張培志 侯勇俊 蔡科濤 龍 磊
(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院1,四川 成都 610500;西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院2,四川 成都 610500;青海油田天然氣開發(fā)公司3,青海 格爾木 816000)
往復(fù)泵可在高壓下輸送高黏度、大密度和高含砂量的液體,具有效率高、排出壓力大等優(yōu)點,在石油鉆井、酸化壓裂、注水等石油礦場生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。
隨著石油工業(yè)的發(fā)展,其對往復(fù)泵的要求也越來越高。傳統(tǒng)的往復(fù)泵在技術(shù)日益成熟的同時也存在一些問題,如流量壓力波動大、易損件壽命短、質(zhì)量大等缺點;為了使排量均勻,并提高泵的吸入性能,往復(fù)泵需要加裝排出、吸入空氣包等。針對傳統(tǒng)往復(fù)泵的上述缺點,國內(nèi)學(xué)者提出了一種三直線電機往復(fù)泵[2-3]。
研究表明,三直線電機往復(fù)泵具有輸出壓力大、制造維修方便、流量壓力脈動小等特點;三直線電機往復(fù)泵不需設(shè)置排出空氣包,就可以使排量均勻度達到高性能水平[4]。為了驗證理論研究的正確性,本文研制了一種以計算機為核心的雙作用三直線電機驅(qū)動往復(fù)泵試驗裝置。
雙作用三直線電機往復(fù)泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 三直線電機往復(fù)泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the triple linear motor reciprocating pump
通過控制該裝置的閥門,不但可以進行單直線電機和三直線電機驅(qū)動往復(fù)泵控制技術(shù)研究;同時也可以分別進行單作用輸送和雙作用輸送穩(wěn)定性研究[4-5]。
通過改變直線電機工作電源的頻率,直線電機驅(qū)動往復(fù)泵可以調(diào)節(jié)直線運動速度,從而達到調(diào)節(jié)往復(fù)泵沖次、調(diào)節(jié)排量的目的。
單作用是指直線電機只驅(qū)動1個往復(fù)泵。該試驗裝置的每臺直線電機可以驅(qū)動2個左右的往復(fù)泵。當直線電機的動子-活塞組件從左向右運動時,左邊的往復(fù)泵工作于吸入狀態(tài),而右邊的往復(fù)泵工作于排出狀態(tài);當直線電機的動子-活塞組件從右向左運動時,左邊的往復(fù)泵工作于排出狀態(tài),而右邊的往復(fù)泵工作于吸入狀態(tài)。顯然,雙作用比單作用的效率更高、穩(wěn)定性更好。
三直線電機往復(fù)泵的三個直線電機都可以單獨控制,并進行單電機試驗。單電機試驗的主要目的是為了測試系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的參數(shù),建立動子-活塞組件沖程和沖次與直線電機速度控制的關(guān)系,從而為三直線電機協(xié)調(diào)控制打下基礎(chǔ)。
三直線電機動子-活塞組件的速度與位置呈一一對應(yīng)的關(guān)系[6]。設(shè)S為一個往復(fù)泵內(nèi)部活塞的沖程,控制3個電機之間的行程差各為S/3,以1號直線電機為參考,它超前2號直線電機和3號直線電機的行程分別為S/3行程和2S/3行程。因此,通過控制三個直線電機動子-活塞組件的位置,就可以實現(xiàn)三直線電機協(xié)調(diào)控制。
直線電機驅(qū)動往復(fù)泵控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。
大數(shù)據(jù)的興起,使人們的生活發(fā)生著前所未有的變化,不僅表現(xiàn)在各行各業(yè)的發(fā)展上而且也對整個教育體系產(chǎn)生巨大的影響。它不斷推動著教育體系改革和創(chuàng)新,許多學(xué)者都探討了在大數(shù)據(jù)影響下教育體系變革的趨向和教育模式等
圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware of the control system
根據(jù)直線電機往復(fù)泵試驗裝置工作原理,設(shè)計了雙作用三直線電機往復(fù)泵試驗裝置的計算機直接控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個部分組成:3個三相圓筒型直線異步電動機、3個位移傳感器、1個壓力傳感器、1個流量傳感器、3臺變頻器、1個PCI信號采集卡、1個RS-232/RS-485通信轉(zhuǎn)換器。
系統(tǒng)每臺電機的控制回路由檢測單元、運算單元和控制單元組成,3臺電機共有3個控制回路。作為核心控制單元的計算機,負責(zé)采集位移信號。通過控制算法運算后,再通過通信接口,把控制信號發(fā)送給變頻器;由變頻器控制直線電機驅(qū)動往復(fù)泵工作,從而實現(xiàn)對直線電機速度、位移等的協(xié)調(diào)控制;最終實現(xiàn)對往復(fù)泵沖程和沖次的控制,使匯管流量和壓力穩(wěn)定在一定的數(shù)值。
在系統(tǒng)匯管出口安裝有1只壓力變送器和1只流量變送器,負責(zé)采集各種控制模式下的液體輸送出口工況。
系統(tǒng)軟件采用VB程序編寫,主程序流程框圖如圖3所示。
圖3 主程序框圖Fig.3 Main program
在測控系統(tǒng)硬件電路確定之后,其主要功能由軟件來實現(xiàn)。
為了達到實時、靈活、可靠、有效等要求,將測控應(yīng)用軟件進行模塊化設(shè)計。系統(tǒng)主要模塊及其相應(yīng)的功能分別介紹如下。
①實時數(shù)據(jù)采集及處理模塊。實時數(shù)據(jù)采集程序主要完成5路模擬信號的采樣、輸入變換、存儲等;數(shù)據(jù)處理程序主要完成標度變換和實時曲線繪制。其中,標度變換是把采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成操作人員熟悉的工程量,實時曲線繪制是把采集的數(shù)據(jù)通過曲線直觀地表達給操作者。
②控制模塊??刂颇K主要控制直線電機按照一定的速度曲線實現(xiàn)往復(fù)運動,最終三直線電機按照給定的運動規(guī)律實現(xiàn)主從同步協(xié)調(diào)控制。因此,對控制結(jié)構(gòu)的研究是該測控系統(tǒng)的重點。
③監(jiān)控報警模塊。該模塊針對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的毀壞情況進行自動檢測,當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時,立刻報警并自動停止工作。
④系統(tǒng)管理模塊。該模塊首先將各個功能模塊組成一個程序系統(tǒng),并管理調(diào)用各個功能模塊運行;其次是管理數(shù)據(jù)文件的存儲和輸出。
⑤數(shù)據(jù)通信模塊。該模塊主要完成計算機與變頻器之間、計算機與PCI數(shù)據(jù)采集卡之間的信息傳遞和交換。其具體任務(wù)是設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的波特率、向數(shù)據(jù)采集卡和變頻器發(fā)送機號、接收和判斷采集發(fā)回的機號、命令數(shù)據(jù)采集卡傳送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)采集卡傳來的數(shù)據(jù)以及發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到變頻器等。
2.2.1 單直線電機試驗程序設(shè)計
單直線電機試驗程序主要由參數(shù)設(shè)定模塊、速度控制模塊、報警與數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊等組成。其程序框圖如圖 4 所示[7-10]。
圖4 試驗程序框圖Fig.4 Test programs
單電機動子-活塞組件的沖程S與某一速度之間的實測速度曲線如圖5所示。在一個吸入沖程S或排出沖程S內(nèi),電機都有一個速度上升階段、速度恒定階段和速度下降階段。通過控制直線電機的速度,就可以得到需要的動子-活塞組件沖次。需要注意的是,在吸入沖程與排出沖程之間,需預(yù)留有一定的死區(qū),以克服電機反向時的慣性。
圖5 單直線電機試驗實測速度曲線Fig.5 The measured speed curve of single linear motor test
2.2.2 三直線電機試驗程序設(shè)計
三直線電機試驗程序框圖與單直線電機試驗程序框圖類似。它與單直線電機控制的主要區(qū)別在于虛框內(nèi)的速度控制器不同,單直線電機只有1個速度控制器,而三直線電機需要3個速度控制器。為了實現(xiàn)三直線電機協(xié)調(diào)控制往復(fù)泵,三直線電機速度控制器軟件編程采用了主從同步結(jié)構(gòu)。速度控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。只需設(shè)定1號直線電機的給定信號,2號和3號直線電機的給定信號程序按主從同步規(guī)律自動生成。該速度控制器結(jié)構(gòu)還可以補償機械傳動系統(tǒng)的誤差以及反饋回路的系統(tǒng)誤差。速度控制器結(jié)構(gòu)既控制了速度,又控制了相位,達到了速度相位協(xié)調(diào)控制的目的。
圖6 速度控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the speed controller
三直線電機動子-活塞組件的實測速度曲線如圖7所示[6]。
圖7 三直線試驗實測速度曲線Fig.7 The measured speed curves of triple linear motor test
本文所研制的雙作用三直線電機往復(fù)泵試驗裝置可減少中間過程中的能量損耗,克服傳統(tǒng)往復(fù)泵傳動鏈長、系統(tǒng)柔性差、效率低、壓力波動大、沖程不便調(diào)節(jié)以及維修不方便等缺點。各缸間無機械耦合,完全依靠控制系統(tǒng)實現(xiàn)要求的運動相位和運動速度,可方便實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。因此,該裝置的成功研制對直線電機在往復(fù)泵中的應(yīng)用具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
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