深海油氣田水下控制器的設計開發(fā)

郝亞沖 程武山 張鵬舉 饒 斌

(1.上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 201900)

隨著海洋油氣田開發(fā)不斷向深海推進，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)也已發(fā)展成具有直接液壓、先導液壓、順序液壓、直接電液、復合電液及全電氣等多種控制模式，其中復合電液控制技術是現(xiàn)階段具有明顯優(yōu)勢并被廣泛應用的成熟技術[1]。深海油氣田水下控制器是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心，但是目前國內(nèi)尚無這方面的成熟產(chǎn)品。因此，深海油氣田水下控制器的國產(chǎn)化研制已經(jīng)成為我國發(fā)展水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)進程中必須盡快解決的重要課題。

筆者設計了一種深海油氣田水下控制器，給出了深海油氣田水下控制器自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構、硬件結構、軟件流程以及基于電力載波的通信方案，并結合KingVIEW軟件設計了人機交互界面。

1 深海油氣田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)①

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是深海油氣田采集油氣的必備裝置，主要由主控站(MCS)、供電單元、臍帶纜、水下臍帶纜終端單元、水下控制模塊(SCM)及采油樹等部分組成，如圖1所示。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)在整個深海油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中的作用至關重要，整體架構決定了整個控制系統(tǒng)的性能[2]。水下控制系統(tǒng)包括水上部分和水下兩部分，水上平臺設置有主控制系統(tǒng)(MCS)監(jiān)控水下生產(chǎn)；水下井口設置有采油樹和水下控制模塊(SCM)，其中水下控制模塊控制采油樹執(zhí)行生產(chǎn)操作和安全關斷，并完成采油樹各回路的溫度、壓力及沙粒沖蝕等傳感信號的采集，實現(xiàn)對各回路生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)控，并實時將數(shù)據(jù)通過電力載波傳送到水上平臺的主控制系統(tǒng)[3]。采油樹儀器儀表的數(shù)據(jù)量較大，需要較高的帶寬和傳輸速度，而且要實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)從水下到水上的傳輸，基于電力載波的通信方式即可滿足要求[4]。

圖1 深海油氣田采集水下生產(chǎn)系統(tǒng)的組成框圖

2 水下控制模塊

水下控制模塊是連接水面平臺與水下采油系統(tǒng)的關鍵裝置，按照預先設定的邏輯對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行控制，確保油氣采集生產(chǎn)安全可控地進行；同時，還擔負著水下監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳遞與中轉任務。采油樹是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分，通過控制采油樹管線上的閥門，來控制整個采油系統(tǒng)的流程，主要包括生產(chǎn)主回路、環(huán)空回路和藥劑注入回路三大部分。其主要功能是：接收SCM發(fā)出的信號，開關閥門，通斷油路，檢測SCM按照主控站指令發(fā)出控制命令；向SCM提供溫度和壓力信號并記錄，檢測SCM對溫度和壓力信號的接收和傳輸能力。

2.1 整體架構

水下控制模塊設計為模塊化，用以實現(xiàn)對主控站MCS的命令進行傳遞、解釋和執(zhí)行，對所采集的傳感器數(shù)據(jù)和各種反饋數(shù)據(jù)進行處理和傳輸，系統(tǒng)主要由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電磁閥驅動模塊、電源管理系統(tǒng)、動力線載波系統(tǒng)和主控系統(tǒng)組成。本項目對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程進行研究，確定水下控制器的控制模式，當切換到本地控制模式時，可以實現(xiàn)本地手動操作；當切換到遠程控制模式，即可進行主控站的遠程操作。針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)設計了水下控制模塊(SCM)，其中PLC作為控制核心，實現(xiàn)邏輯控制、運行監(jiān)視及故障報警等功能[5]。水下控制模塊SCM通過采集各類傳感器信息監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運行。水下控制模塊SCM的硬件架構如圖2所示。

圖2 SCM硬件架構示意圖

2.2 功能實現(xiàn)

筆者設計的水下控制器利用程序實現(xiàn)有效功能，模擬現(xiàn)場設備的運行情況、實際生產(chǎn)運作狀態(tài)并及時根據(jù)現(xiàn)場工況做出調整[6]，主要功能有：水下控制器以PLC作為控制核心，實現(xiàn)邏輯控制、運行監(jiān)視和故障報警；SCM通過采集各類傳感器的信息來監(jiān)測生產(chǎn)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)深海油氣田生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控；控制水下采油樹和生產(chǎn)管匯上調節(jié)閥的開度，實現(xiàn)對生產(chǎn)管匯內(nèi)流量的控制；按照預先設定的自動控制程序對水下設備進行控制，在自動控制模式，可以控制采油樹閥門按照逆料流流程啟動，并進行生產(chǎn)；監(jiān)測水下設備的工作狀態(tài)，并將相關信息傳送至水面控制室；在水下設備發(fā)生異常時發(fā)出報警信號。

電子處理部分是水下控制器的核心部分，可以對主控站的命令進行傳輸、解釋和執(zhí)行，同時對所采集的傳感器數(shù)據(jù)和各種反饋數(shù)據(jù)進行處理和傳輸；再由平臺分析處理實時反饋的數(shù)據(jù)，預測生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷，使整個控制系統(tǒng)構成一個完備的閉環(huán)系統(tǒng)[7，8]。SCM的功能框圖如圖3所示。

圖3 SCM的功能框圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

SCM能夠采集井下、生產(chǎn)通道和環(huán)空通道的溫度、壓力及流量等傳感器數(shù)據(jù)，傳感信號需要經(jīng)過信號放大器和低通濾波器濾除高頻噪聲干擾，再經(jīng)過A/D轉換，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并且對信號進行處理；再對數(shù)字信號進行編碼調制，將其疊加在電力載波上，最終將數(shù)據(jù)傳送至主控站MCS，主控站MCS對信號進行解調后即可獲得傳感器的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

由于該水下生產(chǎn)系統(tǒng)的模擬量輸入共有7路，其中壓力傳感器(PTT1主生產(chǎn)回路壓力、PT3環(huán)空回路壓力)和溫度傳感器(PTT1主生產(chǎn)回路溫度、PT3環(huán)空回路溫度)各兩個，流量計3個(WGFM生產(chǎn)回路產(chǎn)量、乙二醇注入量和阻垢劑注入量)。該水下控制器以數(shù)字量控制為主，并有大量模擬量采集信號，如溫度、壓力及流量等連續(xù)量的采集，故選用帶有A/D轉換的模擬量輸入模塊。綜合生產(chǎn)工藝等要求，選擇模擬量輸入模塊EM231，4路12位模擬量輸入模塊，輸入電流0～20mA。

2.4 電動閥的驅動與控制

SCM對采油樹閥門采用一級控制，直接控制電動閥通斷。當SCM接收到平臺對采油樹閥門促發(fā)的控制信號，SCM迅速響應，立即促發(fā)電動閥得電，打開閥門[9]。采油樹電動閥的控制分為手動和自動兩種控制模式，可以分別進行機旁手動控制和遠程上位機控制，驅動電路如圖5所示。當切換開關切換到手動控制擋時，便可在機旁操作箱進行手動操作，按下啟動按鈕后中間繼電器線圈得電，常開觸點閉合，電動閥得電打開。當切換到自動控制模式時，在上位機界面進行控制，SCM的數(shù)字量輸出點輸出，同樣中間繼電器線圈得電，電動閥打開。

圖5 電動閥驅動電路

2.5 調節(jié)閥的驅動與控制

為了實現(xiàn)SCM對采油樹的主回路調節(jié)閥、阻垢劑調節(jié)閥和乙二醇調節(jié)閥的控制，滿足模擬量輸出要求，選用EM232模塊，該模塊為兩路12位模擬量輸出模塊，其輸出電壓±10V，電壓分辨率12位，實現(xiàn)SCM對調節(jié)閥的有效控制，從而有效控制水下生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量。

SCM的CPU配合EM232模塊進行模擬量的輸出工作，可分別在手動和自動控制兩種模式下把輸出信號經(jīng)轉換和隔離送到調節(jié)閥，最終達到控制流量的目的[10]。同時與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，把調節(jié)閥的實際輸出值和所處的運行狀態(tài)輸入上位機。上位機除了接收SCM的信號外，同時向SCM發(fā)出控制參數(shù)，如調節(jié)參數(shù)的修改及給定值的設定等。

2.6 外部通信與執(zhí)行

電力載波通信選用LXZB-T02/220/04型電力線載波機，該載波機獨有的糾錯技術提高了通信的可靠性，RS232/485數(shù)據(jù)接口可實現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。利用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，這些核心技術明顯地改善了接收能力，提高了通信的可靠性，能夠在有強噪聲干擾的低壓配電線上實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，滿足低壓電力監(jiān)控設備通過電力線進行數(shù)據(jù)通信的需要[11]。水下控制器與數(shù)據(jù)控制中心電力載波的通信如圖6所示。

圖6 水下控制器與電力載波的通信

數(shù)據(jù)控制中心的上位機串口符合RS232標準協(xié)議，為實現(xiàn)上位機和主站的通信必須進行協(xié)議轉換，利用PC/PPI電纜連接兩者。由于KingVIEW有豐富的底層驅動，與主站PLC的通信方式采用PPI協(xié)議，并同時完成協(xié)議轉換的任務。S7-200PLC內(nèi)部集成的PPI接口的物理特性為RS485，可在多種模式下工作，其中自由口通信方式是S7-200 PLC的一個很有特色的功能，它可以與任何協(xié)議公開地與其他設備及控制器等進行通信。本項目中，主站PLC通過載波與SCM就采用自由口模式進行通信，該電力載波是透明傳輸。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸[12]。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 監(jiān)控界面

通過對監(jiān)控系統(tǒng)的要求及其所要實現(xiàn)功能的分析，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用KingVIEW設計監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。KingVIEW6.55提供了豐富且簡捷易用的配置界面，還有大量的圖形元素和圖庫精靈，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，動態(tài)地在上位機界面顯示各變量的變化，并附有調節(jié)界面和各參數(shù)的變化曲線。同時具有報警窗口及實時趨勢曲線等，可方便地生成各種報表。筆者設計的水下生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上位機的主界面如圖7所示。

圖7 水下生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上位機主界面

水下控制器的自動控制流程如圖8所示，將所有下游設備的反饋信息的組合邏輯作為啟動條件，將所有上游設備的故障信息和運行狀態(tài)的組合邏輯作為各閥門的停止條件。在自動工作模式中，可以按不同工藝需要，分析動作及其順序，按照設定的自動控制流程逆料流自動打開各個閥門，設定各個回路調節(jié)閥的開度，系統(tǒng)進入正常生產(chǎn)狀態(tài)，水下控制器實時監(jiān)測水下設備的工作狀態(tài)，并在溫度及壓力等參數(shù)超限時進行報警。

圖8 水下控制器的自動控制流程

3.2 實時數(shù)據(jù)庫管理技術

實時數(shù)據(jù)庫建立在監(jiān)控中心的軟硬件基礎上，根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫的性質以及實時數(shù)據(jù)在使用方式上的特點設計其結構和功能。利用KingVIEW及其二次開發(fā)功能建立實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的生成、查詢、更新，以及其他任務對實時數(shù)據(jù)庫的實時請求及報警響應等操作。管理程序采用模塊化結構，如初始化模塊、對象查找模塊、內(nèi)容修改更新模塊、報警模塊及記錄模塊等。數(shù)據(jù)管理與通信如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)管理與通信框圖

4 結束語

水下控制器是海洋油氣勘探開發(fā)的關鍵設備，作為水下生產(chǎn)設備的重要組成部分，它承擔著安全有效控制水下生產(chǎn)系統(tǒng)、保證水下油氣田安全運行的重任。筆者通過分析當前水下控制器的研究現(xiàn)狀，以S7-200 PLC為核心開發(fā)了水下控制模塊，較好地完成了水下生產(chǎn)控制功能，對實現(xiàn)深水鉆井裝備系統(tǒng)國產(chǎn)化，推動我國海洋油氣鉆采裝備進入快速發(fā)展具有重要意義。該系統(tǒng)還采用了特殊的電力線載波技術傳輸數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的安全性，而且其通信設備的部署更加靈活。深海油氣田水下控制系統(tǒng)具有指向明確的市場用戶，應用空間廣闊，開發(fā)前景樂觀，其社會效益和經(jīng)濟收益比較明顯。

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