关于油田工业自动化PLC控制的应用及研究分析

傅柏人 杨文伟 朱孟伟 刘国川 岳韵衡

（川庆钻探工程有限公司井下作业公司 四川省成都市 670051）

油田工业的自动化发展是其基本趋势，各类管理工作、各管理环节，大多可借助自动化技术提升工作水平、管理质量。PLC 逻辑控制系统的应用，可以进一步提升油田工业自动化水平，使其以清晰、简明的控制方法完成完成操控和管理，对于提升作业安全性、精准性具有突出价值。PLC 控制系统是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，通用性强、可靠性高，且能应对一般干扰，得到各领域管理工作的广泛青睐[1]。就其在油田工业自动化中的应用价值、方法以及趋势进行分析，有助于技术的进一步运用，也能提升相关管理工作质量，价值突出。

1 油田工业自动化PLC控制的价值

1.1 提升控制能力

油田工业自动化PLC 控制（图1）的直接价值在于提升控制能力。从特点上看，油田工业自动化关注以现代技术和设备，以及可编程系统对可重复进行的工作环节进行操控，如消防、填料、石化设备工作情况跟踪等，其中很多管理环节需要强调控制质量，包括液位、料位等[2]。传统人工管理模式下，以常规设备和工作人员肉眼观察组织管理，液位和料位等重点参数大体得到控制，但精准性不高。借助自动化工作设备、方式，只要默认程序设定合理、软硬件设备无异常，可借助传感设备精准、实时完成感知，确定管理目标的具体情况。PLC 控制机制以及其设备在此过程中主要为逻辑控制工作提供支持，保证各环节、各设备的工作能够有序开展，进而提升自动化控制工作水平。

图1：PLC 控制系统的基本构成

1.2 改善工作安全性

油田工业内容复杂，管理要素较多，部分环节存在一定安全隐患。引入工业自动化PLC 控制模式，可以提升工作安全性。如油田工业使用的腐蚀性材料，包括酸类、碱类等，一些强酸可能损坏设备、危及人员，甚至存在爆炸、火灾等隐患。常规管理工作中，主要强调以规范的制度为依托，了解危险化学品的存放情况、管理态势，一旦出现管理疏失，可能酿成事故、造成人员伤亡和经济损失。以工业自动化PLC 控制机制提供支持，清晰的逻辑管理思路，使来自管理对象的各项信息得到持续有效的捕捉、传递和分析，出现危险或存在安全隐患时，也能第一时间予以管控，进而保证油田工业生产、管理安全[3]。

2 油田工业自动化PLC控制的应用方法

2.1 基本思路

油田工业自动化管理工作中，PLC 控制的应用思路主要集中于三个方面：

（1）简练化。即以明确清晰的逻辑模式服务管理活动，以减少工作环节，提升管理效率。

（2）可控制。要求以远程编程等方式，确保PLC控制机制能够妥善服务油田工业自动化管理，也能在存在更改需求时随时完成更新和优化。

（3）适用性。要求PLC 控制能够符合油田工业自动化管理的具体需要，包括各类具体管理工作以及顶层管理等，凡使用了PLC 控制机制的模块，应能够普遍借助其优势实现自动化管理或提升自动化管理工作水平[4]。

2.2 关键技术

油田工业自动化PLC 控制的应用，需要来自多项技术的共同支持，除自动化技术和PLC 控制技术外，还包括通信技术、物联网技术、传感器技术、编程技术等，在必要情况下，还应以区块链技术、可视化技术、CAN总线技术、嵌入技术、计算机容灾技术等提供辅助。

通信技术主要为系统各部分提供通信方面的保障，为避免信号干扰，原则上PLC 逻辑控制系统内一切通信活动均以有线形式进行，远程端的管理可允许引入无线通信模式，如人员持有的移动终端[5]。物联网技术是实现油田工业自动化PLC 控制的基本条件，要求以物联网建设思路为基础，实现管理系统内所有关键要素和人员的实时连接，以便快速进行信息共享、完成指令下达。传感器技术则服务终端的信息采集，如油田工业使用的各类物料提供情况，安全生产管理信息等，以传感器等终端设备进行采集，再借助通信系统完成传递。编程技术服务与PLC 管理程序（也包括自动化程序）的设定、修正和完善。

如果油田工业自动化管理内容较多、较分散，在借助上述技术的同时，还需要引入分布式管理模式，这要求建立以区块链为核心的工作机制，各部分分别以区块链技术为依托开展自动化管理、PLC 控制，同时接受上一级统一管控。可视化技术可为人员的管理提供了便利，可将现场信息转化为可被计算机识别的数字化信息，再借助可视化设备提供给管理人员，后者据此进行其他必要管理工作。CAN 总线技术主要服务通信活动，如果油田工业自动化PLC 控制系统内的通信活动较频繁时，以CAN总线系统为不同区域的通信工作提供独立信道，保证通信流畅无干扰。嵌入技术、容灾技术分别服务附加系统引入、数据保护，为油田工业自动化PLC 控制系统提供其他方面的辅助。

3 油田工业自动化PLC控制的实践研究——砂罐的数字化改造为例

3.1 改造背景

油田工业自动化管理提升了管理质量、效率，包括砂罐在内，很多现代化工作设备可借助自动化技术提升管理水平，这也依赖PLC 控制工作的支持。从背景上看，砂罐的供砂能力是服务压裂工作的关键，为保证其储备、供砂能力，很多油田工业企业对砂罐进行了改造，使其能够借助计算机程序和设备完成自动化供砂，然而供砂系统工作依然存在不足，主要包括信息化水平低、管理不够精细化等。

如在压裂过程中，砂罐不能实时根据压裂作业需求足量供砂，或供砂过量影响作业质量，由于自动化改造尚未触及作业监控，自动化供砂活动并不完善，砂罐内各仓室砂量的监测、计算也不能在自动化技术的支持下有序开展，仍依赖人员进行观察，存在管理粗放问题。从原因上看，砂罐的形状并不规则，且其存储物（砂）带有一定的流体特点，很难在供砂作业过程中精准通过传统方式进行定量计算。在此背景下，借助PLC 控制技术进一步组织砂罐的数字化改造、提升其自动化作业水平显得必要。

3.2 改造方式

3.2.1 改造思路和要求

为提升砂罐的工作能力，思路上强调加强逻辑计算能力，借助PLC 控制技术，以超声感知为终端信息采集方式，进行料位分析，做称重计算，利用砂罐供料（砂）类别不变（砂）的特点，通过砂罐计量、状态监测两种方式，实现信息实时采集和分析，完成高质量的自动化供砂管理。以服务现场监控、自动计量以及必要的数据联动、应急处理。

要求方面，改造工作考虑五个基本原则，即可靠性、开放性、易操作、可维护和低成本。可靠性是指系统能够妥善开展工作，不会出现程序异常、操作指令误读等一般问题，保证作业稳定可靠。开放性是指系统能够适用于多个场景，在支持性技术方面无特殊要求，可标准化应用和建设。易操作则强调系统模块功能简练明确，人员经过简单训练即可上手操作。可维护强调系统具有自适应、自管理能力，在出现少许异常后可以通过自动化技术完成自我调控，出现严重问题也可通过人工干预解决。低成本关注系统建设经济性，非必要情况下减少支出，以满足工作需要为基准，避免大连采用高价格设备、构件。

3.2.2 改造形式

在上述要求下，系统的基本构成形式如图2 所示。

图2：系统的基本构成

此模式下，所有砂罐分别进行编号，并由独立的现场信息采集设备，采集砂罐工作信息，再以独立信道进行传输，由CAN 总线系统提供信道管理服务，将相关信息利用网络传输至远程管理处，如果砂罐信息无异常，继续重复上述工作环节，砂罐继续供砂；如果远程端认为砂罐工作情况存在异常，则发出警报并做处理。处理包括应急处理和人员处理两个部分，应急处理需要目标砂罐暂停作业并等候人员检查和处置。PLC 控制完成系统作业的全程管理，确保其规范有序的开展，不会出现逻辑混乱问题。

3.2.3 改造过程和原理

图2 所示模式下，改造过程牵涉到如下方面：

首先进行程序编写，确保系统掌握了改造思路要求下的工作能力，包括供砂信息分析、称重等。建立预警标准，确定供砂的极限参数（即最大供砂量和最小供砂量）。该参数以大数据研究获取，借助大数据了解砂罐工作的基本参数，并选定最大和最小参数，代入计算机中完成记忆，并以该计算机提供PLC 控制工作平台（或对多台终端设备进行管理，再由终端设备为PLC 控制提供平台）。确定实时储砂量的计算方法、储量和供砂参数的调配方法，将其代入计算机实现记忆，计算机的作用同上。设置执行设备进行传输系统管理，包括平板阀开关、供砂量调节等。

原理方面，PLC 逻辑控制主要以默认程序为中心，在改造设计过程中，结合其要求和目标，确定工作方法，之后依然以计算机平台为中心，确定PLC 控制的过程、方式，设定为系统默认程序，服务管理活动。其控制原理简图如图3。

图3：砂罐改造后PLC 控制简图

3.3 改造结果分析

完成改造后，对砂罐的工作能力进行评估，采用模拟实验的方式，对新系统能力进行测试。采用实时工作测试的方式，在砂罐工作过程中，随机选取100 个工作节点，记录系统自动化作业过程中PLC 控制质量，设定三个观察指标，即砂量高度检测误差、储砂量检测误差以及通信质量，其中通信质量细化为传输功率、丢包率、传输速率、传输延迟四个指标。100 次观察所获结果如表1。

表1：改造结果分析

结合表1 信息，可知砂罐改造后PLC 控制系统作用理想，砂量高度检测误差、储砂量检测误差均较小，且通信质量得到保证，这表明油田工业自动化PLC 控制的应用积极价值，可以提升实时管理能力，且通信质量较理想，便于数据收集和后续管理。

3.4 油田工业自动化PLC控制的发展趋势

从趋势上看，油田工业自动化PLC 控制将更趋全面化，也重视联动性和低成本化。全面化实时PLC 控制能够在常规管理砂罐作业的同时，在其他方面发挥作用，包括安全管理、储料管理、危险品存储环节管理等，以相似的思路，首先收集管理区域实时信息，再借助PLC 控制系统提供管理和控制方面的保障。联动性则是指油田工业自动化管理过程中，各管理单元、系统可以在PLC 控制系统下实现联动，如数据库管理、现场管理，现场管理的结果可进入数据库，以物联网提供传输渠道，丰富数据库信息；数据库信息也可借助物联网快速提供给现场管理者，由后者根据数据信息提升管理精度、灵敏性，进一步发挥PLC 控制系统的作用。

低成本化则关注以标准化的方式进行技术应用，普遍为油田工业自动化管理工作提供PLC 控制系统，免去反复研究技术应用模式的困扰，直接为各油田工业管理部门提供应用样本，降低工作的成本水平。同时，数字化压裂设备的赛道上，也在激发新的“生产力”，以泸203H8 平台的自动输砂装置为例，该装置新增了“砂罐计量”和“检测方式”系统。系统以料位计和称重模块的互相对应为基础，预设逻辑计算为核心，精确掌握储供砂装置内支撑剂实时量，解决多仓室物料不易计算的难题，达到自动计量、现场监控、数据联动、远程控制等功能，实现储砂供砂装置数字化。

4 结论

综上所述，油田工业自动化PLC 控制的应用价值较突出，有必要正视技术优势，继续予以研究和推广。自动化PLC 控制提升了系统逻辑清晰度，可以改善工作安全性和控制效果，思路上强调以精简的设计为基础，并提供具有高价值的辅助技术，保证系统工作能力。结合砂罐的数字化改造工作，可知以PLC 技术进行自动化作业的控制，改善了检测质量，也能保证信息传输质量。油田工业自动化PLC 控制的发展将更趋全面化，并关注联动性和成本控制，持续服务工业建设和自动化管理。