ControlNet网络在海上油气田开发中的应用

一、 应用背景

近年来，世界对于能源的需求不断扩大，能源作为一个国家发展的基础越来越受到各国的重视，由于能源特别是石油而引起的冲突不断。为保证能源的供应，我国除积极寻找国内油田外，还积极寻找国外的供应，因此目前我国的石油供应趋于多样化。海上油田的开发逐渐成为我国能源供应链中又一个新的增长点，中国海洋石油公司在2010年产量突破5000千万吨，实现了预期目标。在中国海洋石油公司的中长期规划中，正逐步加大投资力度，稳步推进海上石油的开发业务。在海上建设油气田存在着投资大、风险高、技术难度要求高、交通运输成本高等难题，因此在有限的海上平台如何布局各种生产开采设施设备并实现自动化控制成为摆在技术人员面前的一个重要课题。而海上开采的石油的运输主要通过输油群海底管道进行，同时输油本身就是一项能耗巨大的工业过程。如何在油气田平台群及FPSO之间实现集中网络化控制成为现代化海上石油开发现状下寻找出不同开发模式的最低成本方案同样成为一项重要的课题。建设高集成化油气田平台及FPSO、集开发生产储存于一体、多功能、自动化水平高的石油，在管理层办公室可以检测得到不同海上设施的各种生产运行数据，为公司决策提供可靠、准确的生产运营数据，使石油生产储运最大化、科学化，减少储运过程中的维护工作和节约成本。为此中国海洋石油公司与国外知名石油企业联合开发惠州油田，采用国外先进的海上石油开发技术，取得了良好的经济效益。为更好的满足生产开发需求，要求工艺流程能够实现高度集成自动化控制，在不同海上平台及FPSO实现控制系统联网。通过对工艺流程的优化设计，增加自动化控制环节，提高控制系统稳定性，减少操作人员数量劳动量。生产环节的数据全部实现自动化采集，检测设备采用高精度仪表，大量采用自动控制调节设备。

为此，采用以操作员工作站为上位机，可编程控制器(PLC)为下位机的控制模式组成自动监控系统的方案。PLC采用美国Rockwell公司的先进的ControlLogix系列产品，应用Logix5编程，实现了远程数据采集、控制执行机构运转、执行机构的故障检测等功能；同时采用了双PLC(CPU)运行模式，实现了控制系统的热备功能；上位机工作于Windows环境下，使用工程上广泛应用的美国ROCKWELL公司RSview工业控制组态软件开发监控软件，采用操作站和工程师詹配置，实现了工艺流程和整个油田内部所有设备的实时动态显示，数据的自动采集处理，故障报警，实时、历史报表的存储打印等功能；利用ControlNet网络进行数据交换，对系统各设备参数值进行在线监控显示，充分保证信息传递的快速性。从而能够使整个工艺生产的各设备的运行情况实现自动化的监测并及时的控制。

二、ControlNet．网络结构概述

ControlNet是近年来推出的面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理层介质链路上提供时间关键性I/O数据和报文数据，包括程序的上载／下载，组态数据和端到端的报文传递等通讯支持，是具有高度确定性、可重复的高速控制和数据采集网络，I/O性能和端到端通讯性能都较传统网络有较大的提高 ControlNet是确定性、可重复性的控制网络，同一链路上允许有多个控制器同时共存，网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取，网络总线速率为5Mbps，在端到端总长为250m的距离内，网络可支持的最大节点数为48个。总线拓扑结构可以是星型、树型、总线型或是这3者之间的任意组合。能够使用的中继器数目只受到系统延迟时间的限制，使用中继器，最大的端到端传输距离使用同轴电缆为3km，使用光纤传输可以达到30Km，并且支持冗余结构。

三、ControINet系统原理

ControlNet是基于生产者/消费者模式 (Producer/Consumer Mode1)的网络。ControlNet允许在同一链路上有多个控制器共存，支持输入数据或端到端的多路发送，这就大大的减少了网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能。

ControlNet是高度确定性、可重复性的网络。ControlNet能预见数据何时能够可靠传输到目标的能力，同时数据的传输时间不受网络节点添加／删除情况或网络繁忙状况而保持恒定的能力。在实际应用中，通过网络组态时选择性设定有计划I/O分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步的保证。

生产者/消费者模式允许网络中所有的节点同时获取来自同一数据源的数据。最终，该模式提高了效率，因为数据只发送一次，而与数据使用者(Consumer)的数量无关，并且具有精确的同步性。因为数据将同时到达每一个节点。生产者一消费者模式的优点在于：多个节点可以同时消费(Consume，即读取)来自同一个生产省(Producer，即数据源)所提供的数据。节点间易于同步，可以获得更为精确的系统性能，设备可以实现自主通信，无需系统主站。ControlNet提供了简单、高度确定而且灵活的传输数据方式。ControlNet在执行操作、数据实时监控时不会影响到I/O控制的性能。因此，ControlNet非常适用于一些控制关系有复杂关联、要求控制控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合。

ControlNet的明显优点是：同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程/组态等信息应用的多样要求；是确定性、可重复性的控制网络，适合离散控制和过程控制；同一链路上允许有多个控制器同时共存；输入数据和端到端信息的多路发送支持；可选的介质冗余和本征安全；安装和维护的简单性；网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取；灵活的拓扑结构(总线型、树型、星型等)和介质选择(同轴电缆、光纤和其它)。

四、可构建OontroINet的设备

(一)ControlLogix，ProcessLogix，FlexLogix系列1756系列controlLogix55xx控制器，集成多种控制功能：顺序控制控制、传动控制和过程控制。网络的桥接无需控制器。高速控制平台上的高速数据传输。

1757系列ProcessLogix控制器，5兆数据速率的高吞吐量工业网络。使用扩展的诊断方法，维护简单，多点传输(Multicast)特性允许多个控制器共享输入数据，可选的网络冗余，增加可靠性。

1794系列FlexLogix 54xx控制器，面向分布式控制的中小型系统，无与伦比的灵活性，与ControlLogix等同样采用RSLoqix5000编程，多种编程语言支持，就地安装可以扩充多达l6个FlexI/O模块，可以安装任何两个可选的ControlNet(可选同轴或者光纤介质)、DeviceNet或者100MbpsEtherNet/IP。扩展现场I/O和智能设备，通过ControlNet或者EtherNet/IP，实现对等通讯、数据采集、程序下载或者实时互锁。

(二)PLC一5与SLC控制器系列

PLC-5可编程控制器内置ControINet通讯，，通过ControINet口，提供高速通讯能力，允许处理器输入中断和可选的定时中断。

SLC扫描器口适配器模块，性能最佳的网络扩展远程I/O解决方案一增强的系统性能适宜于SLC逻辑监视的故障设备的出错诊断列表。

PLC一5热备系统，提供高性能的、确定性的数据传递，控制程序在主控制器和后备控制器中同步执行．包括两种模式的热备操作：同步和异步SLC报文发送模块，程序上传/下载，支持RSVIew等用户人机界面软件实现数据采集。

(三)基于PC的控制器系列

SoftLogix5800系列，RSLogix5000软件编程，PCI格式的通讯卡(DeviceNet扫描器，ControlNet扫描器，EtherNet/IP通讯卡，运动控制卡等)，ISA/EISA总线扫描器卡，IOLinx 系列软件。

PCI扫描器卡，能够维护重要的网络规划和组态参数，备份网络上的其他数据，标准的即插即用型本地PCI总线卡，兼容当前所有的计算机和工业终端，ISA/EISA总线扫描器卡双BNC接头，支持介质冗余，通过LED组态指示灯的显示可以观察网络和控制卡的诊断信息s0ftLogix5800软件，多个编程选项简化维护和升级工作，多种灵活可选的I/O和网络，多个MMI(人机界面)选项。

(四)I/O框架型和模块型

FLEXI/O系列，每个适配器可连接多达128点离散I/O或64个模拟通道。可以对故障或是移走的I/O模块进行诊断．独立的部件，可以任意混合使用不同I/O类型，减少了外部接线端子成本，短路保护，本质安全模块。

1771 PLC一5机架I/O，多个控制器和终端能够共享模块输入数据，品种齐全包括各种特殊应用模块。

1746 SLC一500 I/O，可以与PLC5热备系统配合使用，具有节点地址和模块，组态显示，SLC机架供电。

ControlLogix 1756 I/O，无需硬件设置开关完全的软件逐点组态，可软件逐点组态的浮点数和工程定标，模块自行计算，无需编程，不占用处理器资源，完全带电拔插，减少停机日寸间，适用于ControlLoqix和ProcessLoqix控制器。

1734 Point I/O，2至4点的I/O密度您精打细算，ControlNet适配器支持冗余介质和网络接入口(NAP)，通过Control、DeviteNet、Profibus/DP等适配器灵活扩展，小尺寸，大身手：带电拔插，逐点指示和诊断，多种I/O类型和接线端子，电子模块和接线段子底座可分离设计。

五、海上油气平台应用ControINet网络实例

目前惠州油田南区各平台使用ControlNet网络实现生产工艺的过程控制和管理。本系统采用三层结构：管理层、控制层、现场设备层，结构图如图1所示。

本系统中ControlNet网络采用中继器光纤通信模块OCM实现不同平台之间的信息互联，保证信息的实时性。上层计算机中采用1785-PCIC卡连接到ControlNet网络上，下层PLC通过1756-CNBR模块连接至ControlNet网络。为了保证系统的可靠性采用了双网络冗余与双控制器冗余。

控制层采用美国ROCKWELL公司的ControlLogix系列产品，如上图ControlNet网络各个节点所显示设备型号。这些设备构成了双冗余控制站和远程I/0站。现场设备层要满足各种数据采集需要和流程控制功能。

六、网络组态与通信实现

网络的组态与管理采用RSNetWorx for ControlNet软件，该软件提供对ControlNet网络和的设计、配置及管理。RSNetWorx允许你最大限度地提高你所拥有的ControlNett网络设备的生产能力，通过简单的软件界面迅速地对网络上的设备进行设置。这些设置可以在“离线”方式下通过“拖/放”设备图标的操作方式进行。

采用RSLinx网关实现上层1785-PCIC卡与控制站、远程I/O站之间的通信，RSLinx网关包含了OPC和DDE的功能以及PLC和其它设备数据查看的功能，可以把一台安装有RSLinx的计算机当作一个网关从而访问控制站、远程I/O站，RSLinx是远程访问的必备软件。同时RSLinx的OPC功能也使得上层计算机监控软件访问控制站、远程I/O站成为可能。其操作可以在“在线”条件下自动扫描完成，这里也不再赘述。

七、结束语

使用ControlNe七网络的目的是为了提高工业控制领域的集成度、设备的安全运行、减少操作成本.因此，对ControlNet网络联网通信功能要求是比较高的，对网络运行的稳定性要求也是不容置疑的。通过对ControlNet应用背景、网络概况及原理分析、网络设备介绍入手，结合成熟的工程应用实例产生实际效果，
在现场投入运行后，运行可靠，效果很好，满足了初始设计的要求，能够很好的监测控制油田的各项参数，主要体现在:C1)引入先进控制技术，提高生产过程自动化水平，提升了企业竞争力。(2)提高了油田生产运营的稳定性和安全性，生产管理的上了一个新台阶。C3)对生产指挥、技术管理、调度水平有了大幅度提高，缩短了与国外的差距，培养了一批技术人员。