混砂設(shè)備中液位控制系統(tǒng)算法研究

毛玉蓉

(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

在油田壓裂機(jī)組中，混砂裝備在壓裂施工中按一定的比例和程序輸砂和混砂，并把這些不同砂比(砂液濃度)、不同粘度的壓裂砂液低壓泵送給壓裂裝備。它的工作性能將影響到整個(gè)壓裂施工的成敗，是壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)非常關(guān)鍵的設(shè)備之一。因此在設(shè)計(jì)混砂車時(shí),既要考慮設(shè)備的耐用性、可靠性,又要顧及到它較大的處理量，液、砂量應(yīng)分別自由控制和計(jì)量,含砂比要盡可能高[1]。

通過詳細(xì)調(diào)研，對(duì)國(guó)內(nèi)、外的混砂控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)混砂控制系統(tǒng)和國(guó)外部分混砂系統(tǒng)存在的問題主要體現(xiàn)在：液位不能精確控制，當(dāng)施工排量發(fā)生變化時(shí)容易發(fā)生抽空和漫罐，操作人員需要時(shí)刻觀察和調(diào)整液位；砂比響應(yīng)速度不能滿足復(fù)雜施工響應(yīng)速度的需要；無法滿足壓裂作業(yè)工藝要求，控制系統(tǒng)覆蓋不全面。

基于以上問題，筆者研制的混砂自動(dòng)控制系統(tǒng)需要完成：系統(tǒng)建模分析，采用先進(jìn)控制算法提高控制響應(yīng)速度和精確性；分析壓裂工藝要求，完善控制范圍；參與壓裂機(jī)組整體網(wǎng)絡(luò)通信和控制。在此，筆者將重點(diǎn)進(jìn)行混砂設(shè)備液位自動(dòng)控制算法的研究。

1 混砂設(shè)備液位自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①

混砂車的結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)、供液和輸砂系統(tǒng)3部分組成[2]。其工作流程為：吸入泵(離心泵)向混砂罐提供清水，輸砂器向混砂罐提供干砂，液添泵向混砂罐提供膠聯(lián)劑(支撐劑)及干粉等，經(jīng)混砂罐內(nèi)攪拌器充分?jǐn)嚢韬螅缮氨?離心泵)從罐內(nèi)吸出排入壓裂車的柱塞泵吸入端。此過程為連續(xù)動(dòng)態(tài)過程，所有執(zhí)行均為液壓驅(qū)動(dòng)，并可無級(jí)變速，在手動(dòng)控制或自動(dòng)控制方式下實(shí)現(xiàn)各種介質(zhì)按比例、排量的混合液排出。

在進(jìn)行液位自動(dòng)控制前，操作員需要頻繁調(diào)節(jié)吸入流量以維持液位的穩(wěn)定(使吸入流量與排出流量保持一致)。本液位自動(dòng)控制系統(tǒng)使壓裂混砂作業(yè)的操作更為簡(jiǎn)單，根據(jù)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集吸入流量、吸入閥閥位和混砂罐內(nèi)液體的實(shí)際液位。根據(jù)實(shí)際液位、設(shè)定液位得出達(dá)到當(dāng)前設(shè)定液位的吸入流量；根據(jù)計(jì)算值控制吸入泵轉(zhuǎn)速、吸入閥開啟度；通過控制吸入流量來控制混砂罐液位。

液位控制系統(tǒng)由流量計(jì)、超聲波液位計(jì)、計(jì)算機(jī)、吸入泵驅(qū)動(dòng)板和手動(dòng)控制組成，其組成框圖如圖1所示。工作時(shí)，通過液位計(jì)將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的液面信號(hào)反饋給PLC，PLC將檢測(cè)的液位與施工作業(yè)設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)給吸入泵驅(qū)動(dòng)電路板，從而調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速，維持液面高度的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)液面自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖1 液位控制系統(tǒng)組成框圖

檢測(cè)信號(hào)的精度決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。因此基于混砂工藝特點(diǎn)的信號(hào)采集和測(cè)量方式的確定非常重要，對(duì)傳感器的檢測(cè)精度及抗干擾性等要求也相應(yīng)地提高。混砂車液位計(jì)的液位檢測(cè)傳感器一般采用超聲波液位計(jì)，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選用雷達(dá)液位計(jì)，相比較于超聲波液位計(jì)，抗干擾性好，適用于含有泡沫的介質(zhì)液位測(cè)量。雷達(dá)液位計(jì)對(duì)液位的檢測(cè)主要是依靠一定頻率的電磁脈沖以光速v沿著鋼纜傳播，當(dāng)電磁波遇到被測(cè)介質(zhì)的表面發(fā)生反射，在電磁波發(fā)射處接收所形成的回波。記錄在電磁波發(fā)射到接收的時(shí)間t，電磁脈沖發(fā)射點(diǎn)與介質(zhì)表面的距離d與該時(shí)間成正比，依據(jù)d=vt/2這一關(guān)系，在微處理器中自動(dòng)計(jì)算得到液位的高度。

根據(jù)需要，混砂液吸入流量計(jì)選用渦輪流量計(jì)。將設(shè)定的混合液液位作為設(shè)定值并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，采集的實(shí)際液位經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用PID指令進(jìn)行控制，根據(jù)控制量輸出模擬量，經(jīng)微處理器的控制輸出模塊輸出給外圍電路，再經(jīng)過外圍電路放大及濾波等處理，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)——泵，來調(diào)整基液的流量。為使響應(yīng)迅速，在人機(jī)界面上設(shè)定最低液位上、下限值和最高液位上、下限值。當(dāng)測(cè)量液位達(dá)到最低液位下限時(shí)，基液流量控制直接為最大值，直到測(cè)量液位恢復(fù)到設(shè)定最低液位上限，再采用PID控制；當(dāng)測(cè)量液位達(dá)到最高液位上限時(shí)，基液流量控制為最小，直到測(cè)量液位恢復(fù)到設(shè)定最大液位下限，再采用PID控制。

2 混砂作業(yè)液位控制算法研究

2.1 液位對(duì)象特性分析

液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，其中單容液位控制系統(tǒng)具有非線性、滯后及耦合等特征，能夠很好地模擬工業(yè)過程特征。對(duì)于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制一般采用固定的調(diào)整參數(shù)，不能保證控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化或者工作條件發(fā)生變化時(shí)，均得不到理想的控制效果。而模糊控制對(duì)系統(tǒng)的具體模型要求不高，并且具有對(duì)參數(shù)變化不敏感及魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制有效結(jié)合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例、積分、微分參數(shù)，能更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化。

2.2 控制算法的研究

使用液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，開始時(shí)液位控制處于手動(dòng)控制狀態(tài)，實(shí)際液位接近設(shè)定液位后再將其設(shè)置為自動(dòng)控制狀態(tài)，液位能很快被控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。混砂作業(yè)過程中，操作員可根據(jù)需要將液位設(shè)置為手動(dòng)控制或自動(dòng)控制，通常應(yīng)該設(shè)置為自動(dòng)控制狀態(tài)?？刂瓶驁D如圖2所示。操作員在作業(yè)開始前設(shè)置一個(gè)設(shè)定液位[3](通常該液位設(shè)定后就不需要更改)，與混砂罐出口液位進(jìn)行比對(duì)，利用控制器調(diào)整泵的流量。在系統(tǒng)控制中，采用雙閉環(huán)反饋控制，分別為液位反饋和流量反饋，達(dá)到快速調(diào)整液位的目的。

圖2 液位控制系統(tǒng)框圖

2.3 控制系統(tǒng)仿真與結(jié)論分析

圖3給出了液位控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，在Matlab/Simulink中進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，圖4是仿真結(jié)果。表明液位控制算法跟蹤快，超調(diào)量小。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證算法的可行性，對(duì)系統(tǒng)分別進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試和工業(yè)測(cè)試，選用Logix5550控制器，采集來自現(xiàn)場(chǎng)的各類工藝過程數(shù)據(jù)，經(jīng)處理、運(yùn)算后，將檢測(cè)信號(hào)送至操作站進(jìn)行監(jiān)視，將控制信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng)。

圖3 液位控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

圖4 液位控制算法仿真結(jié)果

圖5 混砂車液位自動(dòng)控制系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試流程

室內(nèi)測(cè)試流程如圖5所示，主要通過調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速和吸入閥開啟度控制吸入流量從而控制液位。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示，控制系統(tǒng)能較快地控制液位平穩(wěn)。工業(yè)測(cè)試的控制程序梯形圖如圖7所示。

通過室內(nèi)測(cè)試和工業(yè)測(cè)試，表明混砂控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制算法運(yùn)行正確，精度高，保證了壓裂系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖6 室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

混砂車的液位控制能夠按設(shè)定配比將基液、液態(tài)和干粉狀添加劑、支撐劑混合成混合液并送入井下，能夠設(shè)定混合液液位，根據(jù)超聲波液位計(jì)采集到的實(shí)時(shí)液位信號(hào)調(diào)節(jié)基液流量，并在作業(yè)過程中使混合罐的液位保持在設(shè)定高度。根據(jù)設(shè)定的添加劑配比和采集的基液實(shí)時(shí)流量計(jì)算出設(shè)定的添加劑流量，并根據(jù)采集的實(shí)時(shí)添加劑流量，以模糊PID控制方式自動(dòng)調(diào)節(jié)各種添加劑的流量。液位控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是：能根據(jù)液位實(shí)時(shí)地調(diào)整基液流量，控制液位在設(shè)定的液位，保證不抽空、不漫罐。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況反饋，表明筆者設(shè)計(jì)的控制算法能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖7 混砂車液位控制程序梯形圖