基于新一代PID控制技術(shù)的混砂車自動控制系統(tǒng)設計

張良振 （中石化石油工程機械有限公司第四機械廠銷售公司，湖北 荊州434024）

混砂車主要用于加砂壓裂作業(yè)中，即將液體（清水、基液等）、支撐劑（石英砂或陶粒）和添加劑（固體或液體）按一定比例均勻混合，向施工中的壓裂車（組）以一定壓力泵送不同砂比、不同黏度的壓裂液進行壓裂作業(yè)，適用于大、中型油井的壓裂、酸化施工作業(yè)［1～3］。采用新一代PID控制技術(shù)設計的混砂車自動控制系統(tǒng)，其控制性能和精度得到大幅度提高。下面，筆者對該自動控制系統(tǒng)設計進行闡述。

1 系統(tǒng)性能設計

1）網(wǎng)絡設備在線檢測 自動檢測車輛在線狀態(tài)，保證了網(wǎng)絡故障在第一時間被排除。

2）電壓供電自適應性能 系統(tǒng)可在14～32VDC范圍內(nèi)正常工作，避免供電異常對控制系統(tǒng)的沖擊。

3）抗干擾 配置的工業(yè)電纜均采用進口知名品牌，其中通訊電纜采用多重屏蔽方式。

4）耐低溫 系統(tǒng)采用的電纜均可滿足－40℃低溫條件下的施工需要，控制室配置自動加熱器或空調(diào)。

5）抗震特性 計算機均為工業(yè)機架設計，控制箱采用彈簧減震安裝方式。

6）密封特性 系統(tǒng)所采用的外部電氣盒、插接頭均滿足IP65（防塵防水侵入等級）防護要求。

2 數(shù)據(jù)接口設計

混砂車控制室與外部連接采用快速插頭（數(shù)據(jù)接口），方便設備檢修。

1）車臺數(shù)據(jù)接口 接頭板上安裝有3個70芯插頭，用于連接混砂車上所有的信號和控制電纜，包括流量、壓力、車臺發(fā)動機、底盤車等。

2）井口數(shù)據(jù)接口 接頭板上安裝有8個6芯插頭，4進4出。包括井口的2個壓力信號、1個密度計信號、1個排量信號?；焐败嚹軐⑦@些信號顯示在操作臺上，并且能將這些信號以模擬或數(shù)字形式輸出到儀表車。

3）網(wǎng)絡通訊接口 接頭板上安裝有2個不銹鋼6芯插頭，用于組建以太網(wǎng)，也可以用于單獨連接遠控箱?；焐败嚿纤械臄?shù)據(jù)都可以在網(wǎng)絡中傳輸顯示。

3 獨控系統(tǒng)設計

混砂車自動控制系統(tǒng)由3套獨立控制系統(tǒng)完成作業(yè)控制要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)獨立控制之間的轉(zhuǎn)換。

1）手動控制系統(tǒng) 系統(tǒng)是依靠操作面板上安裝的手動電氣開關和控制旋扭來操作各液壓和氣動執(zhí)行元件，實現(xiàn)各部件動作，以滿足作業(yè)要求。

2）儀表臺自動控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由主機和顯示儀表組成，作業(yè)時通過操作安裝在控制面板上的15in Panelview Plus顯示屏，按照施工作業(yè)方案輸入自動控制指令或在監(jiān)控計算機軟件系統(tǒng)中預制自動控制程序后，混砂車能夠按照指令實現(xiàn)砂比、排量、液面、添加劑比例的自動控制以及相應的施工參數(shù)顯示。同時控制系統(tǒng)具備在施工中遇突發(fā)情況時操作人員能即時中斷自動控制并切換為手動控制功能，手動控制方式能滿足實現(xiàn)混砂車全部控制功能。手動和自動控制之間能實現(xiàn)無擾切換。儀表臺自動控制系統(tǒng)可脫離網(wǎng)絡，獨立實現(xiàn)計算機的手動和自動控制，實現(xiàn)作業(yè)要求。

3）網(wǎng)絡遠程自動控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡遠程自動控制系統(tǒng)［3］是通過有線網(wǎng)絡通訊的方式實現(xiàn)對混砂車的遠程自動控制，通訊距離50m以上。該系統(tǒng)可安裝在儀表車或便攜式控制箱上，可實現(xiàn)儀表臺自動控制系統(tǒng)的全部功能。施工中，混砂車可將施工數(shù)據(jù)即時傳送到儀表車系統(tǒng)中，并可由儀表車中的設備進行實時監(jiān)視和控制，并將整個過程完整地記錄下來。施工結(jié)束后，數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理可以以文字、報表、曲線等形式打印成施工作業(yè)文件進行存檔。操作控制系統(tǒng)能將混砂車的作業(yè)參數(shù)實時在網(wǎng)絡中傳輸，通過以太網(wǎng)接口，可用任意安裝有Servaview For Frac的PC機采集數(shù)據(jù)。

4 電控系統(tǒng)設計

對電氣控制系統(tǒng)的設計，從用戶的角度出發(fā)，以設備的性能、使用、安全、結(jié)構(gòu)和布局等為出發(fā)點，充分考慮到油田的特殊環(huán)境和工況。

1）液面控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由流量計、超聲波液位計、計算機、吸入泵驅(qū)動板和手動控制組成（見圖1）。工作時，通過液位計將實時檢測到的液面信號反饋給計算機，計算機將該數(shù)據(jù)與作業(yè)設定數(shù)據(jù)進行比較，輸出控制信號給吸入泵驅(qū)動電路板，從而調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速，維持液面高度的穩(wěn)定，實現(xiàn)液面自動控制。

圖1 液面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2）排出控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由流量計、排出壓力傳感器、計算機、排出泵驅(qū)動電路板和手動控制組成（見圖2）。該系統(tǒng)主要通過混合液排出壓力反饋信號與設定排出壓力值的比較，計算機實時調(diào)節(jié)排出泵轉(zhuǎn)速，保證混砂車混合液滿足排出壓力要求，以確保排出管線充盈度，提高壓裂車工作效率。

圖2 排出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）絞龍（混砂自動）控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由排量傳感器、計算機、排出泵驅(qū)動電路板和手動控制組成（見圖3）。絞龍控制系統(tǒng)是實現(xiàn)作業(yè)中良好砂比的重要前提。該系統(tǒng)設計為砂比控制模式。系統(tǒng)可實現(xiàn)混砂車全作業(yè)過程的自動控制，一旦將施工程序事先編好并輸入計算機，在工作期間不用操作人員協(xié)助，混砂車依據(jù)程序執(zhí)行壓裂、加砂施工程序。無論作業(yè)過程中液體流速和配比如何變化，程序會自動調(diào)節(jié)絞龍轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)砂比精確控制。系統(tǒng)可對雙絞龍進行獨立控制，雙絞龍可設置同速、不同速、變速比控制。作業(yè)時，如果某一絞龍手動控制，另一絞龍仍可依據(jù)作業(yè)設置自動達到控制要求。

圖3 絞龍（混砂自動）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4）添加劑控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由排量傳感器、計算機、液添泵驅(qū)動電路板和手動控制組成（見圖4）。工作時，無論吸入流量如何變化，計算機均可按照設定配比控制添加劑泵轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)添加劑過程的自動控制。系統(tǒng)可對多臺添加劑泵單獨設置工作，也可由計算機依據(jù)作業(yè)過程中的需要選擇液添泵工作。系統(tǒng)設置有手／自動切換開關，操作人員亦可在無反饋的情況下實現(xiàn)開環(huán)控制。

圖4 添加劑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5）攪拌器控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由計算機、攪拌泵驅(qū)動電路板和手動控制組成。該系統(tǒng)主要通過在計算機中設定攪拌速比，將攪拌器控制在合適的轉(zhuǎn)速，以確保混合液的混拌質(zhì)量。

6）空調(diào)系統(tǒng) 系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)和制熱系統(tǒng)組成（見圖5）。制冷系統(tǒng)依靠空壓機和蒸發(fā)器完成；制熱系統(tǒng)依靠發(fā)動機熱水循環(huán)。2套系統(tǒng)由控制室內(nèi)的風機完成，同時可調(diào)節(jié)風量和風向。

7）管匯控制系統(tǒng) 系統(tǒng)包括閥門手動控制、閥門聯(lián)動控制、雙吸雙排控制、左右過橋控制、緊急控制。其中閥門聯(lián)動控制時計算機必須工作。

8）液壓指示系統(tǒng) 系統(tǒng)可顯示如下功能：吸入主油壓、吸入補油壓；排出主油壓、排出補油壓；輸砂泵主油壓、輸砂泵補油壓；攪拌器油壓和綜合泵油壓。

9）傳感器系統(tǒng) 系統(tǒng)包括設備上所有的信號采集點，主要包括流量信號、壓力信號、位置信號、溫度信號和密度信號等。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

自動控制器選用ROCKWELL（羅克韋爾）控制器，可靠性能高，維護簡單。全自動控制作業(yè)，大大降低了工人的勞動強度，提供了工作效率，也使作業(yè)質(zhì)量得以保障?？刂葡到y(tǒng)安裝在控制室內(nèi)，內(nèi)裝自加熱系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)，工作環(huán)境舒適。以太網(wǎng)控制可對防砂作業(yè)中的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)全面的網(wǎng)絡控制和所有數(shù)據(jù)的實時匯總與分析，徹底解決傳統(tǒng)控制單元（包括機械控制、電氣控制、單機自動化控制等）無法適應防砂作業(yè)中特殊、復雜工藝及綜合性能操作響應等要求的弊病；同時具有避免操作人員誤操作、達到手動操作不可能達到的參數(shù)準確性、實時性、保證作業(yè)人員安全等諸多優(yōu)點，充分滿足防砂作業(yè)中的各種施工要求。

［1］吳漢川，高文金 .混砂車自動控制系統(tǒng)的研究 ［J］.石油機械，2003，31（增刊）：63～65.

［2］范新強，樓國祥，鄭穗嬪，等 .基于PLC控制混砂車液位自動控制系統(tǒng)研究 ［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：88～89.

［3］王娜，王天華 .基于FCS和Intranet的混砂車網(wǎng)絡控制系統(tǒng) ［J］.自動化技術(shù)與應用，2005，24（8）：56～59.