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海上平臺地面設備控制網絡頻發故障，結合各家品牌各類型變頻器的多樣性，研制出對地面控制系統分布式系統，更改原有控制網絡架構，減少上層網絡的計算量和多重監控，建立不同類型變頻器標準控制程序開發，統一多種設備的標準接口，建立機組運行大數據，為設備生命管理周期和故障追溯性提供可靠性。現海上潛油電泵控制系統大多采用“一對一”的變頻地面設備和一套中央控制柜集中監控系統，即一臺變頻柜拖帶一臺井下機組，所有變頻柜通過通訊方式連在一起，將所有機組數據匯總至中央控制柜內，由中央控制柜上的上位機進行集中監控。整個控制網絡中，采用的是西門子的Profibus-DP網絡形式：上層網絡核心以西門子S7-300/400控制器為主，下層分站使用S7-200系列EM277通訊模塊或者含有DP通訊功能的卡件，通過一根DP雙絞線首尾相連，實現現場總線控制模式，并通過調整終端電阻，增加通訊網絡的可靠性和穩定性[1]。隨著各家品牌變頻器進入海油市場，各自控制方式和控制參數的不同，上層控制器內控制應用不同，需要根據各種品牌分門別類采用不同控制內容，造成了現階段地面設備控制系統極其混亂；最重要的是潛油電泵控制系統在使用過程中，經常根據工藝需求增減調整井，進而需要在原有系統上增加或者減少控制分站，需要對當前控制系統頻繁進行調整，附加人員技術水平不足，網絡終端制作工藝不良，以及通訊介質生銹、老化等其他客觀因素，致使整個網絡通訊狀態和通訊質量很不穩定。Profibus-DP網絡中所有設備均在同一個線路上，整個網絡通過一根雙絞線首尾相連，如果分站2和分站3中間發生斷路或者短路，未處于本地操作模式的變頻器3和變頻器4，都有可能發生關停事故，影響機組正常運行。在一次針對老舊平臺的故障統計中，通訊故障占到所有故障類型的46%，有近一半的機組故障停機因素為通訊故障導致，對地面設備的穩定性、采油平臺的整體產量，都造成了一定的影響。

1研究目標方向

鑒于海上潛油電泵機組不允許輕易關停，而總線式的DP通訊網絡又存在著這樣的工藝弊端，通過調整控制形式，由原來上層網絡核心控制器“統一控制”，更改為變頻器本地“分布式控制”，減少上層網絡的計算量，將各項保護功能分散到單井本地任務，由各變頻器本地進行操控邏輯的計算，實現本地即時保護功能；并且，在實現各機組分布式控制的同時，統一各種品牌變頻器的本地控制內容，建立標準的分布式控制程序，實現上層控制系統與分布式之間的規范化和標準化。

1.1主要目標

開發地面控制系統分布式控制模式，改變原有機組保護方式，實現機組運行狀態本地自行監控，減少上層網絡復雜計算和多重保護等，提高變頻設備運行的可靠性和安全性。開發統一的標準分布式控制程序，實現所有機組變頻器控制方式一致，實現中央控制柜上層網絡與每臺變頻器分站通訊內容“同量化”，完成一種兼容大部分類型變頻器的控制程序，預留統一的通訊接口，改善上層網絡的控制方式和控制內容。

1.2主要方向

研究的主要方向如下：（1）當前已經應用變頻器的分布式控制開發，老舊系統升級改造；（2）變頻器標準控制程序的開發，統一通訊接口，推廣實際項目。

2研究內容

2.1研究要點

分布式控制系統的研究，最需要的就是新型的控制網絡，徹底解決設備之間網絡因素的影響，達到一臺分站網絡故障，其他設備完全不受影響，有沒有上層控制網絡，設備均能穩定運行，保質保量保生產。同時，標準分布式控制程序的研究，必須對所有類型變頻器的控制方式進行歸納和統一，在通訊變量和地址上，各型號變頻器同樣參數的通訊地址各不相同，寫入形式也不盡一樣，更存在部分參數并不是所有變頻器全部具備，需要在編寫本地控制程序和人機操作畫面過程中，存在偏差，需要針對不同類型變頻器編制不同版本控制程序。分布式控制網絡的研究，還需要關注變頻器上層網絡控制模式的通訊接口和整個ESP控制系統通訊結構的架構。（1）通訊接口：現行電潛泵變頻器，大多以變頻模塊+對應本地控制器組合為主，原有本地控制器擴展DP通訊模塊實現DP通訊；分布式控制方式，采用功能齊全、性價比高的統一專業控制器，擴展出帶有星形通訊網絡的模塊實現數據傳輸，并加載標準的分布式控制程序，徹底實現機組分站通訊中斷不停機功能。（2）通訊架構：基于星形以太網結構的通訊，各主要控制器廠家都具有自身的獨特性和市場需求的通用性。在通訊性上，各廠家都采用國際通用的MODBUS通訊協議，基本涵蓋了市面上所有儀器、儀表通訊需求。此次網絡優化，整體結構即采用MODBUSTCP/IP形式和協議，中央控制柜內控制器和變頻器本地控制器均實現MODBUSTCP/IP主從通訊即可[2]。

2.2整合當前控制內容

進行老舊系統改造，前提是不能更改原有系統的工藝功能和通訊內容。通過多年現場服務和故障維修經驗，整合當前地面設備控制系統所需工藝功能如表1所示。

2.3新控制程序開發

充分了解各種變頻器現有運行方式，利用增加的本地控制器系統，組建出完善的控制網絡，實現變頻器機組控制本地化，直接、即時、快速的進行機組各項保護，減少上層網絡計算量和監控負擔；同時，改變原有控制網絡架構，破除總線形式通訊方式，分布式控制系統，無網絡干擾因素，將設備通訊故障影響率降為零。以技術路線方針為指導，對三類變頻器進行專項研究，標準化本地控制形式，開發出兼容多類品牌設備，功能齊全、性能可靠的本地控制系統。新控制系統技術路線如下：（1）與各知名品牌控制器進行技術溝通與研究，了解各控制器能夠實現控制方式；（2）選用一種功能較為全面、通訊擴展較好的經濟行控制器為本地控制器[3]；（3）選用一種技術成熟、功能全面的冗余控制系統作為主控制器[4]；（4）使用本地控制器實現變頻機組控制網絡分布式監控；（5）使用主控制器完成與本地控制器之間的分布式網絡架構；（6）通過分布式數字化網絡，實現所有變頻分站的終端可靠保護。對地面設備控制系統進行分布式控制模式研發，針對當前的主要設備類型，進行如下專項研究開發：（1）第Ⅰ類變頻器分布式控制模式開發，以西門子變頻器為代表，原有控制系統不能實現標準MODBUSRTU通訊，其核心控制單元為CU320，整改方案為選用帶有Profibus-DP主站功能的控制器替換，增加以太網方式的上層通訊功能，也可采用另一種方案，替換掉原有的AOP30，本地增加控制器進行USS通訊控制變頻器，再通過以太網與上層網絡通訊。（2）第Ⅱ類變頻器分布式控制模式開發，以施耐德變頻器為代表，原有變頻柜帶有核心控制器，但需要特殊編程進行本地控制，需要專業軟件實現，開發應用標準控制形式替換整改，以常用本地控制器+人機進行邏輯替換，實現相應工藝功能。（3）第Ⅲ類變頻器分布式控制模式開發，是ABB品牌、國產化設備和第三方設備統稱，變頻模塊具備標準MODBUSRTU通訊，以常用本地控制器+人機進行邏輯替換，實現相應工藝功能，各類型變頻器之間的差異，在本地控制器處分布式處理，“同量化”所有通訊內容后，與上層控制網絡標準化通訊。

2.4統一通訊接口

標準化本地控制形式和控制程序，其與上層控制網絡之間的通訊內容“同量化”；上層控制網絡控制程序內容統一，其與第三方（如中控、EMS等）通訊接口也實現了統一。整個地面設備控制系統統一的通訊接口包含：（1）統一各品牌變頻器控制方式；（2）統一本地控制器內部控制功能塊；（3）統一觸摸屏人機界面畫面，實現分布監控統一化；（4）統一上層網絡監控內容，實現多種品牌無差別；（5）統一上層網絡控制器和上位機系統，集中監控規范化。

3項目效益

分布式控制系統研究，對于老舊平臺來說，是迫切解決現場問題的需要，對于新項目來說也是必然要改變的。變頻控制系統設備老舊，頻繁發生網絡通訊故障，現行總線形式網絡架構存工藝應用弊端，急需進行分布式控制改造；控制系統地面設備核心產品為變頻器，實現分布式控制模式，降低機組非正常停機操作，減少平臺產量損失；對于頻繁增加調整井、更換井下機組的平臺，分布式控制網絡拓撲結構的優勢明顯優于原有上層集中監控結構，大大降低網絡因素造成的故障停井幾率；分布式標準控制程序的開發，可使后期服務人員維護及分站擴展十分便捷，節省了近三分之一的人員成本和施工難度。偏小結構平臺或者不具備中央控制柜上層監控系統，分布式控制結構正好可以彌補原有控制內容的缺失，提高機組控制的專業性和可靠性，減少人工勞動簡化操作流程，方便管理和實時監控。帶有分布式控制結構的中央控制柜上層網絡中，具備及其便捷和通用的通訊擴展功能，能夠進行數據遠傳和遠程監控管理，為日后采油平臺實現智能化、無人化提供可靠的數字化基礎。

引用

[1]劉鍇,周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[2]楊更更.Modbus軟件開發實戰指南[M].北京:清華大學出版社,2021:147-164.

[3]西門子中國.S7-200SMART系統手冊V2.2[Z].2016(11):492-516.

[4]施耐德電氣.ModiconM580熱備常用架構系統規劃指南[Z].2017(09):37-72.

作者：史軒瑋 周建新 單位：中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司