欒德爵，關(guān)旭東，張 嶸，李志鵬，苗 杰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

引言

目前中海油大力推進(jìn)增儲(chǔ)上產(chǎn)“七年行動(dòng)計(jì)劃”，機(jī)采井廣泛應(yīng)用于新老海上平臺(tái)，具備智能化功能的ESP地面控制系統(tǒng)伴隨著數(shù)字化的平臺(tái)建設(shè)應(yīng)用到了海上石油開采中。至今為止，ESP地面控制系統(tǒng)經(jīng)歷了工頻柜系統(tǒng)、一變多控系統(tǒng)、一對(duì)一變頻控制系統(tǒng)三個(gè)階段，一對(duì)一變頻控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了單PLC、冷備PLC、熱冗余PLC、國(guó)產(chǎn)化熱冗余PLC四個(gè)階段，通訊網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了Profibus[1]、Profibus+Modbus[2]、Modbus TCP/IP三個(gè)階段，越來越豐富的通訊接口和運(yùn)算速度大大提升了系統(tǒng)的功能，為智能化控制奠定了硬件基礎(chǔ)。

1 發(fā)展歷程

1.1 單PLC（Profibus網(wǎng)絡(luò)）

工頻柜系統(tǒng)、一變多控系統(tǒng)、早期的一對(duì)一變頻控制系統(tǒng)均采用的是基于Profibus網(wǎng)絡(luò)的單PLC控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示，主要用于設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程啟停等操作，Profibus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)采用一進(jìn)一出形式，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，就會(huì)造成大面積的網(wǎng)絡(luò)故障，甚至引起大范圍停機(jī)事件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)及井下機(jī)組造成較大影響。

圖1 基于Profibus網(wǎng)絡(luò)的單PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.2 冷備PLC（Profibus網(wǎng)絡(luò)）

針對(duì)PLC出現(xiàn)故障導(dǎo)致控制系統(tǒng)失效的情況，現(xiàn)場(chǎng)配置了兩臺(tái)中央控制柜，兩臺(tái)PLC呈“一用一備”運(yùn)行模式，網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，一臺(tái)PLC故障后，手動(dòng)切換到另外一臺(tái)PLC繼續(xù)工作，中間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的暫時(shí)失效，甚至出現(xiàn)變頻器停機(jī)現(xiàn)象。

圖2 基于Profibus網(wǎng)絡(luò)的冷備PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.3 冷備PLC（Profibus+Modbus網(wǎng)絡(luò)）

PLC通過Profibus網(wǎng)絡(luò)直接與變頻模塊通訊，通過變頻器內(nèi)報(bào)文參數(shù)設(shè)置進(jìn)行直接通訊，對(duì)通訊干擾和通訊故障容錯(cuò)能力較差，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的意外關(guān)停，通過在變頻器內(nèi)增置一臺(tái)小型PLC，用作對(duì)主PLC通訊的緩存區(qū)，對(duì)啟停、調(diào)頻指令進(jìn)行判斷，判斷是否為主PLC主動(dòng)發(fā)送過來的指令，再通過Modbus通訊傳遞給變頻器，使控制系統(tǒng)不再因通訊原因意外關(guān)停設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的問題定性（網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示）。

圖3 基于Profibus+Modbus網(wǎng)絡(luò)的冷備PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.4 熱冗余PLC（Profibus+Modbus網(wǎng)絡(luò)）

熱冗余[2-3]PLC的使用解決了單臺(tái)PLC故障后需要手動(dòng)切換PLC的麻煩，兩臺(tái)PLC同時(shí)運(yùn)行，一用一備，一旦主機(jī)發(fā)生故障停機(jī)，備用機(jī)可勿擾切換，不影響系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)變頻器內(nèi)部繼續(xù)采用增置一臺(tái)小型Smart PLC的方案，極大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（網(wǎng)絡(luò)圖如下頁(yè)圖4所示）。

圖4 基于Profibus+Modbus網(wǎng)絡(luò)的熱備PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.5 國(guó)產(chǎn)熱冗余PLC（Modbus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)）

隨著中海油集團(tuán)公司“提質(zhì)降本增效”要求的部署和落實(shí)以及器件自主化、國(guó)產(chǎn)化的要求，價(jià)格便宜、功能更完善的國(guó)產(chǎn)熱冗余PLC逐漸登上了中海油平臺(tái)的中控、火氣系統(tǒng)，ESP地面控制系統(tǒng)也引進(jìn)了國(guó)產(chǎn)大型熱冗余LK系列PLC，更豐富的通訊網(wǎng)絡(luò)、更強(qiáng)的可擴(kuò)展性和更快的處理器速度，可滿足控制程序數(shù)字化、智能化的發(fā)展需求。

之前系統(tǒng)一直使用的Profibus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是通訊接頭、通訊電纜價(jià)格昂貴，由于網(wǎng)絡(luò)采用的是一進(jìn)一出式，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)整時(shí)電纜施工量大，且影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通暢。Profibus通訊需要報(bào)文支持，數(shù)據(jù)量有限，且硬件有點(diǎn)數(shù)限制，在數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通訊中帶來很大的制約性?；谝陨蟽牲c(diǎn)問題，采用目前更為廣泛運(yùn)用的Modbus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)更能適應(yīng)數(shù)字化的發(fā)展。

Modbus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊物理層是與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)一樣的，采用標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口，控制系統(tǒng)內(nèi)置工業(yè)級(jí)管理型交換機(jī)，通過星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接變頻器及其他設(shè)備，擴(kuò)展設(shè)備時(shí)方便快捷，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)造成干擾（網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示）。

圖5 基于Modbus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的國(guó)產(chǎn)熱備PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.6 控制系統(tǒng)智能化

目前海上油井已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化、智能化管理，如何及時(shí)預(yù)知井下異常情況對(duì)于油井的生產(chǎn)管理至關(guān)重要，氣鎖、結(jié)蠟、出砂和堵轉(zhuǎn)等情況對(duì)海上平臺(tái)的正常生產(chǎn)帶來不小的影響。

通過高速采集到的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，如運(yùn)行頻率、電流、電壓、入口壓力、出口壓力和電機(jī)繞組溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)功能模型算法進(jìn)行智能分析，推斷出當(dāng)前井況，如果有異常情況發(fā)生，將異常信息及應(yīng)對(duì)方案推送給管理方，由管理方進(jìn)行確認(rèn)后采取調(diào)頻措施進(jìn)行異常情況排除或者自行進(jìn)行智能調(diào)頻、停機(jī)等措施保證機(jī)組正常運(yùn)行，對(duì)油井的預(yù)防性管理具有重大意義。

2 人工舉升智能制造

機(jī)械采油是目前海上油田最主要的采油方式，中海油機(jī)采井占總生產(chǎn)井93%，貢獻(xiàn)總產(chǎn)量的98%，對(duì)油田開發(fā)生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)效起著至關(guān)重要的作用。由于海上油田特殊的石油開采環(huán)境，導(dǎo)致修井成本高，單井修井成本需數(shù)百萬(wàn)元，修井平均周期在20～30 d左右。海上油田單井產(chǎn)量較高，由于停井導(dǎo)致的產(chǎn)量損失往往高于修井成本，所以電潛泵產(chǎn)品的質(zhì)量，舉升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)品交付的及時(shí)性，均較大程度影響油公司生產(chǎn)成本和油田產(chǎn)量。加之海上井況復(fù)雜，海上油田的對(duì)機(jī)采產(chǎn)品的系統(tǒng)可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量有著較高的需求。

過去十年，機(jī)采井檢泵周期逐年提高，達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。近兩年，短命井?dāng)?shù)量減少，檢泵周期和故障率不再有明顯提高。人工舉升產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需引入數(shù)字化的質(zhì)量分析手段，針對(duì)性的提升影響機(jī)采井壽命四要素的關(guān)鍵點(diǎn)，助力機(jī)組壽命增長(zhǎng)。通過智慧化的運(yùn)維技術(shù)救活更多問題井，實(shí)現(xiàn)機(jī)采井5%故障率的目標(biāo)。

目前，人工舉升行業(yè)各油氣公司競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，以常規(guī)手段降低成本的空間日漸收窄，新一輪成本競(jìng)爭(zhēng)的支點(diǎn)是數(shù)字技術(shù)，各競(jìng)爭(zhēng)公司對(duì)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用速度與水平將會(huì)決定機(jī)組占有量乃至大幅度的影響機(jī)組壽命，降低單位產(chǎn)品及服務(wù)的成本。機(jī)采公司對(duì)中海油四海共計(jì)3000余口機(jī)采井的運(yùn)行井況進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，但是針對(duì)故障井分析所需調(diào)用生產(chǎn)制造過程信息，以及在制造過程對(duì)設(shè)計(jì)、物料及項(xiàng)目流程的管理，仍然依賴手工記錄的方式，效率較低且不利于產(chǎn)品全生命周期標(biāo)準(zhǔn)化管理，引入智能制造管理理念的需求已經(jīng)迫在眉睫。

為了更好地實(shí)現(xiàn)人工舉升產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化和信息化，采用科學(xué)、規(guī)范化的方法描述產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，開展數(shù)字化業(yè)務(wù)建模。通過數(shù)字化的生產(chǎn)過程管理，保障人工舉升設(shè)計(jì)、制造、作業(yè)服務(wù)和機(jī)采井運(yùn)維的機(jī)采井壽命四要素各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)端與制造全過程數(shù)據(jù)模型管理，基于權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在機(jī)采公司內(nèi)部各崗位的實(shí)時(shí)共享。自動(dòng)記錄或手動(dòng)錄入客戶需求、生產(chǎn)計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與機(jī)采井況等數(shù)據(jù)和信息，以全生命周期（PLM）智能制造管理模型為基礎(chǔ)，通過實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，最終實(shí)現(xiàn)人工舉升全產(chǎn)業(yè)提質(zhì)降本增效目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著ESP地面控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)、硬件不斷升級(jí)改進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，大型PLC的應(yīng)用大大提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性功能，對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)。隨著智能化功能的不斷研發(fā)應(yīng)用，將大大提高海上平臺(tái)油井的管理效率，延長(zhǎng)井下機(jī)組壽命，助力中海油“七年行動(dòng)計(jì)劃”。