潛油電泵控制系統(tǒng)新型上位機可應用性探究

史軒瑋 周建新 陳柯臣 劉攀

摘要：介紹了潛油電泵控制系統(tǒng)常規(guī)上位機的結(jié)構(gòu)功能和新型上位機特征屬性，并通過實際應用情況驗證了新型上位機的實際可應用性，可以為地面設(shè)備控制系統(tǒng)降本增效提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：潛油電泵控制系統(tǒng);上位機;一體機;分體式;HMI

中圖分類號：TE933;TP273? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0033-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.009

0? ? 引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)潛油平臺潛油電泵控制系統(tǒng)（ESP）大多以一臺變頻器拖帶一臺井下機組的方式為主，所有變頻器安裝在同一個潛油電泵控制間，由一臺中央控制柜集中監(jiān)控，而中央控制柜內(nèi)的上位機就成為整個系統(tǒng)集中、統(tǒng)一的人機操控界面。

潛油平臺上位機從使用至今，鑒于海上潮濕、鹽霧的工業(yè)環(huán)境，一般均采用工業(yè)級的計算機，可以是主機和顯示器的組合，也可以是主機、顯示器集成的一體機。為了便于安裝和維護，ESP系統(tǒng)一直采用一體機的形式，安裝Windows操作系統(tǒng)和專業(yè)監(jiān)控軟件后，長期處于運行不停機的狀態(tài)。

隨著操作系統(tǒng)和監(jiān)控軟件版本的逐漸更新，潛油平臺上位機經(jīng)歷了早期的Win2000系統(tǒng)的研華工控機、Win7系統(tǒng)的西門子IPC677B和IPC677C，以及現(xiàn)在普遍使用的Win10系統(tǒng)的IPC677D的迭代過程。為了與中央控制柜內(nèi)ESP系統(tǒng)主控制器進行通信，監(jiān)控軟件也一直跟隨系統(tǒng)版本在不斷更新、變化，因主控制器采用的是西門子S7-300/400系列PLC，監(jiān)控軟件也從早期的WinCC V6.0升級到現(xiàn)在的WinCC V7.3[1]。

但WinCC軟件在版本的兼容性、更新?lián)Q代的頻次、對操作系統(tǒng)的嚴格要求以及整個安裝文件的超級大容量等方面都十分麻煩，不利于相同工程項目文件的挪用和移植，尤其是隨著ESP系統(tǒng)分布式控制方式的實施，中央控制柜的負荷量逐漸減小，上位機所需要的功能逐漸簡單、明了?？紤]到產(chǎn)業(yè)降本增效的需求，隨著各種新型工控產(chǎn)品逐漸發(fā)展成熟，原有價格昂貴的工業(yè)一體機將逐漸被取代。

1? ? 上位機應用功能

上位機作為中央控制柜內(nèi)核心器件，負責整個ESP系統(tǒng)所有潛油電泵井下機組的集中監(jiān)控部分，具體應用功能如表1所示。

具體功能細節(jié)如下：

（1）功能1和功能2：上位機具備和主控制器通信功能，現(xiàn)有主控制器一般為西門子S7-300/400控制器，其與上位機通信方式可采用Profibus-DP或以太網(wǎng)協(xié)議，實際應用中采用的是DP通信方式。主控制器、上位機和所有變頻器從站以及網(wǎng)絡(luò)擴展通信模塊，均通過西門子紫色DP通信電纜，采用總線方式首尾相連起來。DP從站將變頻器當前運行數(shù)據(jù)通過通信傳遞至主控制器內(nèi)，上位機讀取主控制器數(shù)據(jù)進行顯示;同時上位機畫面操控主控制器內(nèi)地址，通過主控制器內(nèi)相關(guān)控制程序直接控制本地變頻器運轉(zhuǎn)，即實現(xiàn)遠程操控機組功能。

（2）功能3、功能4、功能5：上位機監(jiān)控系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)庫功能，將采集上來的從站變頻器數(shù)據(jù)進行存儲記錄，再通過監(jiān)控軟件本身特殊插件讀取數(shù)據(jù)庫進行曲線繪制，進而顯示每臺機組運行的歷史記錄;針對特殊要求變量，如故障報警實現(xiàn)觸發(fā)記錄功能，形成機組故障歷史記錄，同時保存為內(nèi)部數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行長期保存;數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)按照工藝需求一般保留一年，數(shù)據(jù)按照循環(huán)錄入形式記錄，并能夠按照時間歸檔后導出，導出格式Excel或Text文檔不限。

上位機除以上功能外，一般具備觸屏操控模式，便于現(xiàn)場操作人員直接操作。

2? ? 新型上位機

在具備上述上位機基本功能的前提下，為了追求低成本，可以考慮采用如下兩種方式替換。

2.1? ? 普通工控機

2.1.1? ? 替換思路

采用主機箱和顯示器分體結(jié)構(gòu)模式替換一體機形式，如圖2所示。

分體結(jié)構(gòu)工控機，除在結(jié)構(gòu)安裝上和觸屏操作方式不同外，其既具有基礎(chǔ)功能，又不失性能。當然，兩者具有一定的差異。

以戴爾OptiPlex 7060為例，其與西門子IPC677D的性能數(shù)據(jù)對比如表2所示。

分體式工控機不具備特殊工業(yè)通信卡件，需單獨購買。不過隨著控制方式的簡易變更，上位機如果采用工業(yè)以太網(wǎng)方式和主控制器進行通信，普通工控機也可以直接實現(xiàn)。

然而，普通工控機的顯示器為坐立式或壁掛式，無法進行面板式安裝，不能按照常規(guī)方式安裝在中央控制柜柜門上，且顯示器為非觸屏式，需配合鍵盤和鼠標進行操作，同時也需要外加透明面板（如亞克力面板）進行防水防塵保護。

2.1.2? ? 項目應用

在秦皇島某平臺一鍵降頻項目中，平臺中控新增一鍵降頻上位機基于原有上位機進行通信和程序升級，低成本、高效率地實現(xiàn)了中控遠程一鍵降頻、調(diào)頻功能，可以在生產(chǎn)流程壓力較大時，在短時間內(nèi)對任意選定的多臺變頻器直接進行遠程降頻。

該項目要求在中控室增加一臺上位機實現(xiàn)ESP系統(tǒng)遠程操控，從控制原理和實現(xiàn)方式出發(fā)，又考慮到中控室應用環(huán)境，自行設(shè)計采用了分體結(jié)構(gòu)的普通工控機實現(xiàn)功能，既滿足了現(xiàn)場實際控制需求，又大大降低了產(chǎn)品成本，提升了項目利潤。

2.2? ? 大型觸摸屏

2.2.1? ? 替換思路

采用新型大尺寸觸摸屏替換一體機，如圖3所示。

隨著工業(yè)迅速發(fā)展，觸摸屏產(chǎn)品發(fā)生了很大變化，尺寸可以大至15寸，與普通工控機外觀大小基本一樣，可以實現(xiàn)262K真彩、1 920×1 080分辨率，與常規(guī)工控機不相上下。

以昆侖通態(tài)的TPC1571大型HMI為例，其與西門子IPC677D的性能數(shù)據(jù)對比如表3所示。

從核心數(shù)據(jù)看，TPC1571確實不如IPC677D，兩者完全屬于兩類產(chǎn)品，存在著本質(zhì)的區(qū)別，但從性價比綜合考慮，在滿足常規(guī)基礎(chǔ)功能的前提下，一臺IPC成本在2.5萬元左右，而一臺HMI成本還不到1萬元，價格上完全優(yōu)于IPC。而且出于整體項目考慮，大型HMI可以按照原有結(jié)構(gòu)面板式安裝到柜門上，無論是從新建平臺項目還是老舊改造項目考慮，均具備一定的可替換性。

2.2.2? ? 項目應用

在秦皇島某平臺擴建項目中，平臺新增一個潛油電泵控制間，設(shè)備數(shù)量較少，不參與原有潛油電泵控制系統(tǒng)，新增中央控制柜功能需求不多，操作頻次不高;在不改變主控制器的前提下，自行設(shè)計采用大型HMI觸摸屏替代原有工控機，重新開發(fā)了上位監(jiān)控系統(tǒng)，滿足原有上位機所有常規(guī)功能需求，已經(jīng)持續(xù)穩(wěn)定運行近一年。

3? ? 總結(jié)與展望

以上兩種新型上位機替換項目應用，從滿足基本功能需求出發(fā)，考慮實際經(jīng)濟效益情況，相關(guān)信息如表4所示。

隨著潛油電泵控制系統(tǒng)逐漸標準化和智能化，中央控制柜的功能也正趨近于整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。為了便于操作人員的日常操作和整個系統(tǒng)的優(yōu)化，人機界面功能逐漸簡單和清晰，其結(jié)構(gòu)性能也就沒必要完全覆蓋所有工控需求，上位機也可以簡單化實現(xiàn)。而且當前科技產(chǎn)品逐漸發(fā)展成熟，各類跨界產(chǎn)品界線逐漸模糊，在追求高性能、低成本的信息時代，原有上位機一成不變的現(xiàn)狀將被改變。

[參考文獻]

[1] 朱建軍.監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC應用教程[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2] 朱益江.MCGS工控組態(tài)技術(shù)及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2017.

收稿日期：2021-10-08

作者簡介：史軒瑋（1981—），男，天津人，工程師，從事潛油平臺地面設(shè)備調(diào)試、故障處理及升級改造技術(shù)支持工作。