三直線電機(jī)往復(fù)泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

張恒云

ZHANG Heng-yun

（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650093）

0 引言

往復(fù)泵是一種利用柱塞（活塞）在泵缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來改變工作室的容積而輸送介質(zhì)的泵，具有排出壓力高、單排量較小的特點(diǎn)。效率高、排出壓力高等優(yōu)點(diǎn)，使往復(fù)泵在石油礦場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用，常用在高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體。如用于向井底輸送和循環(huán)鉆井液的鉆井泵，用于向井底注入高壓水泥漿固化井壁的固井泵，用于向井底注入含大量固體顆粒的液體或酸堿液體制造油層人工裂縫而提高原油產(chǎn)量和采收率的壓裂泵，用于在井內(nèi)抽汲原油的抽油泵等等。隨著石油工業(yè)對(duì)往復(fù)泵的要求越來越高，往復(fù)泵向著輸出壓力高、流量大、制造和維修方便、流量壓力脈動(dòng)小、體積和重量小等方向發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)

直線電機(jī)的監(jiān)測(cè)控制裝置由上位機(jī)、RS-232/RS-485隔離轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換控制電路、變頻器控制系統(tǒng)、位移檢測(cè)裝置、流量檢測(cè)裝置、壓力檢測(cè)裝置等部分組成，如圖1所示。直線電機(jī)運(yùn)行過程的模糊調(diào)節(jié)控制計(jì)算由上位機(jī)系統(tǒng)完成，同時(shí)，上位機(jī)肩負(fù)著顯示、記錄和提供操作界面的任務(wù)。RS-232/RS-485隔離轉(zhuǎn)換器的功能是實(shí)現(xiàn)串行通信數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。各個(gè)傳感器用于采集運(yùn)行中信號(hào)，直觀的顯示系統(tǒng)運(yùn)行情況。位移檢測(cè)裝置、流量傳感器、壓力變送器將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的直線電機(jī)位移量、流量值、壓力值通過A/D模塊ADAM-4017，送給上位機(jī)系統(tǒng)。變頻器控制系統(tǒng)用于直線電機(jī)的控制。A/D轉(zhuǎn)換控制電路將RS-232串行接口從各傳感器送入的信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于RS-232/RS-485隔離轉(zhuǎn)換器的存在，程序可以實(shí)現(xiàn)從上位機(jī)直接向變頻器輸出信號(hào)，進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置，電機(jī)運(yùn)行控制等。位移檢測(cè)裝置、流量檢測(cè)裝置和壓力檢測(cè)裝置構(gòu)成整個(gè)信號(hào)輸入系統(tǒng)，采集整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)。

本系統(tǒng)具備同時(shí)控制單臺(tái)、兩臺(tái)或三臺(tái)直線電機(jī)的功能。可以通過上位機(jī)的程序選擇確定采取單泵工作方式、兩泵同時(shí)運(yùn)行或三泵同時(shí)運(yùn)行。單作用直線電機(jī)三缸往復(fù)泵工作原理如圖如圖1所示。主要由直線電機(jī)、缸套、活塞-電機(jī)次級(jí)組件（簡(jiǎn)稱活塞組件）、排出閥、吸入閥、底座、傳感器、上位機(jī)等部分組成，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)活塞組件在缸套中作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用傳感器采集每個(gè)電機(jī)位移信號(hào)、流量信號(hào)、壓力信號(hào)，采集信號(hào)到的信號(hào)通過A/D模塊，送入上位機(jī)進(jìn)行處理，上位機(jī)中運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制軟件，采用模糊控制算法，其結(jié)果以ModBus傳輸協(xié)議形式給變頻器發(fā)送指令，控制每個(gè)直線電機(jī)按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并保證各個(gè)電機(jī)具有規(guī)定的相位差，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度和電機(jī)之間相位差的協(xié)調(diào)控制。

圖1 控制系統(tǒng)的組成

2 軟件設(shè)計(jì)

直線電機(jī)的控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉線式位移傳感器不斷地檢測(cè)直線電機(jī)的位移，產(chǎn)生的模擬量電壓信號(hào)作為位置反饋通過A/D模塊ADAM-4017送入到上位機(jī)中，通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序界面顯示。上位機(jī)讀入流量、壓力數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，比較報(bào)警。上位機(jī)讀入測(cè)到的直線電機(jī)當(dāng)前實(shí)際位移，計(jì)算獲得電機(jī)速度和理論位移，以便比較、報(bào)警和曲線繪制，由模糊控制算法來給出反饋以驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)。每一采樣周期采集到的位移值與數(shù)據(jù)庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)值作比較，比較后，按照規(guī)則庫(kù)的設(shè)定對(duì)變頻器輸出進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)實(shí)際位移小于給定位移時(shí)，則變頻器輸出頻率升高，電機(jī)速度加快；反之，實(shí)際實(shí)際位移大于給定位移時(shí)，則變頻器頻率降低，電機(jī)速度減小，如此多次調(diào)整，使得定義的誤差率值圍繞零輕微上下波動(dòng)，最好能達(dá)到零。這就是電機(jī)的控制方案。

在直線電機(jī)的控制過程中，需要實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的精確定位和一定范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率。對(duì)前者而言，需要選擇采樣頻率高的模塊和合適的控制算法。采樣頻率高的模塊在硬件選擇時(shí)考慮。對(duì)控制算法，由于往復(fù)泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，且直線電機(jī)的參數(shù)也并非恒定，摩擦力、推力會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間、濕度及溫度的變化而變化，因而采用常規(guī)PID控制方法難以獲得好的效果，采用模糊控制方法，可以在不需要研究其復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的情況下，實(shí)現(xiàn)其有效控制。需要選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷?。采樣周期短，控制就能更加精確，但同時(shí)會(huì)使直線電機(jī)的響應(yīng)頻率變小。一定范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率，在軟件通訊模塊中討論。

軟件主體是在VB 6.0中完成，包括各個(gè)操作界面和簡(jiǎn)單操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、往復(fù)泵系統(tǒng)的監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)采集、命令發(fā)布、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)性能直觀顯示等功能。軟件設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)按照?qǐng)D2所示主程序流程圖的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

圖2 主程序流程圖

本文根據(jù)多直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的思路，為直線電機(jī)往復(fù)泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用直線感應(yīng)電機(jī)代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為為動(dòng)力源，減少了傳統(tǒng)往復(fù)泵中把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化直線運(yùn)動(dòng)時(shí)必須經(jīng)過的中間環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)效率。利用拉線式電阻尺位移傳感器、流量傳感器、壓力變送器、通用變頻器、研華ADAM-4000系列工控模塊以及VB程序構(gòu)建了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用直線感應(yīng)電機(jī)代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為為動(dòng)力源，減少了傳統(tǒng)往復(fù)泵中把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化直線運(yùn)動(dòng)時(shí)必須經(jīng)過的中間環(huán)節(jié)，利用模糊控制方法，向變頻器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、電機(jī)間相位差的協(xié)調(diào)控制。與此同時(shí)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、采集傳感器參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄運(yùn)行情況，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。本監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)為下一步的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制經(jīng)驗(yàn)，具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

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