基于EIP協(xié)議的壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 磊 (中石化江漢石油管理局第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

基于EIP協(xié)議的壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 磊 (中石化江漢石油管理局第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

壓裂機(jī)組是一種新型成套設(shè)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(shè)備聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，設(shè)計(jì)了壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場作業(yè)表明，該系統(tǒng)能夠保證作業(yè)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通訊的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠滿足壓裂作業(yè)過程的多種控制模式，使得油田壓裂施工作業(yè)快速、安全。

壓裂機(jī)組；網(wǎng)絡(luò)通訊；控制系統(tǒng)

壓裂作業(yè)是提高油氣井采收率的有效措施之一，廣泛應(yīng)用于油、氣井增產(chǎn)和注水井增注。壓裂作業(yè)所需配備的機(jī)械設(shè)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(shè)備聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)同作業(yè)成為技術(shù)研究要點(diǎn)。為此，筆者根據(jù)壓裂作業(yè)的要求，基于EtherNet/IP(EIP)協(xié)議對壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 EtherNet/IP(EIP)協(xié)議

圖1 EIP協(xié)議架構(gòu)圖

EtherNet/IP(EIP)是一種面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議，由通用工業(yè)協(xié)議CIP(Common Industry Protocols)加上已被廣泛使用的EtherNet和TCP/IP協(xié)議構(gòu)成，與DeviceNet、ControlNet網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的應(yīng)用層、應(yīng)用對象庫和設(shè)備描述，具有較好的一致性[1]。EIP的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示，其利用UDP協(xié)議傳送隱式報(bào)文，將UDP報(bào)文映射到IP多播傳送，實(shí)現(xiàn)高效I/O交換，并利用TCP的流量控制和點(diǎn)對點(diǎn)特性通過TCP通道傳輸顯式報(bào)文。EIP中被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分，一方面提供實(shí)時(shí)I/O通訊，另一方面實(shí)現(xiàn)信息對等傳輸，被廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化中傳輸配置、通訊及診斷等數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)由中央管理系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換設(shè)備、現(xiàn)場控制器及控制終端設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

2.1中央管理系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)用于處理和下達(dá)相關(guān)作業(yè)機(jī)組的操作控制命令，需預(yù)先設(shè)置各類機(jī)組數(shù)據(jù)，包括壓裂機(jī)組作業(yè)的控制和操作數(shù)據(jù)以及混砂車多個(gè)階段的作業(yè)數(shù)據(jù)(從階段1開始逐階段輸入，最多預(yù)存20個(gè)階段的作業(yè)數(shù)據(jù))，具體包括作業(yè)階段號、吸入階段體積、支撐劑起始濃度、支撐劑結(jié)尾濃度、液添起始濃度、液添結(jié)尾濃度、干添起始濃度、干添結(jié)尾濃度、絞龍速比及液位高度等。

2.2工業(yè)以太網(wǎng)交換設(shè)備

該設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率達(dá)100Mbps，作業(yè)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)通信線連接成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、共享以及遠(yuǎn)程訪問，其數(shù)據(jù)處理速度快，動(dòng)作響應(yīng)速度快，從而保證作業(yè)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通訊的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)的安全性。

2.3現(xiàn)場控制器及控制終端設(shè)備

現(xiàn)場控制器用來響應(yīng)通過系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的操作控制命令，并通過控制終端設(shè)備執(zhí)行相關(guān)操作控制命令。

3 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

油田大型壓裂作業(yè)通常需要10～20臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)協(xié)同工作，根據(jù)壓裂作業(yè)點(diǎn)經(jīng)常移動(dòng)的特點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)備之間的通訊時(shí)，需考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性，因而選擇工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，利用EIP和CIP協(xié)議作為通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集、傳輸與遠(yuǎn)程控制。組網(wǎng)方式采用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)2種方式，有線網(wǎng)絡(luò)方式主要采用CAN總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，支持多種工作方式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，因而在惡劣工業(yè)環(huán)境中具有突出優(yōu)勢。無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式采用WiFi無線局域網(wǎng)技術(shù)，其特點(diǎn)在于具備2.4GHz 無線信號，并采用工業(yè)用無線AP加高增益天線提高信號覆蓋范圍，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)及EIP協(xié)議的特性，采取了以下技術(shù)手段提高系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)控制精度：①增加并優(yōu)化主干網(wǎng)的帶寬。利用IGMP Snooping/GMRP 對封包進(jìn)行過濾篩選，確保重要數(shù)據(jù)得到安全實(shí)時(shí)的傳輸。②優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。作業(yè)設(shè)備和現(xiàn)場控制器之間通過CIP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過優(yōu)化程序，平衡相關(guān)數(shù)據(jù)和輔助通訊包的數(shù)量關(guān)系，使網(wǎng)絡(luò)通訊的利用最佳化。③物理網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)。由于作業(yè)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)通信線連接成一個(gè)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，為了避免其中任何一根網(wǎng)絡(luò)線連接中斷時(shí)影響作業(yè)機(jī)組的正常作業(yè)，可以采取雙物理網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)計(jì)方式，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性。經(jīng)測試，環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)愈合時(shí)間在30ms以下，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。④拓?fù)鋬?yōu)化。使用網(wǎng)絡(luò)中VLAN技術(shù)將不需要通訊的節(jié)點(diǎn)單獨(dú)劃分開來，使設(shè)備之間處于虛擬隔離狀態(tài)，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)通訊速度和安全性。

3.2中央管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在開發(fā)中央管理系統(tǒng)時(shí)，要考慮到各類作業(yè)設(shè)備之間不同的操作與控制原理，首先應(yīng)對各類作業(yè)設(shè)備的作業(yè)數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)錄入，并與現(xiàn)場控制器等通訊設(shè)備進(jìn)行集成，以達(dá)到傳輸操作數(shù)據(jù)和收集作業(yè)數(shù)據(jù)的功能，然后根據(jù)各類作業(yè)設(shè)備的特點(diǎn)與功能進(jìn)行功能模塊組件的開發(fā)與設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行各類設(shè)備作業(yè)的靈活配置。同時(shí)利用模塊化、開放式的結(jié)構(gòu)性功能，通過數(shù)據(jù)庫對各類參數(shù)進(jìn)行錄入，使得系統(tǒng)的使用和維護(hù)十分便捷。此外，配置相應(yīng)的過程監(jiān)控軟件，通過圖形化、儀表化的屏幕界面使得作業(yè)現(xiàn)場的操作簡單直觀。中央管理系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

根據(jù)壓裂作業(yè)的要求，基于EIP協(xié)議設(shè)計(jì)了壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)油田實(shí)際作業(yè)中泵控設(shè)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(yè)過程的多種控制模式，使得油田壓裂作業(yè)快速、安全。因此，該系統(tǒng)具有廣闊的市場化應(yīng)用前景。

圖3 中央管理系統(tǒng)工作流程圖

[1]陳在平，楊慧. 開放式工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP協(xié)議研究[J].制造業(yè)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(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制和信息化管理方面的研究工作。