人工舉升控制系統控制標準化研究

周建新 史軒瑋

摘 要：通過整合當前人工舉升控制系統的基礎控制功能，結合控制工藝和功能需求，升級控制系統網絡拓撲結構，開發出了一套既兼容老舊系統在用設備升級改造，又適用于新投用設備的ESP控制系統，滿足了人工舉升控制系統智能化、無人化的控制需求，有望成為人工舉升控制系統的行業標準，推廣至整個行業應用。

關鍵詞：人工舉升控制系統;標準化;以太網;同量化;控制標準

中圖分類號：TE355;TP29? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0063-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.017

0? ? 引言

現階段，人工舉升控制系統主要依靠控制地面的變頻器長電纜拖動井下電潛泵旋轉，將低于地面2 000～3 000 m的石油通過油管人工舉升至地面進行儲存使用。近20年來，變頻器廣泛應用，各種不同品牌的變頻器陸續進入海油市場，因專業度和設計角度不同，市場上存在多種通信網絡和控制形式的人工舉升控制系統，甚至同一品牌變頻器，因前期設計工藝不同也存在不同的控制方式，如OTS600變頻器就因有無CI卡、有無DP卡、有無人機界面、高低壓數據不同等，存在多種控制形式的變頻柜。

整個人工舉升控制系統沒有統一的控制標準，變頻器沒有統一的控制形式，對應與平臺中控室、電網電能管理系統（EMS）等的通信參數地址也不具備規范性和統一性，導致每個平臺的控制系統都不一樣，不利于公司統一管理和后期維護服務，更不利于整個平臺的智能化、無人化發展。

1? ? 功能整合

經過對現有所有人工舉升控制系統的控制工藝和控制邏輯進行匯總，對所有類型變頻器的控制程序進行整合分析，對系統內各項功能進行總結和分類如下。

1.1? ? 變頻器基礎功能

主要基礎功能：運行狀態和運行數據顯示功能、機組運行控制狀態輸出功能、外部信號關斷功能、機組運行保護功能、機組參數和變頻模塊參數設置功能、運行數據和歷史故障記錄功能、通信拓展功能。這些功能均為每臺機組必須具備的功能，否則不利于現場實際操作和使用。

1.2? ? 變頻器特殊功能

除基礎功能外，針對一些特殊工藝，變頻器還需要具備一些特殊功能，如三相電流顯示功能、油浸式變壓器關斷保護功能、含氣量較高的“電流模式”、能夠適應室外環境使用的IP56結構。

1.3? ? 中央控制柜功能

中央控制柜作為人工舉升控制系統的上層控制系統，主要功能是實現所有變頻機組的遠程操作和監控，以及匯總記錄機組運行數據和故障歷史數據等。

2? ? 變頻器控制標準化

2.1? ? 通信參數標準化

在整合了現有控制需求和工藝功能后，為了更好地應用和完善工藝功能，開發了一些特殊功能。參考文獻[1]整理了變頻器常用的通信參數地址，去除了個別特殊參數，如表1所示。

以上通信參數內容為人工舉升控制系統常用基礎數據，基本包含了VF模式下通過通信方式需要修改的全部內容，定義為標準的通信參數內容。

在控制標準化中，針對不同品牌、不同型號變頻器，僅需要針對表1中參數地址進行通信讀寫，再通過標準化后的變頻器程序，軟體部分就能直接應用于人工舉升控制系統。

2.2? ? 控制結構標準化

每套地面設備控制系統實現邊緣化控制，人工舉升系統實現分布式控制。

此項標準實質為：在變頻器柜內增加本地控制器和人機界面，本地控制器作為控制核心分別與變頻模塊進行MODBUS RTU通信，與人機界面進行PPI獨立交互通信，與中央控制柜上層網絡進行預期的以太網通信，三者之間不存在任何影響，中央控制柜作為集成監控系統的大腦，遠程監控所有機組變頻器設備，并將必要的數據實時傳遞至中控乃至陸地等更高級的監控系統。

標準控制結構避免了不同類型變頻器各自特殊控制器的編程、調試和使用，減少了類似產品之間的不兼容、不通用情況，也降低了調試人員需要同時掌握不同技術的能力要求。本地控制器采用的是市面上常見的西門子S7-200 smart控制器，編程性能高，價格遠低于各品牌的特殊控制器，如施耐德的Control Inside Card+DP通信卡或ABB品牌的Driver-AP等。

同時，此種結構方式控制核心主要集成在本地控制器內，減輕了上層控制系統的計算負擔，不需要中央控制柜主控制器針對單井進行二次控制邏輯編程計算;更重要的是，整個網絡拓撲結構由原來的總線結構形式轉變為星形結構形式（圖1），單臺設備的網絡故障不會影響整個系統的運行，也不會對其他運行設備造成影響，這樣就適應了現場增減調整井的特殊工藝，大大提高了系統穩定性。

2.3? ? 控制程序標準化

整體程序邏輯按照表2功能塊進行編程[2]。

同量化：不同類型變頻器通信讀寫數據經過控制程序轉換后，最終變成同一參數同一個變量地址。

其中，序號2、序號4需要按照不同類型變頻器通信參數實際情況進行類型區分，最終規劃成同一參數同一變量地址;序號3和序號5僅需要對不同類型變頻器進行不同輪詢參數地址賦值，而賦值變量可以引至觸摸屏上寫入，對于不同類型變頻器此部分程序沒有任何變化;序號1、序號6為標準控制邏輯，與變頻器類型無關，不需要任何修改。

即整個核心程序針對不同變頻器僅序號2和序號4需要處理，其他功能邏輯不需要任何變化，即使是新增一種類型變頻器，也僅需對序號2和序號4進行修改、校對，輪詢參數地址重新賦值，不再需要其他關鍵邏輯處理。

2.4? ? 操作畫面標準化

人機界面與本地控制器進行PPI通信，本地控制器控制程序標準化后，與外部通信變量“同量化”處理，變量地址確定，人機界面讀寫控制器內地址相同，使觸摸屏對于任何類型變頻器的操作可以為同一版畫面。主要畫面內容如表3所示。

針對不同類型變頻器，只需在“系統調試”內設置不同輪詢地址，其他畫面不需要任何修改。

3? ? 上層控制標準化

在實現變頻器本地控制標準化后，各個控制分站與上層控制之間的通信內容基本固定，即使是不同類型變頻器，經過“同量化”后，傳遞數據也完全一致，這就提供了上層控制系統可以標準化的基礎。

3.1? ? 主控制器程序標準化

將所有程序邏輯區分定義為系統功能塊、工藝功能塊和通信功能塊三部分。

（1）系統功能塊：主要為控制程序的初始化功能，對內部變量、過程變量以及部分中間變量進行初始化，實現準備就緒、待命狀態等。

（2）工藝功能塊：主要是對變頻器分站進行工藝控制，按照本地控制器的標準控制邏輯擴展，實現遠程監視和控制各個分站，所有分站程序為同一個標準功能塊，針對不同分站的IO地址進行邏輯控制。

（3）通信功能塊：主要針對的是電潛泵控制系統與第三方，如平臺中控室、EMS或者井下工況數據進行通信，可根據現場實際工藝來開通或者關閉相應功能。

3.2? ? 監控畫面標準化

監控畫面主要為上層控制系統的人機交互界面，顯示各個機組分站當前狀態和運行數值，儲存歷史數據和故障報警記錄等。在主控制器程序標準化后，按照結構變量形式定義變量，組態畫面也按照結構畫面形式顯示，只需進行簡單的變量關聯，就可完成所有分站畫面的組態，占用系統資源少、組態畫面簡單、控制邏輯清晰、Bug修復快捷、容錯率較高，相對優勢非常大。同時，取消原有的參數設置畫面及相應控制邏輯，減少了不必要的煩瑣程序，使命令判斷更準確，設備運行也更穩定。

3.3? ? 第三方通信標準化

電潛泵控制系統與第三方的通信，主要包含與平臺中控室、電網電能管理系統（EMS）和井下工況系統之間的通信，主要內容和功能如表4所示。

與第三方通信的標準化，規范了整個系統的對外接口，提升了系統的兼容性，使系統更加穩定的同時，還提高了系統后期維護的便捷性。

4? ? 結語

當前，我國潛油電泵系統控制標準尚屬于空白階段，還沒有制訂出完整的行業標準，急需統一控制形式和控制內容，建立一套要求嚴格、實際可行的控制標準，以監督和規范海上鉆井平臺特殊工藝合格產品的應用。

[參考文獻]

[1] 施耐德電氣.ATV71 COMMUNICATION MANUAL[Z]，2005.

[2] 西門子中國.S7-200 SMART系統手冊V2.2[Z]，2016.

收稿日期：2022-01-10

作者簡介：周建新（1982—），男，遼寧凌源人，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工作。