基于PLC軟冗余的油田注水站控制系統(tǒng)的設(shè)計

程瑞洲，徐竟天，周紅芳，趙曉姣

（西安石油大學 電子工程學院，西安 710065）

依靠巖石和液體的膨脹及溶解氣驅(qū)的天然開采機理對原油進行開采，約有80%的儲量無法開采出來，因此繼一次采油之后，提高原油采收率的一個重要方法就是油田注水[1]。油田注水，是油田地下開采過程中的能量補充。目前，我國主要油田已進入高含水開采階段，油田內(nèi)井間、層間的狀況存在較大的差異，而解決的方法，就是合理有效地控制注水，以滿足各類油層的開采需要[2]。油田注水站的主要作用是將供水系統(tǒng)送來或經(jīng)過處理符合標準的水進行升壓，然后輸送至注水井排和注水井里。

對于新疆準東油田北3臺集油注水站計算機監(jiān)控項目而言，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，尤其是在冬季，如果泵及其管道被凍住后，整個冬季將無法注水，對原油采收將會產(chǎn)生非常大的影響。本文采用基于西門子S7-300 PLC的軟冗余控制系統(tǒng)，利用Profibus-DP和Ethernet總線將現(xiàn)場各種智能儀表采集到的數(shù)據(jù)傳送給CPU進行處理。經(jīng)過投產(chǎn)運行，大大提高了注水站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和管理水平，基本消除了安全隱患，避免了因系統(tǒng)故障、設(shè)備停機引起的經(jīng)濟損失。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 注水站工藝流程

注水站站內(nèi)設(shè)施主要由注水泵機組、注水井排管網(wǎng)和注水井支線3大部分組成，主要設(shè)備由緩存罐、匯水管路、活塞泵、輸水管路和計量儀表等部件構(gòu)成，控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對站內(nèi)工藝生產(chǎn)運行參數(shù)進行集中監(jiān)測、控制和管理。

注水站工藝流程為來水進站→計量→緩存罐→進泵加壓→輸出高/低壓水，如圖1所示。該注水站設(shè)置了3座儲水罐，其中2座緩存罐總?cè)萘堪丛撜咀畲笥盟繒r的4～6 h來設(shè)計，2座緩存罐中的一座設(shè)計為凈化污水儲罐，另一座設(shè)計為清水儲罐，主要作用是儲存水源井清水或污水處理站輸送過來的油田合格水；事故罐的作用是當電磁閥故障導致來水異常時，通過將水注入其中以避免發(fā)生事故。2種水源經(jīng)過低壓水表計量后進入緩存罐，其中污水處理來水經(jīng)過加壓進入高壓注水泵房，而水源井清水進入低壓注水泵房作為補充。在高/低壓泵房內(nèi)，每個泵與出水井排之間加裝一個單向閥，防止高/低壓水反向流回活塞泵，從而對泵造成損壞[3]。

匯水管路包括連接儲水罐與泵之間的管匯，為倒罐、倒泵提供方便，另外連接注水泵與注水井排、配水間之間的是輸水管路，其作用是將高/低壓水分配給配水間、注水井。計量儀表主要用于監(jiān)測設(shè)備的運轉(zhuǎn)、壓力和水量的消耗等[4]。

圖1 注水站工藝流程Fig.1 Injection station process flow chart

1.2 監(jiān)控點數(shù)

油田注水站控制系統(tǒng)主要包括：緩存罐、緩存罐液位檢測、緩存罐出口流量檢測、提升泵啟/停、電動調(diào)節(jié)閥開/關(guān)、匯水管路液體壓力檢測、匯水管路流量檢測、注水泵啟/停及注水井排液體壓力檢測等。系統(tǒng)監(jiān)控情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)監(jiān)控統(tǒng)計表Tab.1 System monitoring statistical table

整個控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)進行集中監(jiān)測、控制和管理，方便人員操作。包括監(jiān)控畫面顯示、報警及數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)定、人員考勤及報表打印等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

對于常見的計算機控制系統(tǒng)而言，根據(jù)冗余控制實現(xiàn)的方式，分為硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余的高可靠性性能常用于停機會造成巨大損失的控制系統(tǒng)，通過采用特殊硬件模塊，包括CPU、PS電源模塊及I/O模塊實現(xiàn)冗余；軟件冗余采用2套相同的CPU控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)除ET200M從站上的I/O模塊以外的模塊與鏈路的冗余，成本低且擁有很高的可靠性[5]。

鑒于注水站監(jiān)控系統(tǒng)的重要性及甲方要求，該項目計算機監(jiān)控系統(tǒng)方案采用了基于西門子S7-300 PLC的軟冗余方案。整個控制系統(tǒng)由2個相互獨立的PLC組成，當主處理器出現(xiàn)故障時，通過事先在CPU模塊程序中編寫監(jiān)控程序和數(shù)據(jù)交換處理程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)同步，完成主備處理器切換[6]。監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場上位監(jiān)控計算機選用2臺臺灣研華工控機（IPC-610H）和2臺22英寸液晶顯示器，實現(xiàn)監(jiān)控計算機雙機冗余，同時配合2臺西門子高性能PLC一起實現(xiàn)對注水站運行工藝流程的實時監(jiān)控。2臺上位監(jiān)控計算機和PLC之間的通訊連接通過交換機采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，并以工業(yè)以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)將整個系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起。監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Monitoring system hardware structure

控制系統(tǒng)由2套完全獨立的西門子PLC的CPU模塊、包含IM153-2模塊的ET200M分布式I/O及相應(yīng)的Profibus-DP總線和Ethernet總線，共同構(gòu)成冗余體系。PLC的CPU模塊選用西門子公司CPU 315-2DP模塊，該模塊擁有2個接口，一個是MPI（多點接口）通信接口，另一個是Profibus-DP總線接口。2個CPU 315-2DP通過MPI通信接口連接，構(gòu)成主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路。2個CPU模塊分別通過各自Profibus-DP總線接口與ET200M從站的IM153-2模塊連接，構(gòu)成主系統(tǒng)、備用系統(tǒng)與從站的通訊鏈路。

現(xiàn)場的液位和壓力探測器直接與AI模塊相連，通過傳感器轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號；流量計與FM350-2計數(shù)模塊連接，讀取流量計的脈沖信號。然后這些信號被采集進PLC，PLC對數(shù)據(jù)經(jīng)過計算與處理，一方面向ET200M從站上的控制模塊輸出控制信號，另一方面將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送給上位監(jiān)控計算機。

3 軟冗余技術(shù)原理

Station A和Station B 2套獨立的S7-300 PLC（處理器、通訊接口、I/O模塊）系統(tǒng)構(gòu)成了軟冗余控制系統(tǒng)，完整的西門子軟冗余系統(tǒng)的軟、硬件包括：

1）1套西門子Step 7 V5.5編程軟件和軟冗余V1.2軟件包；

2）2套型號為315-2DP的CPU模塊及相應(yīng)的電源模塊；

3）3條通訊鏈路，主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS-DP 1）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS-DP 2）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI）；

4）1個ET200M從站，包括2個IM153-2接口模塊和若干個I/O模塊；

系統(tǒng)開始工作時，Station A系統(tǒng)為主，掌握對ET200M從站中的I/O控制權(quán)，Station B系統(tǒng)為備用。當主系統(tǒng)A中的任何一個部件故障或通信中斷時，當前的控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)B當中執(zhí)行，Station B代替Station A完成設(shè)定的控制任務(wù)，這時，Station B為主，Station A為備用，這種切換過程是包括電源、CPU處理器、通訊電纜和ET200M站IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運行過程中，即使沒有任何組件故障，相關(guān)人員也可以通過設(shè)定控制字，實現(xiàn)主備系統(tǒng)的手動切換，這種手動切換過程，對于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換和擴容非常有用。因此，軟冗余能夠?qū)崿F(xiàn)：

1）主機架電源和背板總線的冗余；

2）S7-300 PLC的CPU冗余；

3）Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的冗余 （包括通訊接口、總線接頭和總線電纜）；

4）ET200M站的通訊接口模塊IM153-2的冗余。

Station A、B系統(tǒng)中的 PLC程序由非冗余（Non-duplicated）用戶程序段和冗余（Redundant Backup）用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。圖3為軟冗余系統(tǒng)內(nèi)部運行圖。

圖3 軟冗余系統(tǒng)內(nèi)部運行過程Fig.3 Soft-redundancy system internal operation process graph

由圖3可知，主備CPU都執(zhí)行讀取輸入信息、執(zhí)行非冗余用戶程序、讀取評估對方狀態(tài)、發(fā)送對方冗余數(shù)據(jù)和輸出信息等操作。兩者不同的是：主CPU執(zhí)行冗余程序，而備CPU跳過冗余程序。開機運行后，主/備CPU同時啟動并運行，主CPU讀取備用CPU狀態(tài)，判斷備用CPU是否運行正常，若其故障將報警顯示；主CPU執(zhí)行自身的冗余程序后，將自身的冗余數(shù)據(jù)傳送給備用CPU，以便故障時備用CPU可以接手控制，這樣備用CPU將繼續(xù)完成系統(tǒng)的控制。可見冗余功能的實現(xiàn)主要是靠評估對方狀態(tài)和發(fā)送冗余數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，為實現(xiàn)這些功能，西門子公司提供了專門的冗余軟件包[7]。

本項目使用了冗余軟件包中的SWR_XSEND_300程序塊，通過CPU上的MPI接口，采用MPI數(shù)據(jù)同步方式和參數(shù)配置連接類型，包含的功能塊有FB101，F(xiàn)B103，F(xiàn)C100和FC102。FB101是循環(huán)調(diào)用的數(shù)據(jù)塊，主要作用是將主站系統(tǒng)中的冗余數(shù)據(jù)復制到備用系統(tǒng)中；FB103在FB101中被調(diào)用，主要作用是實現(xiàn)主、備控制器的數(shù)據(jù)同步，同時在該塊內(nèi)部調(diào)用SFC65“X_SEND”和 SFC66“X_RCV”功能塊，負責數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送；FC100是初始化程序塊，在OB100中被調(diào)用，實現(xiàn)定義系統(tǒng)運行參數(shù)的作用；FC102是診斷功能塊，在OB86中調(diào)用獲得診斷數(shù)據(jù)，完成模塊診斷供FB101調(diào)用，實現(xiàn)ET200M切換的功能[8]。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 下位冗余程序設(shè)計

編寫軟冗余程序時，非冗余程序段編寫在OB1當中，冗余程序段編寫在OB35當中，這里使用的是OB35的默認屬性，即每100 ms中斷觸發(fā)一次，可以根據(jù)實際需要在CPU屬性中修改中斷的時間間隔。在 OB35里調(diào)用 FB 101“SWR_ZYK”功能塊，F(xiàn)B101塊中封裝了冗余功能的程序段，實現(xiàn)冗余功能。調(diào)用FB101時，可以在線讀出RETURN_VAL參數(shù)的數(shù)值，如果為0，說明冗余鏈接正常。如果為8015說明數(shù)據(jù)同步的連接不成功，這是一個常見的錯誤，原因可能是CP342-5之間的FDL鏈接建立的不正確或物理鏈路不通，或者是FC100的VERB_ID參數(shù)與NETPRO中的鏈接ID號不一致。當執(zhí)行“SWR_START”程序塊時，系統(tǒng)分配這些數(shù)據(jù)區(qū)，不能用S7的定時器和計數(shù)器，只能使用IEC標準的定時器和計數(shù)器。OB35中的程序流程圖如圖4所示。

圖4 冗余程序流程Fig.4 Redundancy program flow chart

除了 FB101，F(xiàn)B103，F(xiàn)C100 和 FC102 功能塊外，在編寫軟冗余程序時還需要以下程序塊：暖啟動程序塊OB100、主/備用系統(tǒng)切換超時程序塊OB80、DP-Slave ET200M站上的IM153-2模塊出錯報警程序塊OB82、DP從站的接口模塊與主站鏈接斷開或鏈接重新建立時程序塊OB83、程序運行出錯或DP從站連接失敗程序塊OB85、主/從站通訊出錯程序塊OB86、通訊失敗程序塊OB87、外圍設(shè)備訪問出錯程序塊OB122。

4.2 上位監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控軟件基于研華工控機IPC的Windows XP系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，采用WinCC V7.5軟件進行設(shè)計。監(jiān)控系統(tǒng)畫面有注水主畫面、高壓注水泵畫面、其余注水泵畫面和恒壓供水畫面，監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.5 Monitoring system software structure diagram

利用WinCC的動態(tài)顯示功能，監(jiān)控主畫面可實時地將現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況顯現(xiàn)出來，方便相關(guān)人員查看；利用報警功能，當流量、液位或者壓力等參數(shù)不在設(shè)定范圍內(nèi)時，啟動報警程序、產(chǎn)生報警信息并在組態(tài)畫面中顯示出來，提醒相關(guān)人員檢修；利用報表功能，可將現(xiàn)場各種實時或歷史的數(shù)據(jù)記錄和儲存，方便技術(shù)人員查詢、瀏覽和打印。注水監(jiān)控主畫面如圖6所示。

5 結(jié)語

本文研究了西門子S7-300 PLC軟冗余技術(shù)，完成了油田集油注水站控制系統(tǒng)的設(shè)計，實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了除ET200M上I/O模塊之外的整個系統(tǒng)的完全冗余，達到注水過程全程自動控制的目的，保證了人員安全操作，降低了因故障停機造成的損失，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

圖6 注水監(jiān)控主畫面Fig.6 Water injection monitoring main screen

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