關于油田工業(yè)自動化PLC控制的應用及研究分析

傅柏人 楊文偉 朱孟偉 劉國川 岳韻衡

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 四川省成都市 670051）

油田工業(yè)的自動化發(fā)展是其基本趨勢，各類管理工作、各管理環(huán)節(jié)，大多可借助自動化技術提升工作水平、管理質(zhì)量。PLC 邏輯控制系統(tǒng)的應用，可以進一步提升油田工業(yè)自動化水平，使其以清晰、簡明的控制方法完成完成操控和管理，對于提升作業(yè)安全性、精準性具有突出價值。PLC 控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，通用性強、可靠性高，且能應對一般干擾，得到各領域管理工作的廣泛青睞[1]。就其在油田工業(yè)自動化中的應用價值、方法以及趨勢進行分析，有助于技術的進一步運用，也能提升相關管理工作質(zhì)量，價值突出。

1 油田工業(yè)自動化PLC控制的價值

1.1 提升控制能力

油田工業(yè)自動化PLC 控制（圖1）的直接價值在于提升控制能力。從特點上看，油田工業(yè)自動化關注以現(xiàn)代技術和設備，以及可編程系統(tǒng)對可重復進行的工作環(huán)節(jié)進行操控，如消防、填料、石化設備工作情況跟蹤等，其中很多管理環(huán)節(jié)需要強調(diào)控制質(zhì)量，包括液位、料位等[2]。傳統(tǒng)人工管理模式下，以常規(guī)設備和工作人員肉眼觀察組織管理，液位和料位等重點參數(shù)大體得到控制，但精準性不高。借助自動化工作設備、方式，只要默認程序設定合理、軟硬件設備無異常，可借助傳感設備精準、實時完成感知，確定管理目標的具體情況。PLC 控制機制以及其設備在此過程中主要為邏輯控制工作提供支持，保證各環(huán)節(jié)、各設備的工作能夠有序開展，進而提升自動化控制工作水平。

圖1：PLC 控制系統(tǒng)的基本構成

1.2 改善工作安全性

油田工業(yè)內(nèi)容復雜，管理要素較多，部分環(huán)節(jié)存在一定安全隱患。引入工業(yè)自動化PLC 控制模式，可以提升工作安全性。如油田工業(yè)使用的腐蝕性材料，包括酸類、堿類等，一些強酸可能損壞設備、危及人員，甚至存在爆炸、火災等隱患。常規(guī)管理工作中，主要強調(diào)以規(guī)范的制度為依托，了解危險化學品的存放情況、管理態(tài)勢，一旦出現(xiàn)管理疏失，可能釀成事故、造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。以工業(yè)自動化PLC 控制機制提供支持，清晰的邏輯管理思路，使來自管理對象的各項信息得到持續(xù)有效的捕捉、傳遞和分析，出現(xiàn)危險或存在安全隱患時，也能第一時間予以管控，進而保證油田工業(yè)生產(chǎn)、管理安全[3]。

2 油田工業(yè)自動化PLC控制的應用方法

2.1 基本思路

油田工業(yè)自動化管理工作中，PLC 控制的應用思路主要集中于三個方面：

（1）簡練化。即以明確清晰的邏輯模式服務管理活動，以減少工作環(huán)節(jié)，提升管理效率。

（2）可控制。要求以遠程編程等方式，確保PLC控制機制能夠妥善服務油田工業(yè)自動化管理，也能在存在更改需求時隨時完成更新和優(yōu)化。

（3）適用性。要求PLC 控制能夠符合油田工業(yè)自動化管理的具體需要，包括各類具體管理工作以及頂層管理等，凡使用了PLC 控制機制的模塊，應能夠普遍借助其優(yōu)勢實現(xiàn)自動化管理或提升自動化管理工作水平[4]。

2.2 關鍵技術

油田工業(yè)自動化PLC 控制的應用，需要來自多項技術的共同支持，除自動化技術和PLC 控制技術外，還包括通信技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、編程技術等，在必要情況下，還應以區(qū)塊鏈技術、可視化技術、CAN總線技術、嵌入技術、計算機容災技術等提供輔助。

通信技術主要為系統(tǒng)各部分提供通信方面的保障，為避免信號干擾，原則上PLC 邏輯控制系統(tǒng)內(nèi)一切通信活動均以有線形式進行，遠程端的管理可允許引入無線通信模式，如人員持有的移動終端[5]。物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(xiàn)油田工業(yè)自動化PLC 控制的基本條件，要求以物聯(lián)網(wǎng)建設思路為基礎，實現(xiàn)管理系統(tǒng)內(nèi)所有關鍵要素和人員的實時連接，以便快速進行信息共享、完成指令下達。傳感器技術則服務終端的信息采集，如油田工業(yè)使用的各類物料提供情況，安全生產(chǎn)管理信息等，以傳感器等終端設備進行采集，再借助通信系統(tǒng)完成傳遞。編程技術服務與PLC 管理程序（也包括自動化程序）的設定、修正和完善。

如果油田工業(yè)自動化管理內(nèi)容較多、較分散，在借助上述技術的同時，還需要引入分布式管理模式，這要求建立以區(qū)塊鏈為核心的工作機制，各部分分別以區(qū)塊鏈技術為依托開展自動化管理、PLC 控制，同時接受上一級統(tǒng)一管控?？梢暬夹g可為人員的管理提供了便利，可將現(xiàn)場信息轉化為可被計算機識別的數(shù)字化信息，再借助可視化設備提供給管理人員，后者據(jù)此進行其他必要管理工作。CAN 總線技術主要服務通信活動，如果油田工業(yè)自動化PLC 控制系統(tǒng)內(nèi)的通信活動較頻繁時，以CAN總線系統(tǒng)為不同區(qū)域的通信工作提供獨立信道，保證通信流暢無干擾。嵌入技術、容災技術分別服務附加系統(tǒng)引入、數(shù)據(jù)保護，為油田工業(yè)自動化PLC 控制系統(tǒng)提供其他方面的輔助。

3 油田工業(yè)自動化PLC控制的實踐研究——砂罐的數(shù)字化改造為例

3.1 改造背景

油田工業(yè)自動化管理提升了管理質(zhì)量、效率，包括砂罐在內(nèi)，很多現(xiàn)代化工作設備可借助自動化技術提升管理水平，這也依賴PLC 控制工作的支持。從背景上看，砂罐的供砂能力是服務壓裂工作的關鍵，為保證其儲備、供砂能力，很多油田工業(yè)企業(yè)對砂罐進行了改造，使其能夠借助計算機程序和設備完成自動化供砂，然而供砂系統(tǒng)工作依然存在不足，主要包括信息化水平低、管理不夠精細化等。

如在壓裂過程中，砂罐不能實時根據(jù)壓裂作業(yè)需求足量供砂，或供砂過量影響作業(yè)質(zhì)量，由于自動化改造尚未觸及作業(yè)監(jiān)控，自動化供砂活動并不完善，砂罐內(nèi)各倉室砂量的監(jiān)測、計算也不能在自動化技術的支持下有序開展，仍依賴人員進行觀察，存在管理粗放問題。從原因上看，砂罐的形狀并不規(guī)則，且其存儲物（砂）帶有一定的流體特點，很難在供砂作業(yè)過程中精準通過傳統(tǒng)方式進行定量計算。在此背景下，借助PLC 控制技術進一步組織砂罐的數(shù)字化改造、提升其自動化作業(yè)水平顯得必要。

3.2 改造方式

3.2.1 改造思路和要求

為提升砂罐的工作能力，思路上強調(diào)加強邏輯計算能力，借助PLC 控制技術，以超聲感知為終端信息采集方式，進行料位分析，做稱重計算，利用砂罐供料（砂）類別不變（砂）的特點，通過砂罐計量、狀態(tài)監(jiān)測兩種方式，實現(xiàn)信息實時采集和分析，完成高質(zhì)量的自動化供砂管理。以服務現(xiàn)場監(jiān)控、自動計量以及必要的數(shù)據(jù)聯(lián)動、應急處理。

要求方面，改造工作考慮五個基本原則，即可靠性、開放性、易操作、可維護和低成本。可靠性是指系統(tǒng)能夠妥善開展工作，不會出現(xiàn)程序異常、操作指令誤讀等一般問題，保證作業(yè)穩(wěn)定可靠。開放性是指系統(tǒng)能夠適用于多個場景，在支持性技術方面無特殊要求，可標準化應用和建設。易操作則強調(diào)系統(tǒng)模塊功能簡練明確，人員經(jīng)過簡單訓練即可上手操作?？删S護強調(diào)系統(tǒng)具有自適應、自管理能力，在出現(xiàn)少許異常后可以通過自動化技術完成自我調(diào)控，出現(xiàn)嚴重問題也可通過人工干預解決。低成本關注系統(tǒng)建設經(jīng)濟性，非必要情況下減少支出，以滿足工作需要為基準，避免大連采用高價格設備、構件。

3.2.2 改造形式

在上述要求下，系統(tǒng)的基本構成形式如圖2 所示。

圖2：系統(tǒng)的基本構成

此模式下，所有砂罐分別進行編號，并由獨立的現(xiàn)場信息采集設備，采集砂罐工作信息，再以獨立信道進行傳輸，由CAN 總線系統(tǒng)提供信道管理服務，將相關信息利用網(wǎng)絡傳輸至遠程管理處，如果砂罐信息無異常，繼續(xù)重復上述工作環(huán)節(jié)，砂罐繼續(xù)供砂；如果遠程端認為砂罐工作情況存在異常，則發(fā)出警報并做處理。處理包括應急處理和人員處理兩個部分，應急處理需要目標砂罐暫停作業(yè)并等候人員檢查和處置。PLC 控制完成系統(tǒng)作業(yè)的全程管理，確保其規(guī)范有序的開展，不會出現(xiàn)邏輯混亂問題。

3.2.3 改造過程和原理

圖2 所示模式下，改造過程牽涉到如下方面：

首先進行程序編寫，確保系統(tǒng)掌握了改造思路要求下的工作能力，包括供砂信息分析、稱重等。建立預警標準，確定供砂的極限參數(shù)（即最大供砂量和最小供砂量）。該參數(shù)以大數(shù)據(jù)研究獲取，借助大數(shù)據(jù)了解砂罐工作的基本參數(shù)，并選定最大和最小參數(shù)，代入計算機中完成記憶，并以該計算機提供PLC 控制工作平臺（或對多臺終端設備進行管理，再由終端設備為PLC 控制提供平臺）。確定實時儲砂量的計算方法、儲量和供砂參數(shù)的調(diào)配方法，將其代入計算機實現(xiàn)記憶，計算機的作用同上。設置執(zhí)行設備進行傳輸系統(tǒng)管理，包括平板閥開關、供砂量調(diào)節(jié)等。

原理方面，PLC 邏輯控制主要以默認程序為中心，在改造設計過程中，結合其要求和目標，確定工作方法，之后依然以計算機平臺為中心，確定PLC 控制的過程、方式，設定為系統(tǒng)默認程序，服務管理活動。其控制原理簡圖如圖3。

圖3：砂罐改造后PLC 控制簡圖

3.3 改造結果分析

完成改造后，對砂罐的工作能力進行評估，采用模擬實驗的方式，對新系統(tǒng)能力進行測試。采用實時工作測試的方式，在砂罐工作過程中，隨機選取100 個工作節(jié)點，記錄系統(tǒng)自動化作業(yè)過程中PLC 控制質(zhì)量，設定三個觀察指標，即砂量高度檢測誤差、儲砂量檢測誤差以及通信質(zhì)量，其中通信質(zhì)量細化為傳輸功率、丟包率、傳輸速率、傳輸延遲四個指標。100 次觀察所獲結果如表1。

表1：改造結果分析

結合表1 信息，可知砂罐改造后PLC 控制系統(tǒng)作用理想，砂量高度檢測誤差、儲砂量檢測誤差均較小，且通信質(zhì)量得到保證，這表明油田工業(yè)自動化PLC 控制的應用積極價值，可以提升實時管理能力，且通信質(zhì)量較理想，便于數(shù)據(jù)收集和后續(xù)管理。

3.4 油田工業(yè)自動化PLC控制的發(fā)展趨勢

從趨勢上看，油田工業(yè)自動化PLC 控制將更趨全面化，也重視聯(lián)動性和低成本化。全面化實時PLC 控制能夠在常規(guī)管理砂罐作業(yè)的同時，在其他方面發(fā)揮作用，包括安全管理、儲料管理、危險品存儲環(huán)節(jié)管理等，以相似的思路，首先收集管理區(qū)域實時信息，再借助PLC 控制系統(tǒng)提供管理和控制方面的保障。聯(lián)動性則是指油田工業(yè)自動化管理過程中，各管理單元、系統(tǒng)可以在PLC 控制系統(tǒng)下實現(xiàn)聯(lián)動，如數(shù)據(jù)庫管理、現(xiàn)場管理，現(xiàn)場管理的結果可進入數(shù)據(jù)庫，以物聯(lián)網(wǎng)提供傳輸渠道，豐富數(shù)據(jù)庫信息；數(shù)據(jù)庫信息也可借助物聯(lián)網(wǎng)快速提供給現(xiàn)場管理者，由后者根據(jù)數(shù)據(jù)信息提升管理精度、靈敏性，進一步發(fā)揮PLC 控制系統(tǒng)的作用。

低成本化則關注以標準化的方式進行技術應用，普遍為油田工業(yè)自動化管理工作提供PLC 控制系統(tǒng)，免去反復研究技術應用模式的困擾，直接為各油田工業(yè)管理部門提供應用樣本，降低工作的成本水平。同時，數(shù)字化壓裂設備的賽道上，也在激發(fā)新的“生產(chǎn)力”，以瀘203H8 平臺的自動輸砂裝置為例，該裝置新增了“砂罐計量”和“檢測方式”系統(tǒng)。系統(tǒng)以料位計和稱重模塊的互相對應為基礎，預設邏輯計算為核心，精確掌握儲供砂裝置內(nèi)支撐劑實時量，解決多倉室物料不易計算的難題，達到自動計量、現(xiàn)場監(jiān)控、數(shù)據(jù)聯(lián)動、遠程控制等功能，實現(xiàn)儲砂供砂裝置數(shù)字化。

4 結論

綜上所述，油田工業(yè)自動化PLC 控制的應用價值較突出，有必要正視技術優(yōu)勢，繼續(xù)予以研究和推廣。自動化PLC 控制提升了系統(tǒng)邏輯清晰度，可以改善工作安全性和控制效果，思路上強調(diào)以精簡的設計為基礎，并提供具有高價值的輔助技術，保證系統(tǒng)工作能力。結合砂罐的數(shù)字化改造工作，可知以PLC 技術進行自動化作業(yè)的控制，改善了檢測質(zhì)量，也能保證信息傳輸質(zhì)量。油田工業(yè)自動化PLC 控制的發(fā)展將更趨全面化，并關注聯(lián)動性和成本控制，持續(xù)服務工業(yè)建設和自動化管理。