基于EIP協議的壓裂機組網絡通訊控制系統設計

石 磊 (中石化江漢石油管理局第四機械廠，湖北 荊州 434024)

基于EIP協議的壓裂機組網絡通訊控制系統設計

石 磊 (中石化江漢石油管理局第四機械廠，湖北 荊州 434024)

壓裂機組是一種新型成套設備，包含壓裂施工中所使用的壓裂泵車、混砂車、儀表車等。為了將上述設備聯網并實現協同作業，設計了壓裂機組網絡通訊控制系統?，F場作業表明，該系統能夠保證作業設備與控制系統之間網絡通訊的穩定性，同時能夠滿足壓裂作業過程的多種控制模式，使得油田壓裂施工作業快速、安全。

壓裂機組；網絡通訊；控制系統

壓裂作業是提高油氣井采收率的有效措施之一，廣泛應用于油、氣井增產和注水井增注。壓裂作業所需配備的機械設備包括泵車組、混砂車、儀表控制室和遙控箱等，如何將上述設備聯網并實現機組協同作業成為技術研究要點。為此，筆者根據壓裂作業的要求，基于EtherNet/IP(EIP)協議對壓裂機組網絡通訊控制系統的設計與實現進行了研究。

1 EtherNet/IP(EIP)協議

圖1 EIP協議架構圖

EtherNet/IP(EIP)是一種面向工業自動化應用的工業應用層協議，由通用工業協議CIP(Common Industry Protocols)加上已被廣泛使用的EtherNet和TCP/IP協議構成，與DeviceNet、ControlNet網絡具有統一的應用層、應用對象庫和設備描述，具有較好的一致性[1]。EIP的數據傳輸過程如圖1所示，其利用UDP協議傳送隱式報文，將UDP報文映射到IP多播傳送，實現高效I/O交換，并利用TCP的流量控制和點對點特性通過TCP通道傳輸顯式報文。EIP中被稱作控制和信息協議的CIP部分，一方面提供實時I/O通訊，另一方面實現信息對等傳輸，被廣泛用于工業自動化中傳輸配置、通訊及診斷等數據。

2 系統架構

壓裂機組網絡通訊控制系統由中央管理系統、工業以太網交換設備、現場控制器及控制終端設備組成，系統架構圖如圖2所示。

2.1中央管理系統

圖2 系統架構圖

該系統用于處理和下達相關作業機組的操作控制命令，需預先設置各類機組數據，包括壓裂機組作業的控制和操作數據以及混砂車多個階段的作業數據(從階段1開始逐階段輸入，最多預存20個階段的作業數據)，具體包括作業階段號、吸入階段體積、支撐劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、液添起始濃度、液添結尾濃度、干添起始濃度、干添結尾濃度、絞龍速比及液位高度等。

2.2工業以太網交換設備

該設備采用工業以太網進行數據通信，通信速率達100Mbps，作業設備與控制系統之間通過網絡通信線連接成一個環網，能夠方便地實現數據傳輸、交換、共享以及遠程訪問，其數據處理速度快，動作響應速度快，從而保證作業設備與控制系統之間網絡通訊的穩定性及數據的安全性。

2.3現場控制器及控制終端設備

現場控制器用來響應通過系統通信網絡發送的操作控制命令，并通過控制終端設備執行相關操作控制命令。

3 關鍵設備的設計

3.1系統通信網絡的設計

油田大型壓裂作業通常需要10～20臺設備聯網協同工作，根據壓裂作業點經常移動的特點，在進行設備之間的通訊時，需考慮到網絡傳輸速率及網絡通訊數據的穩定性和安全性，因而選擇工業以太網構建系統通訊網絡，利用EIP和CIP協議作為通訊協議來實現設備間的數據采集、傳輸與遠程控制。組網方式采用有線網絡和無線網絡2種方式，有線網絡方式主要采用CAN總線聯網技術，因其具有較強的抗干擾能力，支持多種工作方式，網絡節點數可達110個，因而在惡劣工業環境中具有突出優勢。無線網絡組網方式采用WiFi無線局域網技術，其特點在于具備2.4GHz 無線信號，并采用工業用無線AP加高增益天線提高信號覆蓋范圍，同時具有較強的抗干擾能力。

基于工業以太網絡及EIP協議的特性，采取了以下技術手段提高系統通信網絡控制精度：①增加并優化主干網的帶寬。利用IGMP Snooping/GMRP 對封包進行過濾篩選，確保重要數據得到安全實時的傳輸。②優化數據傳輸。作業設備和現場控制器之間通過CIP協議進行數據傳輸，通過優化程序，平衡相關數據和輔助通訊包的數量關系，使網絡通訊的利用最佳化。③物理網絡冗余設計。由于作業設備與控制系統之間通過網絡通信線連接成一個環狀網絡，為了避免其中任何一根網絡線連接中斷時影響作業機組的正常作業，可以采取雙物理網絡鏈路設計方式，這樣可以提高網絡通訊的可靠性。經測試，環狀網絡愈合時間在30ms以下，極大地提高了網絡穩定性。④拓撲優化。使用網絡中VLAN技術將不需要通訊的節點單獨劃分開來，使設備之間處于虛擬隔離狀態，這樣可以提高網絡通訊速度和安全性。

3.2中央管理系統的設計

在開發中央管理系統時，要考慮到各類作業設備之間不同的操作與控制原理，首先應對各類作業設備的作業數據和操作數據進行預錄入，并與現場控制器等通訊設備進行集成，以達到傳輸操作數據和收集作業數據的功能，然后根據各類作業設備的特點與功能進行功能模塊組件的開發與設計，使得系統能夠進行各類設備作業的靈活配置。同時利用模塊化、開放式的結構性功能，通過數據庫對各類參數進行錄入，使得系統的使用和維護十分便捷。此外，配置相應的過程監控軟件，通過圖形化、儀表化的屏幕界面使得作業現場的操作簡單直觀。中央管理系統工作流程圖如圖3所示。

4 結 語

根據壓裂作業的要求，基于EIP協議設計了壓裂機組網絡通訊控制系統，該系統能夠實現油田實際作業中泵控設備的分組控制、恒排量控制和恒壓力控制等功能，可以滿足壓裂作業過程的多種控制模式，使得油田壓裂作業快速、安全。因此，該系統具有廣闊的市場化應用前景。

圖3 中央管理系統工作流程圖

[1]陳在平，楊慧. 開放式工業以太網EtherNet/IP協議研究[J].制造業信息化，2009(4):12-13.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.025

TE934.2

A

1673-1409(2012)02-N078-03

2011-11-12

石磊(1979-)，男，2001年大學畢業，工程師，現主要從事工業自動化控制和信息化管理方面的研究工作。