潛油電泵控制系統新型上位機可應用性探究

史軒瑋 周建新 陳柯臣 劉攀

摘要：介紹了潛油電泵控制系統常規上位機的結構功能和新型上位機特征屬性，并通過實際應用情況驗證了新型上位機的實際可應用性，可以為地面設備控制系統降本增效提供一定的參考。

關鍵詞：潛油電泵控制系統;上位機;一體機;分體式;HMI

中圖分類號：TE933;TP273? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0033-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.009

0? ? 引言

現階段，國內潛油平臺潛油電泵控制系統（ESP）大多以一臺變頻器拖帶一臺井下機組的方式為主，所有變頻器安裝在同一個潛油電泵控制間，由一臺中央控制柜集中監控，而中央控制柜內的上位機就成為整個系統集中、統一的人機操控界面。

潛油平臺上位機從使用至今，鑒于海上潮濕、鹽霧的工業環境，一般均采用工業級的計算機，可以是主機和顯示器的組合，也可以是主機、顯示器集成的一體機。為了便于安裝和維護，ESP系統一直采用一體機的形式，安裝Windows操作系統和專業監控軟件后，長期處于運行不停機的狀態。

隨著操作系統和監控軟件版本的逐漸更新，潛油平臺上位機經歷了早期的Win2000系統的研華工控機、Win7系統的西門子IPC677B和IPC677C，以及現在普遍使用的Win10系統的IPC677D的迭代過程。為了與中央控制柜內ESP系統主控制器進行通信，監控軟件也一直跟隨系統版本在不斷更新、變化，因主控制器采用的是西門子S7-300/400系列PLC，監控軟件也從早期的WinCC V6.0升級到現在的WinCC V7.3[1]。

但WinCC軟件在版本的兼容性、更新換代的頻次、對操作系統的嚴格要求以及整個安裝文件的超級大容量等方面都十分麻煩，不利于相同工程項目文件的挪用和移植，尤其是隨著ESP系統分布式控制方式的實施，中央控制柜的負荷量逐漸減小，上位機所需要的功能逐漸簡單、明了。考慮到產業降本增效的需求，隨著各種新型工控產品逐漸發展成熟，原有價格昂貴的工業一體機將逐漸被取代。

1? ? 上位機應用功能

上位機作為中央控制柜內核心器件，負責整個ESP系統所有潛油電泵井下機組的集中監控部分，具體應用功能如表1所示。

具體功能細節如下：

（1）功能1和功能2：上位機具備和主控制器通信功能，現有主控制器一般為西門子S7-300/400控制器，其與上位機通信方式可采用Profibus-DP或以太網協議，實際應用中采用的是DP通信方式。主控制器、上位機和所有變頻器從站以及網絡擴展通信模塊，均通過西門子紫色DP通信電纜，采用總線方式首尾相連起來。DP從站將變頻器當前運行數據通過通信傳遞至主控制器內，上位機讀取主控制器數據進行顯示;同時上位機畫面操控主控制器內地址，通過主控制器內相關控制程序直接控制本地變頻器運轉，即實現遠程操控機組功能。

（2）功能3、功能4、功能5：上位機監控系統需具備數據庫功能，將采集上來的從站變頻器數據進行存儲記錄，再通過監控軟件本身特殊插件讀取數據庫進行曲線繪制，進而顯示每臺機組運行的歷史記錄;針對特殊要求變量，如故障報警實現觸發記錄功能，形成機組故障歷史記錄，同時保存為內部數據庫數據進行長期保存;數據庫內數據按照工藝需求一般保留一年，數據按照循環錄入形式記錄，并能夠按照時間歸檔后導出，導出格式Excel或Text文檔不限。

上位機除以上功能外，一般具備觸屏操控模式，便于現場操作人員直接操作。

2? ? 新型上位機

在具備上述上位機基本功能的前提下，為了追求低成本，可以考慮采用如下兩種方式替換。

2.1? ? 普通工控機

2.1.1? ? 替換思路

采用主機箱和顯示器分體結構模式替換一體機形式，如圖2所示。

分體結構工控機，除在結構安裝上和觸屏操作方式不同外，其既具有基礎功能，又不失性能。當然，兩者具有一定的差異。

以戴爾OptiPlex 7060為例，其與西門子IPC677D的性能數據對比如表2所示。

分體式工控機不具備特殊工業通信卡件，需單獨購買。不過隨著控制方式的簡易變更，上位機如果采用工業以太網方式和主控制器進行通信，普通工控機也可以直接實現。

然而，普通工控機的顯示器為坐立式或壁掛式，無法進行面板式安裝，不能按照常規方式安裝在中央控制柜柜門上，且顯示器為非觸屏式，需配合鍵盤和鼠標進行操作，同時也需要外加透明面板（如亞克力面板）進行防水防塵保護。

2.1.2? ? 項目應用

在秦皇島某平臺一鍵降頻項目中，平臺中控新增一鍵降頻上位機基于原有上位機進行通信和程序升級，低成本、高效率地實現了中控遠程一鍵降頻、調頻功能，可以在生產流程壓力較大時，在短時間內對任意選定的多臺變頻器直接進行遠程降頻。

該項目要求在中控室增加一臺上位機實現ESP系統遠程操控，從控制原理和實現方式出發，又考慮到中控室應用環境，自行設計采用了分體結構的普通工控機實現功能，既滿足了現場實際控制需求，又大大降低了產品成本，提升了項目利潤。

2.2? ? 大型觸摸屏

2.2.1? ? 替換思路

采用新型大尺寸觸摸屏替換一體機，如圖3所示。

隨著工業迅速發展，觸摸屏產品發生了很大變化，尺寸可以大至15寸，與普通工控機外觀大小基本一樣，可以實現262K真彩、1 920×1 080分辨率，與常規工控機不相上下。

以昆侖通態的TPC1571大型HMI為例，其與西門子IPC677D的性能數據對比如表3所示。

從核心數據看，TPC1571確實不如IPC677D，兩者完全屬于兩類產品，存在著本質的區別，但從性價比綜合考慮，在滿足常規基礎功能的前提下，一臺IPC成本在2.5萬元左右，而一臺HMI成本還不到1萬元，價格上完全優于IPC。而且出于整體項目考慮，大型HMI可以按照原有結構面板式安裝到柜門上，無論是從新建平臺項目還是老舊改造項目考慮，均具備一定的可替換性。

2.2.2? ? 項目應用

在秦皇島某平臺擴建項目中，平臺新增一個潛油電泵控制間，設備數量較少，不參與原有潛油電泵控制系統，新增中央控制柜功能需求不多，操作頻次不高;在不改變主控制器的前提下，自行設計采用大型HMI觸摸屏替代原有工控機，重新開發了上位監控系統，滿足原有上位機所有常規功能需求，已經持續穩定運行近一年。

3? ? 總結與展望

以上兩種新型上位機替換項目應用，從滿足基本功能需求出發，考慮實際經濟效益情況，相關信息如表4所示。

隨著潛油電泵控制系統逐漸標準化和智能化，中央控制柜的功能也正趨近于整個系統數據的傳輸和存儲。為了便于操作人員的日常操作和整個系統的優化，人機界面功能逐漸簡單和清晰，其結構性能也就沒必要完全覆蓋所有工控需求，上位機也可以簡單化實現。而且當前科技產品逐漸發展成熟，各類跨界產品界線逐漸模糊，在追求高性能、低成本的信息時代，原有上位機一成不變的現狀將被改變。

[參考文獻]

[1] 朱建軍.監控組態軟件WinCC應用教程[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2] 朱益江.MCGS工控組態技術及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2017.

收稿日期：2021-10-08

作者簡介：史軒瑋（1981—），男，天津人，工程師，從事潛油平臺地面設備調試、故障處理及升級改造技術支持工作。