淺談油田小型酸化壓裂設(shè)備控制技術(shù)

摘要：其簡要介紹了小型酸化壓裂設(shè)備的控制技術(shù)，著重介紹了一種新型控制技術(shù)，該技術(shù)在原有控制技術(shù)的基礎(chǔ)上將可編程控制器和人機(jī)界面通過RS232通訊協(xié)議連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、控制，又利用了CAN總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示及控制。該控制技術(shù)提供給操作人員更多的方便與安全保障。本文概述了利用這種新型控制技術(shù)研發(fā)的控制系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；人機(jī)界面；RS232通訊協(xié)議；CAN總線協(xié)議

引言

近年來，隨著我國制造技術(shù)水平不斷提高，油田小型酸化壓裂車機(jī)械部件基本上達(dá)到世界先進(jìn)水平。但是，在儀表顯示上仍然沿用20年前的方式，靠目測讀取數(shù)據(jù)，靠手感進(jìn)行控制，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足操作人員的個性化需求，嚴(yán)重影響了設(shè)備整體性能的提高。特別是遠(yuǎn)程控制技術(shù)還沿用多芯電纜硬線連接，生產(chǎn)和制造成本都很高，安裝維護(hù)都不便。

本文概述的控制系統(tǒng)，是石油機(jī)械總公司第四石油機(jī)械廠最新研發(fā)的小型控制系統(tǒng)，主要針對小型酸化壓裂車數(shù)據(jù)采集、顯示及控制，著重闡述了系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)。

1.小型壓裂設(shè)備控制系統(tǒng)概述

小型酸化壓裂設(shè)備主要由發(fā)動機(jī)、傳動箱及柱塞泵三大機(jī)械部件組成，這三大部件經(jīng)過發(fā)動機(jī)→傳動箱→柱塞泵的動力傳送，將配制好的壓裂液泵送到井口，完成壓裂作業(yè)。因此，設(shè)備的控制系統(tǒng)主要圍繞這三大部件進(jìn)行設(shè)計，下表詳細(xì)列出了控制系統(tǒng)的顯示參數(shù)和控制點(diǎn)。

表1 控制系統(tǒng)功能表

從表1可以看出，控制系統(tǒng)除需監(jiān)控發(fā)動機(jī)、傳動箱及柱塞泵的作業(yè)參數(shù)外，還需提供報警功能，以反饋各部件是否工作正常。另外，控制系統(tǒng)具有超壓保護(hù)功能，即當(dāng)柱塞泵的出口壓力大于系統(tǒng)設(shè)置的最高壓力時，出于保護(hù)設(shè)備安全和人員安全考慮，系統(tǒng)提供機(jī)械保護(hù)和電氣保護(hù)兩種方法。機(jī)械保護(hù)就是通過手動泄壓來降低實(shí)際壓力值，使其小于設(shè)定的最大壓力值。電氣保護(hù)就是當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到實(shí)際壓力大于設(shè)定壓力值時，立即輸出超壓信號，通過繼電器控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)立即回怠速、傳動箱立即回空檔狀態(tài)，從而降低了柱塞泵的壓力。通常情況下，這兩種方法需配合使用，但是無論哪種方法都需手動解除超壓狀態(tài)后，系統(tǒng)才能正常作業(yè)。

基于以上功能表我們先后開發(fā)了兩種控制系統(tǒng)，包括傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和新型控制系統(tǒng)。

2.傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

圖1傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

ECM——Engine Control Model發(fā)動機(jī)控制中心，發(fā)動機(jī)的大腦，采集并處理發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，并提供用戶接口。

TCM——Transmission Control Model傳動箱控制中心，傳動箱的大腦，采集并處理傳動箱數(shù)據(jù)，并提供用戶接口。

如圖1 所示，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、傳動箱控制系統(tǒng)及柱塞泵數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)各自獨(dú)立，用于顯示作業(yè)數(shù)據(jù)的儀表種類和數(shù)量都很多，控制閥件也很復(fù)雜。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)完全是主控的備份，它采用30多芯的電纜與主控硬線連接，無論從安裝、使用和維護(hù)上都很復(fù)雜。

3.新型控制系統(tǒng)

圖2 新型控制系統(tǒng)

TTC60——德國派芬公司開發(fā)的專門用于汽車工業(yè)的一款可編程工業(yè)控制器，它可以實(shí)現(xiàn)對所有作業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸、運(yùn)算、處理及控制。

T10A——瑞典北爾公司開發(fā)的適用于汽車工業(yè)的一款人機(jī)交互觸摸屏，它可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、設(shè)置、下載，歷史數(shù)據(jù)的瀏覽等功能。

CAN——Controller Area Network的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

RS232——RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號。

如圖2所示，新型控制系統(tǒng)通過可編程工業(yè)控制器和人機(jī)界面將發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、傳動箱控制系統(tǒng)及柱塞泵數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)融合在一起，實(shí)現(xiàn)集中控制，遠(yuǎn)程控制則通過CAN總線通訊方式實(shí)現(xiàn)。

新型控制系統(tǒng)充分利用控制器本身數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)程序下載、數(shù)據(jù)采集和通訊功能。該控制器具有2個CAN接口，1個RS232接口。其中，本地控制器的1個CAN接口用來采集發(fā)動機(jī)及傳動箱的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)和傳動箱實(shí)時交換數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及傳動箱換檔。另一個CAN接口用來下載程序或與遠(yuǎn)程控制器的一個CAN接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。本地控制器和遠(yuǎn)程控制器的RS232接口分別與人機(jī)界面通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和控制。

新型控制系統(tǒng)利用人機(jī)界面的USB接口和以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)程序下載和數(shù)據(jù)下載功能。其中，USB接口可自動識別4G以上U盤，系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)保存及下載功能。下載的文件為.skv文件，用戶將此文件拷貝到個人電腦上用excel軟件可以打開并編輯，方便操作人員對作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，以便了解整個設(shè)備的狀態(tài)及柱塞泵的工作效率等。

新型控制系統(tǒng)將原本分散采集的發(fā)動機(jī)、傳動箱及柱塞泵的數(shù)據(jù)集中到控制器中通過人機(jī)界面集中顯示，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)各個數(shù)據(jù)之間的運(yùn)算處理，還可以方便用戶選擇操作界面，實(shí)時觀察設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。遠(yuǎn)程控制利用通信技術(shù)，取代原來的多芯電纜硬線鏈接，無論從安裝、使用和維護(hù)上都更加優(yōu)化。

4.小結(jié)

隨著可編程控制技術(shù)和人機(jī)界面技術(shù)在油田設(shè)備中應(yīng)用普及，新型控制技術(shù)將取代傳統(tǒng)控制技術(shù)逐漸被操作人員接受。小型酸化壓裂設(shè)備新型控制系統(tǒng)的成功運(yùn)用正是這種技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，它摒棄了傳統(tǒng)控制技術(shù)中各自獨(dú)立、硬線控制，以通訊協(xié)議的方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集中采集、處理及傳輸。無論從成本與運(yùn)行的效益來看，是傳統(tǒng)控制方式不能比擬的。同時隨著小型酸化壓裂車技術(shù)的日益發(fā)展，自動壓力及自動排量技術(shù)將成為發(fā)展趨勢，其智能化程度在以后相當(dāng)長的時間里會有一個進(jìn)步發(fā)展的空間。

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作者簡介：

紀(jì)麗華 （1978.12-），女，2003年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，學(xué)士，現(xiàn)工作于江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠電控分廠（所）任電氣工程師，研究方向?yàn)楣叹畨毫言O(shè)備電氣系統(tǒng)設(shè)計，參與設(shè)計的項(xiàng)目多次獲局級、廠家獎勵，個人獲合理化建議二等獎及工藝攻關(guān)二等獎等。