石油装备控制系统Eapp智能设计方法及应用 – 刘启蒙-中石油压裂装备控制技术探索者

刘启蒙^1,2 樊春明^1,2 李磊^1,2 孙传轩^1,2 李双鹏^1,2

国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡 721002；

2. 宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002

关键词 石油自动化装备；控制系统；Eapp智能设计；功能特性；软件应用

Eapp Intelligent Design Method and Application of Petroleum Equipment Control System

Liu Qimeng Fan Chunming Li Lei Sun Chuanxuan Li Shuangpeng

(National Engineering Research Center of Oil and Gas Drilling Equipment；CNPC Baoji Oilfield Machinery Co. , Ltd.)

Abstract: For the control system of petroleum automation equipment, this paper analyzes the technical status and some problems in development of control system in traditional design mode, puts forward a new kind of Eapp intelligent design method, illustrates the significance of Eapp concept which is proposed and the value of the software, compares the similarities and differences among the Eapp and conventional APP, details the Eapp model structure composition, types, characteristics, function and application method, provides the basis and standardized design thinking for unified planning the control system software. Finally, some Suggestions on the intelligent design and implementation of the control system of petroleum automation equipment are put forward.

Keywords: Petroleum automation equipment; Control system; Eapp intelligent design; Functional features; Software applications

现阶段石油装备控制系统正逐步发展成为包含动力供配、信号采集、运动控制、安全保护、监测报警、网络互联等多功能为一体的高度集成系统。国内石油装备正在逐步走向“自动化、信息化、标准化、智能化”，这是石油装备行业切实的发展目标和趋势^【1-4】。

由于国内石油装备研发、生产制造公司对于控制系统缺乏统一规划和标准化的设计思路，导致与国外同类型系列化产品相比在控制系统层面上有很大的差距^【5】。本文提出Eapp智能设计方法，旨在为石油自动化装备控制系统提出一种规范化、标准化的软件管理和智能设计手段，并已成功应用于宝鸡石油机械有限责任公司生产的压裂与固井装备系列产品。

1 技术现状

石油机械控制系统传统设计模式下，软件开发存在若干问题：程序代码的编写、运行、组织形式和应用软件架构按程序员个性自成一体，不便融合，不便于推行规范化、标准化软件设计编程；大量代码段没有分类封装，可读性较低，互换性较差；软件维护成本高，操作繁琐，程序段跳转盘根错节，软件工程师不能快速聚焦到具体的代码段上；不便于互联各类软件平台，各大品牌厂家的软件融合度不高；各设备控制系统间依靠总线进行信息交互，软件层没有真正互联在一起；代码质量不能得到有效控制；辅助功能依赖第三方；对工艺流程的定义模糊，工艺流程代码较为零散，过程性突出，因此这部分代码容易在程序块中遗漏。

由于上述问题，导致了石油自动化装备各设备之间相对独立并存在随意性，甚至同一公司生产的同系列产品，在设计方式、软件架构、产品性能等方面都相对孤立，进而体现不出产品特色，形成不了统一风格，产品间的设计资源不能有效共享，研发周期较长。

2 Eapp智能设计

2.1 提出与意义

为了促进国产石油自动化装备高效发展，加快装备制造公司对产品的系列化进程，针对控制系统技术现状，提出Eapp（Electric app）智能设计手段，这是一种能够预先配置功能块，处理复杂、重复的编程任务，以工业APP的形式存在并应用于开发平台中的模块化软件设计手段。

随着多样化的石油工程化产品对自动控制系统的要求越来越高，软件作为智能化系统的核心要素，是系统卓越价值的集中体现，因此改善软件环节具有重要意义。

Eapp的提出和应用以链条式提升软件价值，如图1，首先可改变平台架构，方便各类软件平台互联，实现信息共享、远程服务、快速匹配和替换升级等；进而提升软件工程能力，可以有效推进程序开发进度，软件可靠性大幅提升，能够有效掌控软件质量；聚焦设备工艺过程，封装游离的操作工艺代码，使工艺配置分类封装，可读性高，互换性高，使软件维护成本降低，避免编程错误导致的停机，从而大大降低了投资风险；更方便与第三方软件融合，并可以提高软件保密性，软件库的集成能力大幅提升；Eapp独立于硬件存在，以统一架构设计，便于推行规范化编程；由于以Eapp功能块为基本单位，提升了软件增值服务能力。

图1 Eapp软件价值链条

2.2 特性与功能

Eapp作为工业APP，与常规APP之间存在诸多共性，同时也存在显著差异。

如图2，智能手机的每个APP提供不同的服务：电话功能、拍照、地图、音乐、日历、微信等等；Eapp按照相同的模式存在和运行，它也有很多功能，每个功能提供不同的服务：配置、报警、诊断、能源管理等等。

图2 APP与Eapp

APP与Eapp的差异在于：APP是应用工具，而Eapp是一种研发手段，在软件的开发过程中发挥作用，软件工程师通过创建和使用Eapp完成研发任务，通过预先配置功能块处理重复的编程任务，以便应用和测试。

图3 Eapp 特性

Eapp具有如图3所示的显著特性：

1）聚焦性：开发Eapp本身就是一个聚焦过程，程序员可通过创建和调用Eapp专注于编程任务中的某项具体环节，其中一个重要环节是可以聚焦工艺流程，将工艺流程封装起来，形成操作工艺在软件上的系列化；

2）高效性：有利于提升软件代码质量，当每一段代码被独立摘出，便更容易剖析每一条代码，从而精简、优化程序，进而降低软件维护成本，维护过程中不必大量阅读程序，故障点所属位置一目了然，大大降低了软件工程师的无效劳动。研发产品的开发周期显著缩短，统计数据表明，使用Eapp封装块理念的软件开发周期较传统模式提高56%左右。

3）规范性：由于模块化了各个程序段，更便于推行标准化、规范化编程。集成软件平台互联，二次开发互联组件，使各异的编程平台真正互联互通，就像相同的APP可以运行在不同品牌的手机上。Eapp功能块可无缝集成到自动化软件中，任何使用集成了Eapp功能块的软件，开发人员都可以利用Eapp组件进行编程，由于规范，进而易于配置，便于开发者对多平台下复杂软件系统进行把握。

2.3 基本架构

Eapp根据其所属种类，具体编写形式是不同的，但基本架构相通。Eapp基本架构分为接口层和数据层，通过接收或返回缓存数据进行连接；接收的数据经判断是否直接进入缓存区，若是，则进行指针传递，若否，则传入API（Application Programming Interface）函数进行运算处理；功能程序段全部封装在API函数中，运算结果传递到缓存区。如图4所示。

图4 Eapp架构

3 应用方法

3.1 理清输入

理清输入指的是明确工程设备使用环境、功能特性要求等必要的设计输入，将软件编程任务进行规范化、模块化解析，创建或调用所属功能的Eapp。在方案设计阶段统筹考虑需要建立或调用的Eapp模块，如图5，采用或开发支持Eapp的集成编程环境，把可能用到的Eapp载入其中，准备进一步使用。

图5 使用Eapp

3.2 划分类型

如图6，确定需要创建或调用的Eapp属于哪个类型的数据库，主要为系统Eapp库和应用Eapp库两种。

系统Eapp库，包含所有封装了系统数据的Eapp块，完成包含系统设置、硬件配置、工艺类型选择、网络组态、显示设置（可视化设定）等基本常规功能的编程开发。

应用Eapp库，包含所有封装了设备个性化定制功能的Eapp块，完成包含运动控制、配方管理、仪器仪表、远程服务、在线编程、历史与趋势、报警与归档、传动设置、辅助功能等功能的研发封装。

图6 Eapp 库

3.3 调用Eapp

创建或调用Eapp。如果工程化编程任务是第一次设计，则需要创建Eapp块，封装所有指定编程任务下的代码段，预留接口引脚；如果所需功能在Eapp库中已存在，便直接调用即可，将相应的Eapp载入到集成编程平台主函数中。如图7，某项工程的集成软件可以划分为若干子平台下的子软件，分别由不同的工程师编写，由于采用了Eapp编程理念，各子软件在代码基因上是互通的，极大程度的实现了设计资源共享。设置经过创建或调用的Eapp引脚参数，使每个实参或形参连接到指定的变量或其它Eapp的引脚，使程序中的所有Eapp结合成完整的工程软件。