基于PLC的混砂车自动控制系统研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 4卷 第 1 2期 第 7 4页 石油 矿 0I L FI ELD 场 机械 E QUI PMENT 2 0 1 5 ， 4 4 1 2 7 4 7 6 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 82 2 0 15 1 2 - 0 07 4 03 基于 P L C的混砂 车 自动控制 系统研 究 邱宗斌 。 李启新 ， 武志学 川 庆钻探工程公 司 长庆井下技术 作业公 司 ， 西安 1 O O 1 8 摘要 混砂车是压裂作业的关键设备之一 ， 自动化控制是混砂车的一个重要发展方向。分析 了混砂 车 自动控制 系统的功能需求和性能要求 ， 构建 了系统 的整体结构， 并从采 集模块硬件、 P L C选型、 P I D控制、 软件设计等方面对系统进行 了设计。室内和现场应用试验 结果表 明 该 系统精度 高、 运 行稳 定 、 操作 简单 ， 能 够满足预 期 。 关键 词 混砂 车 ； P L C； 自动控 制 系统 ； 压裂 ； P I D 中图分 类号 T E 9 3 4 ． 2 文献 标识 码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 4 8 2 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 1 9 Re s e a r c h o n t h e Au t o ma t i c Co nt r o l S y s t e m o f Bl e nd e r Ba s e d o n PLC QI U Z o n g b i n。 L I Qi x i n， W U Z h i x u e Cha ngqi ng Do wn ho l e Te c hni c al Se r v i c e Co mpan y， CCDC， Xi ’ a n 71 0 01 8， Chi n a Ab s t r a c t Th e b l e nd e r i s o ne of t he k e y e q u i pme n t s of f r a c t u r i ng o pe r a t i o n， a nd au t o ma t i c c o nt r o l i s a n i m p or t a nt d e v e l o pme n t d i r e c t i o n o f t he bl e nd e r ． The bl e nd e r a ut oma t i c c o nt r o l s y s t e m f u nc t i on a l r e qu i r e me n t s a nd p e r f o r ma nc e r e q u i r e m e nt s a r e a na l y z e d， S O t he o ve r a l l s t r u c t u r e o f t he s ys t e m i s c o ns t r uc t e d， a nd de s i g n a nd i m p l e m e nt a t i o n o f t he s y s t e m f r o m t h e a s pe c t s of t he a e q ui s i t i on mod ul e h a r dwa r e ， t he s e l e c t i o n o f PLC， PI D c on t r ol ， s of t wa r e d e s i gn。 e t c ．La b t e s t a nd f i e l d a ppl i c a t i o n r e s ul t s s h ow t h a t t h e s ys t e m i s hi gh pr e c i s i on， s t a bl e o pe r a t i o n， s i mpl e op e r a t i on， c a n me e t t h e e xp e c t e d d e s i gn ． Ke y wo r d s bl e n de r v e hi c l e； PLC； a ut o m a t i c c o nt r o l s y s t e m ； f r a c t u r i ng； PI D 水力压裂采用高压水力注入井下 ， 使油气层形 成裂缝 ， 再加注一些压裂砂等支撑剂支持裂缝 ， 从而 实现 油气 田增 产 的 目的。压裂 车组 是压 裂施 工 的主 要设备， 通常由压裂泵车 、 混砂车、 管汇车 、 仪表车等 组成 ， 随着低渗油气 田、 复杂油气 田的开发需要 ， 压 裂车组朝着 高压 、 大 排量、 大 功率等方 向发展口 ] 。 其 中， 混砂车是整个压裂车组的核心设备之一 ， 它为 压裂作业提供稳定的支撑剂 ， 其工作性能反映了整 个 压裂 车组 的技 术水平 [ 3 ] 。然 而 ， 在压 裂作 业 过程 中， 混砂车经常会 出现混合液面高度不能精确控制 从 而造 成抽 空 和漫 罐 、 加 砂 过 快 、 加砂 不均 匀 、 砂 比 高等问题 ， 不能满足工艺需要 ， 因此对混砂车的 自动 化控制提出了更高 的要求。 制等技术 的发展 ， 研制具有 决 上述 问题有 重要 意义 。 随着传感技术 、 自动控 自动控 制 的 混 砂 车对 解 1 混砂 车 自动控 制系统 总体 设计 1 ． 1系统功 能 混砂车由传动 、 供液和输砂 3部分组成 ， 工作时 由基 液泵 向混 砂罐 提供 清水 ， 砂 泵提供 干砂 ， 液 添泵 提供 胶联 剂等 ， 在 混砂罐 充分 混合 后 ， 由输砂 泵排 出 给压 裂泵 车 的柱塞 泵 。 自动控 制 系统要 实 现的功 能 主要 有 1 采集 功 能 。对 发 动机 转 速 、 润 滑 油 的油 温 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 0 8 作者简介 邱宗斌 1 9 7 5 一 ， 男 ， 甘肃泾川人 ， 工程 师， 主要从事油 田工程服务 、 试 油压裂作业工作 。 第 4 4 卷第 1 2期 邱宗斌 ， 等 基 于 P L C的混砂车 自动控制系统研究 油压 ， 基液泵、 搅龙 、 液添泵 、 输砂泵等流量 ， 混合罐 的液面高度 ， 输砂泵密度等运行参数进行实时采集。 2 数据处理和运算功能。将采集到的各种运 行数据传至 P L C后 ， 经运算处理后 ， 将各种运算结 果转化为控制信号传至控制器 上， 完成对混砂车各 部件的控制 ， 同时 ， 再通过各种传感器对设备运行 的 实际参数与理论参数进行对比， 不断地对结果进行 修 正 。 3 执行 功 能 。能 够对 发 动 机 的启 动 、 油 门大 小 、 停 车 ， 基液 泵 、 搅 龙 、 液添 泵 、 输砂 泵 的流 量 ， 混 砂 罐液面高度， 混合液密度等参数进行控制。 1 ． 2 系统 的 总体设 计与 要 求 混砂车 自动控制系统的拓扑结构如 图 1所示。 通过各种传感器采集系统 的各种运行参数 ， P L C对 采集来 的数据进行运算和处理， 并将结果转化为控 制信号传至执行元件， 实现对基液泵、 搅龙 、 液添泵、 输砂泵以及混合罐液位 的控制， 并实时将 检测到 的 液位高度 、 流量 、 密度等参数反馈至 P L C， 实际参数 与理论参数进行对 比分析 ， 再对系统参数进行修正 。 图 1 混砂车 自动控制 系统拓扑结构框 图 混 砂 车 自动控制 系统 的性 能要 满足 以下 要求 1 在线检测 、 反应及时准确 ， 能够对混砂车各 部 件 的状态 进行 在线 检 测 ， 并 根据施 工 需要 及时 、 准 确 地 修正 参数 。 2 系统运行可靠性高 ， 要避免供电异 常对系 统的冲击 ， 能够抗干扰 。因压裂施工的环境较恶劣 ， 控制系统需要耐高温和耐低温 ， 具有一定的密封性 。 3 人 机 交互 。为方 便 现 场人 工 操 作 ， 通 过 自 动 控制 系统 对任 一 台设备 的运 行参 数进 行收集 和 处 理 ， 对历史数据可以查询 ， 还可 以对设备进行手动控 制和 自动控制切换 ， 通过设置最高流量和最大压力 等参数 ， 对设备进行保护 。 2 系统设计 与实现 2 ． 1采 集模块 系统 的采集模块 主要对各运行参数进行采集 。 发动机 的转速采用 HZ 一 8 6 0型磁 电转速传感器 ， 将 发动机转动的角位移转换为 P L C能够读取 的电信 号； 混砂罐 液位采用 F MR 2 5 0型雷 达液位 计来 检 测 ， 通过发射一定频率的电磁脉冲， 根据电磁脉冲返 回的时间来 确定 液 位 高 度 ， 相 比超声 波液 位 计 具 有 更好 的抗 干扰性 能 ； 温度 采用 热 电偶 进 行检测 ； 密度 采用 WS 3 0 5 1 一 Y MD型罐装智 能在线 密度计来 检 测 ， 其具有量程宽、 稳定性好 、 精度高等优点 ； 流量采 用 L WG Y型涡轮 流量传感器测量 ， 其具有较 高的 防腐蚀 、 抗 电磁干扰和抗震动能力 ， 根据基液泵、 输 砂泵 等 流 量 的 特 点 ， 选 用 合 适 的 型 号 ； 压 力 采 用 HM2 0型通 用型压 力 变 送 器 ， 其 具 有 工作 温 度 范 围 宽、 测量精度高、 稳定性好等优点 。 2 ． 2 P L C选 型 P L C控制器是 自动控制系统 中最核心 的部分 ， 承担着数据处理和逻辑运算功能 ] 。混砂车的控制 系统是压裂 车组仪表 车的从站 ， P L C选型时 ， 要考 虑与压裂车组中仪表车通信功能 ； 需执行控制算法 的程序运算 ； 还需考虑和各传感 器采集数据的输入 功能 ， 与执行元件相接 的输出功能 。P L C的选型包 括 P L C型号的选择 ， 按通信功能 以及其他参数对 C P U 的选择 ， 根据数据输入和输 出等控制点数量确 定 Uo接 口的种类和数量 ， 根据系统功耗大小选择 电源等 。综合 考虑 性 能 与 价值 ， 选 用 西 门子 S 7 3 0 0 型 P L C， 其属于中档 P L C， 具有较强的数据处理能 力 ； 选用 3 1 4 C 一 2 D P型 C P U； 选 用 P S 3 0 7 型 电源 。 2 ． 3 PI D控制 控制逻辑算法是 P L C系统对被控制对象施加 正确、 有效 的控制动作的关键。本系统采用 P I D控 制逻辑， 其 内部结构如图 2所示。P I D控制逻辑 中 有 比例 、 积 分 、 微 分 3个控 制子 单元 l l6 ] 。比例控 制 器 适合输入 、 输出之间存在线性关系的情况 ， 对待复杂 的工业控制问题 ， 往往会存在较大的稳态误差； 积分 控 制器 通过 对误 差进 行 累计 ， 其 输 出时 不 仅考 虑 输 入 条件 ， 还将 一定 时 间 内积 累 的误差 考虑 进去 ， 从 而 消除一些误差 ， 提高控制精度 ； 由于误差测量与控制 过程间一般存有一定的滞后性 ， 由历史 的误差去修 正 当前 的控 制过 程 ， 会 造 成控制 过程 振荡 ， 微分 控制 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 5年 1 2 月 妻 ’ 误 差 进 行 3应 用 测 试 预 判 ，降 低 了因滞后 性而 导致 的控 制误差 。 。 ⋯ 。 。。 I 比 例 控 制I ‘ 差值 调整量 差 值 计 算 F - ． - 1 积 分 控 制卜 _ - - q控 制 对 象 } ． 1 微 分 控 制 l 图 2 P I D控制模型 对于混砂罐液位控制 ， P L C将检测到的实际液 位数 据与 按施 工需 要 设 定 的 数 据做 比较 ， 通 过 P I D 计算得出要达到设定值需要 的吸入流量 ， 继而算 出 基液 泵 的开启度 和 转 速 ， 将信 号 传 至 基 液 泵 驱动 板 来控制液位的高度 。砂比的控制则是以左右搅龙的 转速为过程变量 ， 设定压裂液在不 同阶段 需要 的质 量浓度， 再转化 为搅 龙转速值 为设定值 ， 通过 P I D 控制 ， 达 到控制 压裂 液 中砂 比的 目的 。同样 道 理 ， 以 密度 、 转速 、 压力 等 为过程 变量 ， 控制 液添质 量浓 度 、 输砂泵出口流量与压力等参数。 2 ． 4 软件 设计 随着压裂施工 自动化水平的提高， 对混砂车 自 动 控制 系统 的可 靠性 要 求 越 来 越 高 ， 本 系统 采 用 组 态 王软 件来 构建 自动控 制 系 统 的软 件 平 台 ， 其 具 有 功能强大、 安全可靠等优势 ， 能够实现对混砂车系统 的全面 监控 。基 于 P L C 的 自动 控 制 系 统 的 实 质 为 一 个闭环采样控制系统 ， 通过采集各种运行参数 ， 各 控制模块再利用各 自P I D运算 ， 计算出相应 的控制 量并传输至执行元件。 P I D控 制参 数 对 整 个 系 统 的控 制 精 度 影 响较 大 ， 比例 、 积分和微分等 3个控制器之间既相互联系 又相互制约。P I D的传递函数为 G。 一K 1 1 ／ T TD 式中 K 为 比例系数 ， 丁 为积分时间常数 ， 丁 。 为微 分时 间常数 。 为提 高系统 的控 制 精 度 和灵 活性 ， 在 通 过 P L C 编程调 用组 态王 软件 P I D标 准控 制 模块 ， 且 在 系 统 实际过 程 中 ， 根据 各参 数对 系统性 能 的影响 ， 对 K。 、 T T 。等参数进行试凑性调整 ， 直至达到系统精度 要 求 。 采用室内和现场应用的方式对 自动控制系统的 性能与精度进行 了测试 ， 结果表 明， 该系统运行平 稳、 安全可靠、 反应迅速、 精度高， 能够保持混砂车的 运行 需求 ， 且可 以进 行手 动控 制和 自动控 制切 换 ， 结 构 简单 、 操作方 便 ， 大大 降低 了人 工劳动 强度 。以基 液泵 流 量室 内测试 数 据 为 例 ， 控 制 系统 能较 快 地控 制 流量平 稳 ， 如 图 3所示 。 f 至 曼 面 避 4 结论 图 3 基液 泵流量室 内测试 曲线 混砂车是压裂作业 中的关键设备 ， 混砂车 自动 控 制系 统需 要具 有采集 功 能 、 运算 功 能和控 制功 能 。 设计 并 实现 了基 于 P L D 的混砂 车 自动控 制 系统 ， 对 其硬件 、 P I c选型、 P I D控 制和软件设计 等方面进 行 了分 析 。经 室 内和 现 场 应 用 试验 验 证 ， 该 系 统 能 够满足设计和混砂车作业需求。 参考文献 [ 1 ] 王立兵 ， 刘庆丰． 我 国压裂车组 的研发现状及 发展趋势 E J ] ． 中国仪器仪表 ， 2 0 1 3 9 3 0 ～ 3 3 ． [ 2 ] 高建英． 超低渗透油 藏水平 井数值 模拟 研究 [ J ] ． 河南 科学 ， 2 0 1 4 3 4 1 3 - 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