水下采油樹電液復合控制系統設計

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(1.中國石化石油工程技術研究院 德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

水下采油樹電液復合控制系統設計

張長齊1，黃魯蒙2，李富平1，張彥廷2

(1.中國石化石油工程技術研究院 德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

根據水下采油樹系統及相關標準要求，設計了水下采油樹電液復合控制系統，包括通信控制系統、液壓動力單元(HPU)和水下控制模塊(SCM)。采用PROFIBUS-DP和工業以太網通信方式，設計了主從站和冗余控制系統，并分別設計了HPU和SCM的液壓系統和電控系統，其中HPU電控系統采用軟冗余控制，SCM電控系統采用硬冗余控制。該控制系統可實現對水下采油樹閥門管匯的精確、穩定控制。

水下采油樹；控制系統；設計

Abstract：Based on the research for subsea tree system and related standards，electro-hydraulic control system for subsea tree is designed，including communication and control system，hydraulic power unit，and subsea control module.PROFIBUS-DP and Industrial Ethernet were used to design master-slave and redundant control system.HPU and SCM were designed，including hydraulic system and electronic control system.Soft redundant control is used in HPU，and hard redundant control is used in SCM.This system makes sure a stable control for subsea tree.

Keywords：subsea tree；control system；design

水下采油樹是一種井口設備，主要功能是懸掛油管、承托油管重力、密封油管和套管的空間、控制和調節油井生產、保證各種井下作業、錄取油壓資料和測壓、清蠟等。水下采油樹控制系統是水下采油樹的控制中心，根據生產需要調節相應的閥門，實現水下采油樹的各項功能，在水下生產過程中具有非常重要的作用。

根據控制方式的不同，水下采油樹控制系統可分為3類[1]：全液控制系統；電液復合控制系統；全電控制系統[2]。綜合考慮控制距離、系統響應速度、可靠性和經濟性等因素，電液復合控制系統應用最為廣泛。該系統主要由通信控制系統、液壓動力單元(HPU)和水下控制模塊(SCM)等組成[3]，其中通信控制系統負責信號處理與傳遞，HPU負責液壓動力的供應，SCM負責水下電磁閥的控制。本文通過對水下采油樹系統的研究，對水下采油樹電液復合控制系統的通信控制系統、液壓動力單元和水下控制模塊進行了詳細的設計。所設計系統的工作參數為：水深500 m，高壓控制壓力34.5 MPa，低壓控制壓力20.7 MPa。

1 通信控制系統設計

1.1通信系統設計

本系統采用西門子PLC控制，在系統的不同模塊通信中運用多種不同的通信技術，主要包括工業以太網和PROFIBUS總線[4]。

對于液壓動力單元。PC上位機與下位機PLC以雙絞線連接，采用TCP/IP通信協議，實現上位機對下位機的控制以及數據通信，其中上位機為裝有WinCC軟件工控機，下位機包括主站CPU、備站CPU、從站模塊以及各輸入輸出模塊；冗余CPU之間采用TCP/IP通信協議，用于數據交換和同步鏈路的建立，主站CPU和備站CPU與從站間的通信采用PROFIBUS通信協議。

對于水下控制模塊。水下控制模塊采用硬冗余控制[5]，有2套硬件設備，每套硬件設備通信方案相同。同上述液壓動力單元，PC上位機與下位機的PLC間通信采用雙絞線，協議類型為TCP/IP類型；主站CPU和備站CPU間采用同步光纜連接，實現主備站切換高度同步；主站CPU與從站CPU間采用PROFIBUS通訊協議，一個CPU主站對應多個CPU從站，實現主控站對多個水下采油樹的控制。

1.2主從站與冗余控制系統設計

當系統監控的對象比較多或者對系統有冗余要求時需要用到主從站通信。主從站通信分PLC主站和從站。為了提高系統運行的可靠性與穩定性，進行了冗余系統的設計，所謂冗余系統就是控制系統分為主系統和備用系統，正常工作時，主系統負責系統的工作，備用系統與主系統進行實時數據交換，當主系統出現故障時，通過軟件或硬件模塊可以實現主備系統的切換，由備用系統負責系統運行，從而保證系統在故障情況下的可靠運行。

根據主備系統的組成不同，可將PLC冗余方式分為軟冗余和硬冗余2種。液壓動力單元位于水面以上，采用軟冗余控制，系統配置如圖1所示。水下控制模塊位于水下，對系統具有更高的要求，采用硬冗余控制，系統配置如圖2所示。

圖1 HPU系統配置

圖2 SCM系統配置

2 液壓動力單元設計

根據API SPEC 17F—2006 (R2011) 和GB/T 21412.6—2009標準[6，7]進行液壓動力單元的設計。

2.1液壓系統設計

在明確液壓動力單元的設計要求、分析水上部分與水下控制模塊控制聯系的基礎上，設計液壓動力單元液壓系統各回路[8]。水下采油樹液壓動力單元液壓系統主要包括油箱及其附件、泵回路、蓄能器組、循環泵回路、調壓回路、接口回路、回油回路等[9]。系統的功能主要是輸出穩定的、準確的可驅動水下采油樹閥門執行機構的動力液，所設計的液壓系統原理框圖和原理圖分別如圖3～4所示。

圖3 HPU液壓系統原理示意

圖4 HPU液壓系統原理

系統的工作過程為：首先，啟動高壓泵和低壓泵，泵回路開始工作，由供油油箱作為泵的供油源，泵回路為整個系統補充油液，包括蓄能器、臍帶纜、水下蓄能器等部分。待系統充液完成，系統壓力達到設定壓力時，泵回路自動停止工作，當系統壓力低于設定的壓力值時，泵回路重啟。蓄能器組儲存泵回路提供的高壓液，待系統需要補油時，蓄能器組泄油供能，蓄能器組和泵回路處壓力均為系統壓力。調壓回路將減壓閥入口的系統壓力調節到執行器工作所需的額定操作壓力，經調壓后的液壓液進入接口回路，從而流向臍帶纜進入水下生產系統，為水下元件提供動力液。水下回路的返回液經回油回路返回回油油箱。當系統工作一段時間后，循環泵將供油油箱和回油油箱的液壓液進行循環沖洗，保證油液清潔度，同時當油箱中的液壓液不足時，通過循環泵將外部油桶內的液壓液泵入油箱，保證油液始終充足。

2.2電控系統設計

液壓動力單元電控系統的主要作用有：控制液壓泵的啟停，采集系統中壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器參數，控制系統中緊急關斷回路的通斷，控制和監視整個系統的運行。

電控系統采用西門子S7-300系列PLC作為下位機，WinCC組態軟件[10]作為上位機，系統須滿足冗余功能要求，采用PROFIBUS-DP主從站和軟冗余設計，S7-300系列PLC為主站，ET200 M為從站，其中主站采用兩個S7-300系列PLC，互為冗余。ET200 M從站包括接口模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊和模擬量輸入模塊。電控系統控制原理如圖5所示。

圖5 HPU電控系統控制原理示意

2.2.1控制系統程序

本系統采用西門子編程軟件Step7進行編程，首先需要對系統連接進行組態配置，系統連接配置如圖6所示?？刂葡到y程序分為冗余程序段和非冗余程序段，冗余程序段為調用軟冗余程序庫“SWR_AGSEND_300”中的功能塊編寫的程序，用于實現系統的冗余控制，非冗余程序段為系統的控制程序，對系統中的泵、電磁閥等進行控制。

冗余程序段的部分程序如圖7所示，在OB35中進行編寫，首先需要調用FB101“SWR_ZYK”功能塊，啟動系統的冗余數據同步功能，然后根據提取的狀態字判斷是否為主系統，若為主系統，執行程序段3中的傳感器數據采集冗余程序段，若為備用系統，則直接執行程序段4，停止冗余數據同步。非冗余程序段的部分程序如圖8～9所示，在OB1中進行編寫，為系統的控制程序，主要包括泵控制程序、系統報警程序、電磁閥控制程序等。

圖6 HPU系統網絡連接配置

圖7 HPU冗余程序段

圖8 報警控制程序

圖9 泵控制程序

2.2.2系統操作界面

WinCC是SIEMENS系列PLC控制系統的人機交互界面[11]開發工具，通過WinCC開發的操作界面，用戶可以方便地對控制系統進行自動控制，本系統采用S7-300 PLC，可以不借助其他軟件與WinCC控制界面直接建立連接。本系統的操作界面包括系統主界面、壓力溫度曲線界面和報警記錄界面等，分別如圖10～12所示。

圖10 HPU控制系統主界面

圖11 HPU壓力溫度曲線界面

圖12 HPU報警記錄界面

主界面主要包括菜單欄、狀態欄、控制欄等。菜單欄的主要功能是進行各控制界面的切換。包括用戶登錄/注銷、主界面、壓力溫度曲線、報警記錄和退出系統等按鈕。點擊用戶登錄/注銷按鈕可以進行用戶登錄與注銷；點擊退出系統按鈕可以退出控制

系統；點擊主界面、壓力溫度曲線、報警記錄按鈕可以進入相應的操作界面。壓力溫度曲線界面顯示系統各點的壓力溫度狀態，不同的按鈕對應不同的參數，系統內保存的歷史數據和圖像可以導出為.XPS文檔格式，便于分析和總結。報警記錄界面通過WinCC的報警記錄工具進行設計，利用報警工具將系統中的各監測變量進行歸檔，在歸檔變量時，與Step7中的數據輸出量或位存儲器變量相對應，主要包括供回油油箱溫度信號、油箱液位信號、過濾器信號等。

3 水下控制模塊設計

根據API SPEC 17F—2006 (R2011) 和GB/T 21412.6—2009標準對水下控制模塊的功能和軟硬件方面的要求，設計水下控制模塊的液壓系統和電控系統。

3.1液壓系統設計

通過對水下控制模塊工作原理和功能研究，同時依據API標準的相關要求，對水下控制模塊液壓系統進行設計。水下控制模塊液壓系統主要包括供油回路、先導控制回路、液壓補償回路、接口回路、回油回路等。系統的功能是接收來自水面控制液壓動力單元的液壓動力液，并根據水面主控站的命令對液壓液進行分配，開啟和關閉水下采油樹各閥門。所設計的液壓系統原理示意圖和原理圖分別如圖13～14所示。

圖13 SCM液壓系統原理示意

系統的工作過程為：供油回路接收來自液壓動力單元的高壓和低壓兩種不同壓力的液壓驅動液，在工作開始時，供油回路先對水下蓄能器進行充壓儲存能量，便于后續快速補油。然后高壓油液進入先導控制回路，先導控制回路負責為電液換向閥提供先導控制油液，也可控制驅動液壓油液的通斷，同時液壓油液經先導控制回路進入接口回路，接口回路采用的是快速接頭，能夠快速連接和切斷回路，負責整個系統輸出流體的供給與切斷，并且監測流體供給狀態，液壓補償回路與閥執行器的彈簧腔相連，使補償油液進入彈簧腔，保證對各液壓元件的控制不受水深影響。來自閥執行器的回油液壓液有2種排出途徑，即經回油回路返回水面或者直接排入海水中。

圖14 SCM液壓系統原理

3.2電控系統設計

水下控制模塊電控系統的主要作用包括：采集水下控制模塊內部和水下采油樹內生產和環空的溫度、壓力、流量信息；控制水下采油樹電液控制先導閥，引導液流方向控制閥門執行器的開關。

SCM電控系統采用主從站設計，同時兼具硬冗余功能。選用西門子S7-400 H系列PLC作為系統主站和備用主站。采用S7-300系列PLC為從站模塊，I/O模塊主要包括模擬量輸入模塊和數字量輸出模塊。電控系統原理示意如圖15所示。PC上位機負責整個系統的控制，主站PLC經光端機將電信號轉換為光信號，控制信號通過光纜進行傳遞，水下的PLC從站接收到控制信號，對位于水下的傳感器和電磁閥進行控制，同樣經過光端機將電信號轉換為光信號傳遞到水面，實現水面對水下的控制和監視功能，保證正常生產。

圖15 SCM電控系統控制原理示意

3.2.1控制系統程序

SCM系統連接配置如圖16所示?？刂瞥绦蛑饕ǎ簜鞲衅餍盘柌杉?，電磁閥控制，系統監測報警等。在編程過程中，基于PROFIBUS-DP主從站特點，主站和從站均需要進行編程，采用功能模塊SFC 15進行數據發送，采用功能模塊SFC 14進行數據接收，主站側和從站側均具有數據的發送和接收功能，從而實現主從站間數據的雙向傳遞。

圖16 SCM系統網絡連接配置

SCM硬冗余的程序設計大量運用SFC 15和SFC 14功能程序塊，用于主從站間的數據傳遞。圖17～18所示為電磁閥控制程序，分為主站側程序和從站側程序，主站打包并發送控制指令，從站接收并執行主站發送的控制指令，同時程序中的控制開關在主站中為位存儲器，如HP1加壓回路為M 0.0，從站中為BOOL型數據，如HP1加壓回路為DB2.DBX 0.0，兩種控制開關的轉換通過主站側的相應程序來完成。圖19為系統的報警信號傳遞程序，從站通過采集相應的傳感器數據，由內部的處理程序判斷報警狀態，并將報警信號傳遞給主站。

a 主站側向從站發送控制指令

b 從站側接收控制指令

a 主站側程序

b 從站側程序

a 從站發送報警信息程序

b 主站接收報警信息程序

3.2.2系統操作界面設計

水下控制模塊的WinCC組態界面主要包括用戶登錄界面、主界面、壓力溫度流量界面、報警記錄界面等，用戶登錄界面賬戶名為zhangcq，必須輸入正確的賬戶名稱和密碼才能對系統進行操作，報警界面監視系統的壓力、溫度和流量信號。下面對主界面和傳感器采集界面進行說明。

主界面由菜單欄、狀態欄和控制欄組成，如圖20所示。狀態欄顯示的是SCM的液壓控制原理圖，通過狀態欄可以監視各生產和環空的溫度、壓力、流量狀態以及閥口的壓力狀態?？刂茩谥械陌粹o主要控制各電磁閥的通斷。傳感器采集界面主要對系統的壓力、溫度和流量等信號進行采集，如圖21所示。在界面中，左鍵單擊相應的按鈕，則顯示相應變量對應的曲線和數據，右鍵單擊相應按鈕，則關閉對應的曲線和數據顯示。

圖20 SCM控制系統主界面

圖21 SCM壓力溫度曲線界面

4 結論

1) 通過對通信協議和控制方式的研究，采用PROFIBUS-DP和工業以太網通信方式，運用主從站和冗余系統控制方式，設計了水下采油樹電液復合控制系統的通信控制系統。

2) 根據相關標準要求，對水下采油樹液壓動力單元進行研究，設計了液壓動力單元的液壓系統和電控系統，完成了電控系統的冗余程序和操作界面設計。

3) 通過研究相關標準，對水下控制模塊的液壓系統和電控系統進行了研究，設計了液壓系統各回路，并用西門子軟件設計了水下控制模塊的硬冗余控制系統程序和控制系統操作界面。

4) 設計的電液復合控制系統可實現對水下采油樹管匯閥門的控制和各項參數的監測。

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DesignonElectro-hydraulicControlSystemforSubseaTree

ZHANG Changqi1，HUANG Lumeng2，LI Fuping1，ZHANG Yanting2

(1.ShelfoilPetroleumEquipment&ServicesCo.,Ltd.，ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Dezhou253005，China；2.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.005

1001-3482(2017)05-0020-09

2017-03-07

中國博士后科學基金資助項目(2016M592269)

張長齊(1989-)，男，山東德州人，現從事固完井井下工具設計開發和水下采油樹控制系統設計方面的工作，E-mail：zhangcq@shelfoil.com。