量。加之海上井况复杂，海上油田的对机采产品的系统可靠性和产品质量有着较高的需求。过去十年，机采井检泵周期逐年提高，达到行业先进水平。近两年，短命井数量减少，检泵周期和故障率不再有明显提高。人工举升产业发展急需引入数字化的质量分析手段，针对性的提升影响机采井寿命四要素的关键点，助力机组寿命增长。通过智慧化的运维技术救活更多问题井，实现机采井 5%故障率的目标。目前，人工举升行业各油气公司竞争日益激烈，以常规手段降低成本的空间日渐收窄，新一轮成本竞争的支点是数字技术，各竞争公司对数字化技术的应用速度与水平将会决定机组占有量乃至大幅度的影响机组寿命，降低单位产品及服务的成本。机采公司对中海油四海共计 3 000 余口机采井的运行井况进行动态跟踪，但是针对故障井分析所需调用生产制造过程信息，以及在制造过程对设计、物料及项目流程的管理，仍然依赖手工记录的方式，效率较低且不利于产品全生命周期标准化管理，引入智能制造管理理念的需求已经迫在眉睫。为了更好地实现人工举升产业的数字化和信息化，采用科学、规范化的方法描述产业业务现状，开展数字化业务建模。通过数字化的生产过程管理，保障人工举升设计、制造、作业服务和机采井运维的机采井寿命四要素各环节的数据互联互通，实现信息化、数字化、网络化应用。实现设计端与制造全过程数据模型管理，基于权限控制实现数据在机采公司内部各岗位的实时共享。自动记录或手动录入客户需求、生产计划、现场服务与机采井况等数据和信息，以全生命周期（PLM）智能制造管理模型为基础，通过实现设计标准化、质量标准化，最终实现人工举升全产业提质降本增效目标。3结语随着 ESP 地面控制系统在网络、硬件不断升级改进，网络稳定，抗干扰能力强，大型 PLC 的应用大大提高了系统的扩展性功能，对控制系统的数字化和智能化发展奠定了硬件基础。随着智能图 5基于 Modbus TCP/IP 网络的国产热备 PLC控制系统网络图WINCCDP01SmartDP01Smart变频器 5变频器 6Modbus 通讯Modbus 通讯Modbus 通讯LANSmartLANSmartWINCCLANSmartPLCLK220MobusTCP/IP 网络MobusTCP/IP 网络MobusTCP/IP 网络MobusTCP/IP 网络MobusTCP/IP 网络变频器 2变频器 3LANSmartLANSmartLANSmartModbus 通讯Modbus 通讯Modbus 通讯（下转第 25 页）栾德爵，关旭东，张嵘，等：ESP 地面控制系统的发展历程212023 年第 1 期化功能的不断研发应用，将大大提高海上平台油井的管理效率，延长井下机组寿命，助力中海油“七年行动计划”。参考文献1李哲毓，崔逸群.影响 PROFIBUS 总线通讯稳定性参数的应用优化J.应用天地，2010（12）：76-80.2黎邵平，李锡文.双机热冗余控制系统的可靠性分析J.自动化技术与应用，2006（12）：18-20.3郑建立，路林吉.双机热冗余可修复容错控制系统的可靠性分析J.中国纺织大学学报，1999（1）：67-69.（编辑：刘楠）Development History of ESP Ground Control SystemLuan Dejue,Guan Xudong,Zhang Rong,Li Zhipeng,Miao Jie（Engineering&Technology Branch,CNOOC Energy Development Co.,Ltd.,Tianjin 300452）Abstract:The ESP ground control system of CNOOC offshore platform has experienced the development of frequency cabinet system,onechange multi-control system and one-to-one frequency control system,and realized the development of PCC protector control technologycomposed by single-chip computer to small PLC control technology,and then to hot redundant large PLC high-speed and accurate controltechnology;the control system network has also changed from Profibus network