基于PLC軟冗余的油田注水站控制系統的設計

程瑞洲，徐竟天，周紅芳，趙曉姣

（西安石油大學 電子工程學院，西安 710065）

依靠巖石和液體的膨脹及溶解氣驅的天然開采機理對原油進行開采，約有80%的儲量無法開采出來，因此繼一次采油之后，提高原油采收率的一個重要方法就是油田注水[1]。油田注水，是油田地下開采過程中的能量補充。目前，我國主要油田已進入高含水開采階段，油田內井間、層間的狀況存在較大的差異，而解決的方法，就是合理有效地控制注水，以滿足各類油層的開采需要[2]。油田注水站的主要作用是將供水系統送來或經過處理符合標準的水進行升壓，然后輸送至注水井排和注水井里。

對于新疆準東油田北3臺集油注水站計算機監控項目而言，由于現場環境惡劣，尤其是在冬季，如果泵及其管道被凍住后，整個冬季將無法注水，對原油采收將會產生非常大的影響。本文采用基于西門子S7-300 PLC的軟冗余控制系統，利用Profibus-DP和Ethernet總線將現場各種智能儀表采集到的數據傳送給CPU進行處理。經過投產運行，大大提高了注水站監控系統的可靠性和管理水平，基本消除了安全隱患，避免了因系統故障、設備停機引起的經濟損失。

1 系統簡介

1.1 注水站工藝流程

注水站站內設施主要由注水泵機組、注水井排管網和注水井支線3大部分組成，主要設備由緩存罐、匯水管路、活塞泵、輸水管路和計量儀表等部件構成，控制系統主要實現對站內工藝生產運行參數進行集中監測、控制和管理。

注水站工藝流程為來水進站→計量→緩存罐→進泵加壓→輸出高/低壓水，如圖1所示。該注水站設置了3座儲水罐，其中2座緩存罐總容量按該站最大用水量時的4～6 h來設計，2座緩存罐中的一座設計為凈化污水儲罐，另一座設計為清水儲罐，主要作用是儲存水源井清水或污水處理站輸送過來的油田合格水；事故罐的作用是當電磁閥故障導致來水異常時，通過將水注入其中以避免發生事故。2種水源經過低壓水表計量后進入緩存罐，其中污水處理來水經過加壓進入高壓注水泵房，而水源井清水進入低壓注水泵房作為補充。在高/低壓泵房內，每個泵與出水井排之間加裝一個單向閥，防止高/低壓水反向流回活塞泵，從而對泵造成損壞[3]。

匯水管路包括連接儲水罐與泵之間的管匯，為倒罐、倒泵提供方便，另外連接注水泵與注水井排、配水間之間的是輸水管路，其作用是將高/低壓水分配給配水間、注水井。計量儀表主要用于監測設備的運轉、壓力和水量的消耗等[4]。

圖1 注水站工藝流程Fig.1 Injection station process flow chart

1.2 監控點數

油田注水站控制系統主要包括：緩存罐、緩存罐液位檢測、緩存罐出口流量檢測、提升泵啟/停、電動調節閥開/關、匯水管路液體壓力檢測、匯水管路流量檢測、注水泵啟/停及注水井排液體壓力檢測等。系統監控情況如表1所示。

表1 系統監控統計表Tab.1 System monitoring statistical table

整個控制系統主要實現對站內設備運行狀態進行集中監測、控制和管理，方便人員操作。包括監控畫面顯示、報警及數據記錄、參數設定、人員考勤及報表打印等。

2 控制系統硬件設計

對于常見的計算機控制系統而言，根據冗余控制實現的方式，分為硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余的高可靠性性能常用于停機會造成巨大損失的控制系統，通過采用特殊硬件模塊，包括CPU、PS電源模塊及I/O模塊實現冗余；軟件冗余采用2套相同的CPU控制系統，能夠實現除ET200M從站上的I/O模塊以外的模塊與鏈路的冗余，成本低且擁有很高的可靠性[5]。

鑒于注水站監控系統的重要性及甲方要求，該項目計算機監控系統方案采用了基于西門子S7-300 PLC的軟冗余方案。整個控制系統由2個相互獨立的PLC組成，當主處理器出現故障時，通過事先在CPU模塊程序中編寫監控程序和數據交換處理程序實現數據同步，完成主備處理器切換[6]。監控系統現場上位監控計算機選用2臺臺灣研華工控機（IPC-610H）和2臺22英寸液晶顯示器，實現監控計算機雙機冗余，同時配合2臺西門子高性能PLC一起實現對注水站運行工藝流程的實時監控。2臺上位監控計算機和PLC之間的通訊連接通過交換機采用工業以太網進行通訊，并以工業以太網作為冗余網絡將整個系統有機地結合在一起。監控系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 監控系統硬件結構Fig.2 Monitoring system hardware structure

控制系統由2套完全獨立的西門子PLC的CPU模塊、包含IM153-2模塊的ET200M分布式I/O及相應的Profibus-DP總線和Ethernet總線，共同構成冗余體系。PLC的CPU模塊選用西門子公司CPU 315-2DP模塊，該模塊擁有2個接口，一個是MPI（多點接口）通信接口，另一個是Profibus-DP總線接口。2個CPU 315-2DP通過MPI通信接口連接，構成主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路。2個CPU模塊分別通過各自Profibus-DP總線接口與ET200M從站的IM153-2模塊連接，構成主系統、備用系統與從站的通訊鏈路。

現場的液位和壓力探測器直接與AI模塊相連，通過傳感器轉換為4～20 mA電流信號；流量計與FM350-2計數模塊連接，讀取流量計的脈沖信號。然后這些信號被采集進PLC，PLC對數據經過計算與處理，一方面向ET200M從站上的控制模塊輸出控制信號，另一方面將相應數據傳送給上位監控計算機。

3 軟冗余技術原理

Station A和Station B 2套獨立的S7-300 PLC（處理器、通訊接口、I/O模塊）系統構成了軟冗余控制系統，完整的西門子軟冗余系統的軟、硬件包括：

1）1套西門子Step 7 V5.5編程軟件和軟冗余V1.2軟件包；

2）2套型號為315-2DP的CPU模塊及相應的電源模塊；

3）3條通訊鏈路，主系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS-DP 1）、備用系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS-DP 2）、主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路（MPI）；

4）1個ET200M從站，包括2個IM153-2接口模塊和若干個I/O模塊；

系統開始工作時，Station A系統為主，掌握對ET200M從站中的I/O控制權，Station B系統為備用。當主系統A中的任何一個部件故障或通信中斷時，當前的控制任務會自動切換到備用系統B當中執行，Station B代替Station A完成設定的控制任務，這時，Station B為主，Station A為備用，這種切換過程是包括電源、CPU處理器、通訊電纜和ET200M站IM153接口模塊的整體切換。系統運行過程中，即使沒有任何組件故障，相關人員也可以通過設定控制字，實現主備系統的手動切換，這種手動切換過程，對于控制系統的軟硬件調整、更換和擴容非常有用。因此，軟冗余能夠實現：

1）主機架電源和背板總線的冗余；

2）S7-300 PLC的CPU冗余；

3）Profibus-DP現場總線網絡的冗余 （包括通訊接口、總線接頭和總線電纜）；

4）ET200M站的通訊接口模塊IM153-2的冗余。

Station A、B系統中的 PLC程序由非冗余（Non-duplicated）用戶程序段和冗余（Redundant Backup）用戶程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。圖3為軟冗余系統內部運行圖。

圖3 軟冗余系統內部運行過程Fig.3 Soft-redundancy system internal operation process graph

由圖3可知，主備CPU都執行讀取輸入信息、執行非冗余用戶程序、讀取評估對方狀態、發送對方冗余數據和輸出信息等操作。兩者不同的是：主CPU執行冗余程序，而備CPU跳過冗余程序。開機運行后，主/備CPU同時啟動并運行，主CPU讀取備用CPU狀態，判斷備用CPU是否運行正常，若其故障將報警顯示；主CPU執行自身的冗余程序后，將自身的冗余數據傳送給備用CPU，以便故障時備用CPU可以接手控制，這樣備用CPU將繼續完成系統的控制。可見冗余功能的實現主要是靠評估對方狀態和發送冗余數據來實現的，為實現這些功能，西門子公司提供了專門的冗余軟件包[7]。

本項目使用了冗余軟件包中的SWR_XSEND_300程序塊，通過CPU上的MPI接口，采用MPI數據同步方式和參數配置連接類型，包含的功能塊有FB101，FB103，FC100和FC102。FB101是循環調用的數據塊，主要作用是將主站系統中的冗余數據復制到備用系統中；FB103在FB101中被調用，主要作用是實現主、備控制器的數據同步，同時在該塊內部調用SFC65“X_SEND”和 SFC66“X_RCV”功能塊，負責數據的接受和發送；FC100是初始化程序塊，在OB100中被調用，實現定義系統運行參數的作用；FC102是診斷功能塊，在OB86中調用獲得診斷數據，完成模塊診斷供FB101調用，實現ET200M切換的功能[8]。

4 控制系統軟件設計

4.1 下位冗余程序設計

編寫軟冗余程序時，非冗余程序段編寫在OB1當中，冗余程序段編寫在OB35當中，這里使用的是OB35的默認屬性，即每100 ms中斷觸發一次，可以根據實際需要在CPU屬性中修改中斷的時間間隔。在 OB35里調用 FB 101“SWR_ZYK”功能塊，FB101塊中封裝了冗余功能的程序段，實現冗余功能。調用FB101時，可以在線讀出RETURN_VAL參數的數值，如果為0，說明冗余鏈接正常。如果為8015說明數據同步的連接不成功，這是一個常見的錯誤，原因可能是CP342-5之間的FDL鏈接建立的不正確或物理鏈路不通，或者是FC100的VERB_ID參數與NETPRO中的鏈接ID號不一致。當執行“SWR_START”程序塊時，系統分配這些數據區，不能用S7的定時器和計數器，只能使用IEC標準的定時器和計數器。OB35中的程序流程圖如圖4所示。

圖4 冗余程序流程Fig.4 Redundancy program flow chart

除了 FB101，FB103，FC100 和 FC102 功能塊外，在編寫軟冗余程序時還需要以下程序塊：暖啟動程序塊OB100、主/備用系統切換超時程序塊OB80、DP-Slave ET200M站上的IM153-2模塊出錯報警程序塊OB82、DP從站的接口模塊與主站鏈接斷開或鏈接重新建立時程序塊OB83、程序運行出錯或DP從站連接失敗程序塊OB85、主/從站通訊出錯程序塊OB86、通訊失敗程序塊OB87、外圍設備訪問出錯程序塊OB122。

4.2 上位監控軟件設計

上位機監控軟件基于研華工控機IPC的Windows XP系統開發環境，采用WinCC V7.5軟件進行設計。監控系統畫面有注水主畫面、高壓注水泵畫面、其余注水泵畫面和恒壓供水畫面，監控系統軟件結構圖如圖5所示。

圖5 監控系統軟件結構Fig.5 Monitoring system software structure diagram

利用WinCC的動態顯示功能，監控主畫面可實時地將現場設備的運行狀況顯現出來，方便相關人員查看；利用報警功能，當流量、液位或者壓力等參數不在設定范圍內時，啟動報警程序、產生報警信息并在組態畫面中顯示出來，提醒相關人員檢修；利用報表功能，可將現場各種實時或歷史的數據記錄和儲存，方便技術人員查詢、瀏覽和打印。注水監控主畫面如圖6所示。

5 結語

本文研究了西門子S7-300 PLC軟冗余技術，完成了油田集油注水站控制系統的設計，實際應用表明，系統運行穩定可靠，實現了除ET200M上I/O模塊之外的整個系統的完全冗余，達到注水過程全程自動控制的目的，保證了人員安全操作，降低了因故障停機造成的損失，提高了企業的經濟效益。

圖6 注水監控主畫面Fig.6 Water injection monitoring main screen

[1]吳九輔.泵控泵（PCP）自動化注水泵站系統[M].北京：石油工業出版社，2007．

[2]郭萬奎，于寶新.油田注水知識——崗位員工基礎問答[M].北京：石油工業出版社，2007．

[3]中國石油天然氣集團公司人事服務中心.注水泵工（上冊）[M].北京：石油工業出版社，2005.

[4]于寶新，陳剛.油田注水泵站技術常識[M].北京：石油工業出版社，2011．

[5]南新元，陳飛，李泉.S7-300 PLC軟冗余系統性能試驗研究[J].實驗技術與管理，2013，30（6）：17-18.

[6]張鳳西，鄭萍，吳晨，等.PLC冗余控制在超純水控制系統中的應用[J].自動化與儀表，2013，28（11）：45-47.

[7]李福祥，郭利進，李璐.基于S7-300軟冗余的廢次鈉污水處理系統的設計[J].自動化與儀表，2011，26（11）：46-47.

[8]SIEMENS.SIEMENS PLC系統軟件冗余的說明與實現手冊[Z].北京：西門子股份有限公司，2003.