基于PLC的油氣分離中控系統(tǒng)性能檢測系統(tǒng)

趙洪業(yè)，曲 波，高 翔，姜碧波，趙德權(quán)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

海上石油平臺(tái)石油生產(chǎn)過程中，油氣分離的主要任務(wù)是把從油井采出的原油與伴生的天然氣分離開來，液體送至潛油離心泵進(jìn)行二級(jí)分離，其分離過程由中控系統(tǒng)全程監(jiān)控[1-2]。作為海上石油生產(chǎn)的核心，油氣分離過程一旦發(fā)生意外，將造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)及人員損失，且會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害[3-4]。

受海上環(huán)境限制，中控系統(tǒng)作為聯(lián)系海上石油平臺(tái)各部分的中樞，既要持續(xù)監(jiān)控海上油氣田的生產(chǎn)、公用設(shè)備是否正常運(yùn)行，又要對(duì)各種意外事故進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警并且可以通過系統(tǒng)邏輯自動(dòng)處理控制[5]。其運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)系著平臺(tái)工作人員的日常生活及生命安全。但石油平臺(tái)各部分的連接與調(diào)試的工作量很大，如果中控系統(tǒng)發(fā)生故障，必然會(huì)對(duì)石油生產(chǎn)帶來負(fù)面影響[6-7]。然而，海上石油平臺(tái)中控系統(tǒng)的性能檢測技術(shù)尚未成熟，如果不能確保中控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，那么石油生產(chǎn)始終存在安全隱患。

本文針對(duì)上述問題，分析了目前海上石油平臺(tái)對(duì)中控系統(tǒng)過程控制的諸多要求，以2組不同型號(hào)的PLC為基礎(chǔ)，構(gòu)建了基于PLC的油氣分離中控系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)[8]。利用VB編寫OPC的客戶端連接其中1臺(tái)PLC的上位服務(wù)器端，使用WinCC編寫監(jiān)控界面、采用OPC總線及Modbus總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并利用上位客戶端可實(shí)現(xiàn)對(duì)中控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和質(zhì)量判斷，判斷過程無需人工參與，性能測試過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)介紹及通訊實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)介紹

測試系統(tǒng)使用2套PLC對(duì)比，可對(duì)海上石油平臺(tái)油氣分離中控系統(tǒng)進(jìn)行性能測試；采用成熟的工業(yè)控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟硬件，其中包括IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)可擴(kuò)展性好，PLC后臺(tái)運(yùn)行軟件預(yù)留了可擴(kuò)展接口，方便后續(xù)系統(tǒng)的升級(jí)改造[9-11]。測試系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of detection system

建立生產(chǎn)分離器、硅油（淡水）罐、生產(chǎn)加熱器及泵組實(shí)驗(yàn)測試模型。該套實(shí)驗(yàn)演示模型參照海洋石油工程項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用的平臺(tái)生產(chǎn)分離器、硅油（淡水）管、生產(chǎn)加熱器及泵組設(shè)計(jì)，等比例縮小建造。模型中控制系統(tǒng)依據(jù)原始系統(tǒng)的主要控制功能，搭建相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上平臺(tái)中控系統(tǒng)邏輯功能的實(shí)驗(yàn)與測試。

工作人員在客戶端對(duì)系統(tǒng)上位進(jìn)行各種邏輯操作，現(xiàn)場控制信號(hào)的操作和反饋都會(huì)進(jìn)入PLC控制柜，通過Modbus總線及硬接線來實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)及樣本中控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，完成對(duì)中控系統(tǒng)各部分邏輯和功能的測試，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警，以及關(guān)斷等功能。本地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考原有系統(tǒng)的控制工藝要求，主要對(duì)系統(tǒng)中的水泵、閥、溫度、液位、壓力、流量等進(jìn)行控制，控制點(diǎn)大約為200個(gè)。控制系統(tǒng)通過客戶端進(jìn)行控制，主要功能包括監(jiān)控畫面顯示、趨勢(shì)圖顯示、故障報(bào)警等。

本系統(tǒng)使用一種DCS系統(tǒng)與生產(chǎn)仿真模型之間異構(gòu)信息處理方法，利用工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)、Modbus現(xiàn)場總線通訊技術(shù)、MPI通訊方式以及OPC通訊技術(shù)等不同協(xié)議的通訊方式。工業(yè)以太網(wǎng)負(fù)責(zé)DCS系統(tǒng)的工程師站、操作員站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器與DCS系統(tǒng)控制器之間的數(shù)據(jù)交換；Modbus現(xiàn)場總線負(fù)責(zé)DCS系統(tǒng)主控制器與各副控制器之間的數(shù)據(jù)交換；MPI通訊技術(shù)負(fù)責(zé)DCS系統(tǒng)各副控制器與相應(yīng)的OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換；OPC通訊技術(shù)負(fù)責(zé)OPC服務(wù)器與相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真模型之間的數(shù)據(jù)交換。該方法將DCS系統(tǒng)與生產(chǎn)仿真模型通過不同的通訊協(xié)議直接或間接地連接在一起，達(dá)到準(zhǔn)確快速地采集生產(chǎn)仿真模型中的過程數(shù)據(jù)以及將控制器指令傳送至生產(chǎn)仿真模型的目的。

1.2 OPC通信

該海上石油平臺(tái)中控系統(tǒng)性能檢測系統(tǒng)測試平臺(tái)充分滿足“分散控制、集中管理”的重要思想，整體設(shè)計(jì)采用分層式扁平化功能結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)監(jiān)控管理層、現(xiàn)場設(shè)備控制層以及過程數(shù)據(jù)采集層?；赑LC的油氣分離中控系統(tǒng)性能檢測系統(tǒng)測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of system test platform

系統(tǒng)監(jiān)控管理層由工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，用于完成DCS系統(tǒng)開發(fā)以及生產(chǎn)仿真模型過程數(shù)據(jù)監(jiān)控等工作。現(xiàn)場設(shè)備控制層利用現(xiàn)場可編程邏輯控制器作為DCS控制，各控制器之間利用Modbus現(xiàn)場總線構(gòu)成總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該層功能用于實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)方針模型的過程控制任務(wù)以及向系統(tǒng)監(jiān)控管理層發(fā)送生產(chǎn)仿真模型的過程控制數(shù)據(jù)等工作。過程數(shù)據(jù)采集層由OPC服務(wù)器、生產(chǎn)仿真模型組成。生產(chǎn)仿真模型將過程數(shù)據(jù)通過OPCDA規(guī)范傳送至OPC服務(wù)器中，OPC服務(wù)器利用MPI通訊方式將生產(chǎn)仿真模型中的過程數(shù)據(jù)傳送至控制器。同樣控制器控制命令也是通過MPI通訊方式以及OPCDA規(guī)范，經(jīng)過OPC服務(wù)器傳送至生產(chǎn)仿真模型中。該層具體功能將生產(chǎn)仿真模型虛擬儀表的過程數(shù)據(jù)采集到控制器中以及將控制器的控制指令傳送至生產(chǎn)仿真模型的虛擬執(zhí)行結(jié)構(gòu)。

1.3 Modbus通信

本系統(tǒng)主站選用和利時(shí)K系列PLC，從站選用S7-300系列PLC，應(yīng)用CP341進(jìn)行Modbus協(xié)議通信。主站地址選為1，波特率設(shè)置為9.6 k/s。圖3所示為檢測系統(tǒng)與生產(chǎn)仿真模型數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。

圖3 DCS系統(tǒng)與生產(chǎn)仿真模型數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Data exchange network between DCS system and production simulation model

結(jié)合圖2與圖3說明DCS系統(tǒng)與生產(chǎn)仿真模型信息處理方法的工作流程。

生產(chǎn)仿真模型作為OPC客戶端使用，所有的過程控制變量支持OPCDA規(guī)范，可將過程數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至相應(yīng)的OPC服務(wù)器。

利用OPCDA規(guī)范為各個(gè)生產(chǎn)仿真模型配置相應(yīng)的OPC服務(wù)器名稱與IP地址，將所需的過程變量添加到OPC項(xiàng)集合中，通過連接便可實(shí)現(xiàn)各計(jì)算機(jī)仿真模型與相應(yīng)OPC服務(wù)器之間的連接，并可將計(jì)算機(jī)仿真模型中所有過程數(shù)據(jù)同時(shí)寫入相應(yīng)的OPC服務(wù)器中使用。

DCS系統(tǒng)各副控制器作為Modbus現(xiàn)場總線從站節(jié)點(diǎn)，根據(jù)各自所控制的計(jì)算機(jī)仿真模型的過程變量編寫數(shù)據(jù)通訊區(qū)，DCS系統(tǒng)主控制器與相應(yīng)的副控制器保持相同的數(shù)據(jù)通訊區(qū)地址；此外，DCS系統(tǒng)主控制器與各副控制器的現(xiàn)場總線地址不得有重復(fù)。

DCS系統(tǒng)主控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與DCS系統(tǒng)工程師站、各操作員站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器組建成局域網(wǎng)，分別配有不同的IP地址。DCS系統(tǒng)主控制器利用現(xiàn)場總線通訊區(qū)接收各DCS系統(tǒng)副控制器發(fā)送的計(jì)算機(jī)仿真模型的過程數(shù)據(jù)，可通過工業(yè)以太網(wǎng)將計(jì)算機(jī)模型的過程數(shù)據(jù)傳送至DCS系統(tǒng)工程師站、操作員站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器。

上述過程可實(shí)現(xiàn)將計(jì)算機(jī)仿真模型通過不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議逐次傳遞至DCS系統(tǒng)的每個(gè)功能單元；DCS系統(tǒng)工程師站根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真模型提供的工藝要求開發(fā)控制算法，并下載至DCS主、副控制器中，用于DCS系統(tǒng)與生產(chǎn)仿真模型的過程控制研究。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該軟件使用WinCC編程，支持在Windows環(huán)境下運(yùn)行。雙擊軟件圖標(biāo)運(yùn)行軟件，打開登陸界面。在軟件運(yùn)行過程中隨時(shí)可以點(diǎn)擊窗口右上方的關(guān)閉按鈕退出程序。輸入用戶名和密碼并選擇用戶權(quán)限（包括操作員、管理員），然后點(diǎn)擊“登陸”，登陸成功顯示歡迎界面，進(jìn)入系統(tǒng)主界面。

在系統(tǒng)主界面菜單欄中，點(diǎn)擊“系統(tǒng)”按鈕，選擇系統(tǒng)型號(hào)，繼續(xù)后續(xù)操作。或點(diǎn)擊“退出”按鈕結(jié)束程序。選擇連接型號(hào)，進(jìn)入系統(tǒng)連接界面，正確輸入用戶的IP地址之后點(diǎn)擊連接。系統(tǒng)連接成功，在通訊顯示窗口顯示OK及連接成功時(shí)間。之后選擇組態(tài)環(huán)境-回路測試，進(jìn)入下方測試界面，可選擇模擬量測試或數(shù)字量測試。移動(dòng)測試界面中的給定按鈕，給定測試值選擇測試-模擬量測試開始，在該界面中，選擇評(píng)估-模擬量評(píng)估或數(shù)字量評(píng)估，可查看測試評(píng)估結(jié)果，如圖4所示。數(shù)字量測試、評(píng)估同理。

圖4 模擬量測試界面Fig.4 Analog test interface

在測試界面，選擇評(píng)估-實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)入監(jiān)控界面，如圖5所示。在監(jiān)控界面中，用戶可對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且在對(duì)應(yīng)的位置輸入數(shù)值可對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

圖5 監(jiān)控界面Fig.5 Monitoring interface

該軟件系統(tǒng)功能包括支持模擬系統(tǒng)仿真、模擬/數(shù)字量測試、實(shí)時(shí)監(jiān)控、人員培訓(xùn)及過程預(yù)測。為實(shí)際的海上平臺(tái)過程控制系統(tǒng)的升級(jí)、改造、維護(hù)、檢測等作業(yè)提供數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)語

本文針對(duì)海上石油平臺(tái)油氣分離生產(chǎn)中中控系統(tǒng)缺少性能檢測的問題，構(gòu)建了一套基于PLC的油氣分離中控系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)。系統(tǒng)所提供的各種信號(hào)以及信號(hào)的誤差水平，完全和現(xiàn)場進(jìn)入中控室的信號(hào)相同。不僅可用來對(duì)中控系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測，還可進(jìn)行先進(jìn)算法研究、故障診斷等科研方面的作業(yè)并且支持FAT功能。同時(shí)，現(xiàn)場模型所提供的設(shè)備運(yùn)行情況，在DCS控制的情況下，與現(xiàn)場設(shè)備吻合。從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS系統(tǒng)測試以及人員培訓(xùn)的目的。

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