海上智能電潛泵專用變頻控制系統(tǒng)研究

李占彪 李志鵬 苗杰

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有的潛油電泵變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)的電潛泵專用化、智能化。根據(jù)油層壓力、井況參數(shù)的改變，油井工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，這就要求采用潛油電泵的機(jī)采井的運(yùn)行參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)油井的變化，使油井生產(chǎn)處于最佳的工作狀態(tài)。主要升級(jí)技術(shù)為：井下壓力反饋智能控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：變頻系統(tǒng);潛油電泵;智能控制;壓力反饋

1 概述

海上平臺(tái)控制潛油電泵所采用的工頻控制柜，近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)為單一功能拓展為多功能。潛油電泵采油的生產(chǎn)形式在變頻控制系統(tǒng)的控制下，具有以下幾條明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以節(jié)省整個(gè)平臺(tái)上與潛油電泵驅(qū)動(dòng)控制相關(guān)的能耗;（2）可以最大限度的保證油井的出油率及產(chǎn)量;（3）提高電潛泵機(jī)組的可監(jiān)控性及其平均使用壽命。變頻器除了在海上平臺(tái)使用外，在其余的工業(yè)生產(chǎn)、變頻調(diào)速控制方面也有相關(guān)的應(yīng)用，故海上平臺(tái)變頻器對(duì)于海上平臺(tái)的采油工況并沒(méi)有相關(guān)的定制化程序及功能，專用性專業(yè)性較差。而目前我們通過(guò)對(duì)油井壓力計(jì)反饋技術(shù)的研究，通過(guò)對(duì)變頻器技術(shù)升級(jí)，使其功能專業(yè)化、智能化，提高潛油電泵的生產(chǎn)效率，從而提高整個(gè)平臺(tái)的產(chǎn)量。

2 智能控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

把一個(gè)系統(tǒng)的正向通路及反饋通路進(jìn)行串聯(lián)，使其一向的輸入成為另一向的輸出，則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制，我們也稱具有該特征的系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)。

以反饋原理為理論依據(jù)的系統(tǒng)，我們稱之為智能控制系統(tǒng)，即實(shí)時(shí)或定時(shí)根據(jù)系統(tǒng)輸出端得到的變化數(shù)據(jù)作為信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，通過(guò)比對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸出與我們對(duì)系統(tǒng)輸出期望值之間的偏差，并且通過(guò)一系列的措施消除該偏差，以期獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在智能控制系統(tǒng)中，信號(hào)通路一般有兩條，即：（1）前向信號(hào)通路為輸入端至輸出端;（2）信號(hào)反饋通路為輸出端至輸入端，其兩者相輔相成，組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)也叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)，而我們?cè)诠I(yè)中經(jīng)常使用的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方式也為該模式。

能使輸出值與期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)，我們稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能精確跟隨指定過(guò)程或復(fù)現(xiàn)指定過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)，我們稱之為伺服控制系統(tǒng)。

左側(cè)圖標(biāo)表示將輸入值與輸出值的差值，通過(guò)偏差信號(hào)表現(xiàn)出來(lái)，該圖標(biāo)表示比較環(huán)節(jié)，在工程應(yīng)用中，我們經(jīng)常把比較環(huán)節(jié)同控制器一起作為系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)器。海上平臺(tái)的采油作業(yè)中，現(xiàn)場(chǎng)的井下壓力由井下壓力計(jì)或泵工況設(shè)備測(cè)量，井下壓力與給定壓力相比較，兩者的差值電經(jīng)過(guò)功率放大后用來(lái)驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)控制，最終達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行頻率。

閉環(huán)控制系統(tǒng)同常規(guī)系統(tǒng)（指開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）比，存在一系列的優(yōu)點(diǎn)。由于整個(gè)系統(tǒng)收到外部因素影響時(shí)，或系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定因素時(shí)，導(dǎo)致輸出量偏移設(shè)定的期望值，整個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)組成部分會(huì)相互作用，采取措施，消去偏差量。所以，同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以降低外部干擾的影響，部分元件發(fā)生變化，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響不大，改善整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

3 壓力反饋智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

3.1 設(shè)計(jì)目的

利用油井布置壓力計(jì)，來(lái)采集潛油電泵工作時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，控制變頻器的運(yùn)行頻率;通過(guò)改變變頻器的運(yùn)行頻率，使得油井內(nèi)的壓力按照甲方的要求在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井上井下一體化的閉環(huán)智能控制。

3.2 硬件及軟件組成

變頻器（ATV柜式裝置，帶有CI編程卡）、井下測(cè)試數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、CoDeSys編程軟件。

3.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

給定變頻器一個(gè)壓力值，通過(guò)把接收的實(shí)際測(cè)量的壓力值與變頻器給定壓力值進(jìn)行比對(duì)，接收的實(shí)際測(cè)量的壓力值高于該給定值時(shí)，變頻器會(huì)根據(jù)比對(duì)的結(jié)果自動(dòng)提升頻率，并且差值越大，變頻器頻率上升越快，反之亦然，當(dāng)實(shí)際測(cè)量的壓力值與變頻器給定壓力值一致時(shí)，變頻器頻率停止變化，并穩(wěn)定在該頻率運(yùn)行。

設(shè)計(jì)方案：利用變頻器編程卡的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。ATV變頻器模塊上的編程卡又被稱為“Controller Inside”（CI）卡，是一個(gè)將可編程控制器嵌入變頻器的選件。通過(guò)利用CoDeSys編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)并下裝到CI卡中，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的功能控制。

CoDeSys 支持完整版本的IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境和六種編程語(yǔ)言可編程超過(guò)150家OEM生產(chǎn)的自動(dòng)裝置。CoDeSys提供了許多組合產(chǎn)品的擴(kuò)充，諸如各種不同領(lǐng)域的總線配置程序、完全的目測(cè)化和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。除了支持PLC編程，還支持總線接口、驅(qū)動(dòng)設(shè)備（特別是伺服，數(shù)控）、顯示設(shè)備、IO設(shè)備等的編程。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，壓力測(cè)試模塊通過(guò)Modbus協(xié)議與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，變頻器將所收到的數(shù)據(jù)寫入CI卡，通過(guò)已下裝的CoDeSys控制程序?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制功能，此種方案可以接收和顯示更多的測(cè)試數(shù)據(jù)并可利用觸摸屏進(jìn)

行數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置。而且頻率控制曲線可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)任意設(shè)置。如圖3壓力與頻率變化曲線。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有變頻控制系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)的電潛泵專用化、智能化。壓力反饋閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了油井生產(chǎn)可根據(jù)井下情況的自動(dòng)調(diào)產(chǎn)，使油井生產(chǎn)（地層供液和電泵排液）處于合理的平衡狀態(tài)的油井生產(chǎn)智能控制系統(tǒng)，從而可實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和采收率，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，減輕平臺(tái)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足油井高效生產(chǎn)要求。通過(guò)專業(yè)化設(shè)計(jì)升級(jí)，使整個(gè)系統(tǒng)成為海上機(jī)械采油設(shè)備的智能專用變頻控制系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：李占彪（1983-），男，河北滄州人，本科，工程師，從事電氣自動(dòng)化及通信技術(shù)。