深海油氣田水下控制器的設計開發

郝亞沖 程武山 張鵬舉 饒 斌

(1.上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 201900)

隨著海洋油氣田開發不斷向深海推進，水下生產控制系統也已發展成具有直接液壓、先導液壓、順序液壓、直接電液、復合電液及全電氣等多種控制模式，其中復合電液控制技術是現階段具有明顯優勢并被廣泛應用的成熟技術[1]。深海油氣田水下控制器是水下生產控制系統的核心，但是目前國內尚無這方面的成熟產品。因此，深海油氣田水下控制器的國產化研制已經成為我國發展水下生產控制系統進程中必須盡快解決的重要課題。

筆者設計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的網絡結構、硬件結構、軟件流程以及基于電力載波的通信方案，并結合KingVIEW軟件設計了人機交互界面。

1 深海油氣田水下生產控制系統①

水下生產控制系統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)及采油樹等部分組成，如圖1所示。水下生產控制系統在整個深海油氣田生產系統中的作用至關重要，整體架構決定了整個控制系統的性能[2]。水下控制系統包括水上部分和水下兩部分，水上平臺設置有主控制系統(MCS)監控水下生產；水下井口設置有采油樹和水下控制模塊(SCM)，其中水下控制模塊控制采油樹執行生產操作和安全關斷，并完成采油樹各回路的溫度、壓力及沙粒沖蝕等傳感信號的采集，實現對各回路生產狀態的監控，并實時將數據通過電力載波傳送到水上平臺的主控制系統[3]。采油樹儀器儀表的數據量較大，需要較高的帶寬和傳輸速度，而且要實現檢測數據從水下到水上的傳輸，基于電力載波的通信方式即可滿足要求[4]。

圖1 深海油氣田采集水下生產系統的組成框圖

2 水下控制模塊

水下控制模塊是連接水面平臺與水下采油系統的關鍵裝置，按照預先設定的邏輯對水下生產系統進行控制，確保油氣采集生產安全可控地進行；同時，還擔負著水下監控數據的傳遞與中轉任務。采油樹是整個系統的執行部分，通過控制采油樹管線上的閥門，來控制整個采油系統的流程，主要包括生產主回路、環空回路和藥劑注入回路三大部分。其主要功能是：接收SCM發出的信號，開關閥門，通斷油路，檢測SCM按照主控站指令發出控制命令；向SCM提供溫度和壓力信號并記錄，檢測SCM對溫度和壓力信號的接收和傳輸能力。

2.1 整體架構

水下控制模塊設計為模塊化，用以實現對主控站MCS的命令進行傳遞、解釋和執行，對所采集的傳感器數據和各種反饋數據進行處理和傳輸，系統主要由傳感器數據采集模塊、電磁閥驅動模塊、電源管理系統、動力線載波系統和主控系統組成。本項目對水下生產系統的工藝流程進行研究，確定水下控制器的控制模式，當切換到本地控制模式時，可以實現本地手動操作；當切換到遠程控制模式，即可進行主控站的遠程操作。針對水下生產系統設計了水下控制模塊(SCM)，其中PLC作為控制核心，實現邏輯控制、運行監視及故障報警等功能[5]。水下控制模塊SCM通過采集各類傳感器信息監測系統的運行狀態，實現整個系統穩定高效的運行。水下控制模塊SCM的硬件架構如圖2所示。

圖2 SCM硬件架構示意圖

2.2 功能實現

筆者設計的水下控制器利用程序實現有效功能，模擬現場設備的運行情況、實際生產運作狀態并及時根據現場工況做出調整[6]，主要功能有：水下控制器以PLC作為控制核心，實現邏輯控制、運行監視和故障報警；SCM通過采集各類傳感器的信息來監測生產系統的運行狀態，實現深海油氣田生產過程的實時監控；控制水下采油樹和生產管匯上調節閥的開度，實現對生產管匯內流量的控制；按照預先設定的自動控制程序對水下設備進行控制，在自動控制模式，可以控制采油樹閥門按照逆料流流程啟動，并進行生產；監測水下設備的工作狀態，并將相關信息傳送至水面控制室；在水下設備發生異常時發出報警信號。

電子處理部分是水下控制器的核心部分，可以對主控站的命令進行傳輸、解釋和執行，同時對所采集的傳感器數據和各種反饋數據進行處理和傳輸；再由平臺分析處理實時反饋的數據，預測生產系統的工作狀態，根據整個系統穩定性的判斷，使整個控制系統構成一個完備的閉環系統[7，8]。SCM的功能框圖如圖3所示。

圖3 SCM的功能框圖

2.3 數據采集

SCM能夠采集井下、生產通道和環空通道的溫度、壓力及流量等傳感器數據，傳感信號需要經過信號放大器和低通濾波器濾除高頻噪聲干擾，再經過A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號，并且對信號進行處理；再對數字信號進行編碼調制，將其疊加在電力載波上，最終將數據傳送至主控站MCS，主控站MCS對信號進行解調后即可獲得傳感器的數字信號。數據采集流程如圖4所示。

圖4 數據采集流程

由于該水下生產系統的模擬量輸入共有7路，其中壓力傳感器(PTT1主生產回路壓力、PT3環空回路壓力)和溫度傳感器(PTT1主生產回路溫度、PT3環空回路溫度)各兩個，流量計3個(WGFM生產回路產量、乙二醇注入量和阻垢劑注入量)。該水下控制器以數字量控制為主，并有大量模擬量采集信號，如溫度、壓力及流量等連續量的采集，故選用帶有A/D轉換的模擬量輸入模塊。綜合生產工藝等要求，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 電動閥的驅動與控制

SCM對采油樹閥門采用一級控制，直接控制電動閥通斷。當SCM接收到平臺對采油樹閥門促發的控制信號，SCM迅速響應，立即促發電動閥得電，打開閥門[9]。采油樹電動閥的控制分為手動和自動兩種控制模式，可以分別進行機旁手動控制和遠程上位機控制，驅動電路如圖5所示。當切換開關切換到手動控制擋時，便可在機旁操作箱進行手動操作，按下啟動按鈕后中間繼電器線圈得電，常開觸點閉合，電動閥得電打開。當切換到自動控制模式時，在上位機界面進行控制，SCM的數字量輸出點輸出，同樣中間繼電器線圈得電，電動閥打開。

圖5 電動閥驅動電路

2.5 調節閥的驅動與控制

為了實現SCM對采油樹的主回路調節閥、阻垢劑調節閥和乙二醇調節閥的控制，滿足模擬量輸出要求，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，實現SCM對調節閥的有效控制，從而有效控制水下生產系統的產量。

SCM的CPU配合EM232模塊進行模擬量的輸出工作，可分別在手動和自動控制兩種模式下把輸出信號經轉換和隔離送到調節閥，最終達到控制流量的目的[10]。同時與上位機進行數據傳輸，把調節閥的實際輸出值和所處的運行狀態輸入上位機。上位機除了接收SCM的信號外，同時向SCM發出控制參數，如調節參數的修改及給定值的設定等。

2.6 外部通信與執行

電力載波通信選用LXZB-T02/220/04型電力線載波機，該載波機獨有的糾錯技術提高了通信的可靠性，RS232/485數據接口可實現透明數據傳輸。利用電力線作為數據傳輸通道，這些核心技術明顯地改善了接收能力，提高了通信的可靠性，能夠在有強噪聲干擾的低壓配電線上實現穩定可靠的數據傳輸，滿足低壓電力監控設備通過電力線進行數據通信的需要[11]。水下控制器與數據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

數據控制中心的上位機串口符合RS232標準協議，為實現上位機和主站的通信必須進行協議轉換，利用PC/PPI電纜連接兩者。由于KingVIEW有豐富的底層驅動，與主站PLC的通信方式采用PPI協議，并同時完成協議轉換的任務。S7-200PLC內部集成的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的一個很有特色的功能，它可以與任何協議公開地與其他設備及控制器等進行通信。本項目中，主站PLC通過載波與SCM就采用自由口模式進行通信，該電力載波是透明傳輸。電力載波是電力系統特有的通信方式，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸[12]。

3 系統軟件

3.1 監控界面

通過對監控系統的要求及其所要實現功能的分析，水下生產控制系統采用KingVIEW設計監控系統。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者對現場進行實時監控。KingVIEW6.55提供了豐富且簡捷易用的配置界面，還有大量的圖形元素和圖庫精靈，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，動態地在上位機界面顯示各變量的變化，并附有調節界面和各參數的變化曲線。同時具有報警窗口及實時趨勢曲線等，可方便地生成各種報表。筆者設計的水下生產監控系統上位機的主界面如圖7所示。

圖7 水下生產監控系統上位機主界面

水下控制器的自動控制流程如圖8所示，將所有下游設備的反饋信息的組合邏輯作為啟動條件，將所有上游設備的故障信息和運行狀態的組合邏輯作為各閥門的停止條件。在自動工作模式中，可以按不同工藝需要，分析動作及其順序，按照設定的自動控制流程逆料流自動打開各個閥門，設定各個回路調節閥的開度，系統進入正常生產狀態，水下控制器實時監測水下設備的工作狀態，并在溫度及壓力等參數超限時進行報警。

圖8 水下控制器的自動控制流程

3.2 實時數據庫管理技術

實時數據庫建立在監控中心的軟硬件基礎上，根據實時數據庫的性質以及實時數據在使用方式上的特點設計其結構和功能。利用KingVIEW及其二次開發功能建立實時數據庫，實現對數據庫的生成、查詢、更新，以及其他任務對實時數據庫的實時請求及報警響應等操作。管理程序采用模塊化結構，如初始化模塊、對象查找模塊、內容修改更新模塊、報警模塊及記錄模塊等。數據管理與通信如圖9所示。

圖9 數據管理與通信框圖

4 結束語

水下控制器是海洋油氣勘探開發的關鍵設備，作為水下生產設備的重要組成部分，它承擔著安全有效控制水下生產系統、保證水下油氣田安全運行的重任。筆者通過分析當前水下控制器的研究現狀，以S7-200 PLC為核心開發了水下控制模塊，較好地完成了水下生產控制功能，對實現深水鉆井裝備系統國產化，推動我國海洋油氣鉆采裝備進入快速發展具有重要意義。該系統還采用了特殊的電力線載波技術傳輸數據，提高了系統的安全性，而且其通信設備的部署更加靈活。深海油氣田水下控制系統具有指向明確的市場用戶，應用空間廣闊，開發前景樂觀，其社會效益和經濟收益比較明顯。

[1] 單日波.我國深水海洋油氣田開發現狀分析[J].中國造船,2012,53(z1):274～278.

[2] 金向東,林華春.海上油氣田水下生產系統的關鍵設備與技術[J].油氣田地面工程,2012,(4):55～56.

[3] 張理.水下生產控制系統設計探討[J].中國造船,2010,51(z2):185～191.

[4] 范亞民.水下生產控制系統的發展[J].石油機械,2012,40(7):45～49.

[5] 程武山.智能控制理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2006.

[6] 朱高磊,趙宏林,段夢蘭,等.水下采油樹控制模塊設計要素分析[J].石油礦場機械,2013,42(10):1～6.

[7] 張豐功,王定亞,李磊,等.水下控制模塊的技術分析與發展建議[J].石油機械,2013,41(6):59～62.

[8] 尹豐.水下生產控制系統在氣田設計中的應用[J].自動化應用,2012,(3):18～20.

[9] 胡雪峰,封延松.電液復合式控制系統的組成及分析工況[J].中國造船,2012,53(z1):189～199.

[10] 李磊,鄧平,張豐功,等.電液換向閥在水下生產控制系統中的應用研究[J].石油機械,2013,41(3):58～62.

[11] Altamiranda E,Colina E.A System of Systems Engineering Approach for Intelligent Control and Supervision of Subsea Production Systems[J].Oceans-Bergen,2013,(5):1～7.

[12] Chen K Q,Guo H,Li B,et al.Constructing Virtual Parallel System for Offshore Oil Subsea Production[J].Service Operations and Logistics and Informatics,2012,(6):389～393.