基于PLC的直燃式液氮泵装备自动控制系统研制 -.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器 仪表与分析监 测 2 0 1 4年第 3期 作安全 的要求 开发 ，模块化 、人性化设计 ，液 、 气 、电 相互 隔离 ，操 作 和 监控 系 统集 中布 置 ，面 板分区 、分色标示 ，设计简洁 、操作简单 。可实 现设备的启停 、调速 、保护 、冷却 、排量 、压力 和温度等控制 ，将极冷的液氮 一 1 9 6 o C，一 3 2 0 。 F 转变为可使用 的气态氮。解决 了大型施工 的控制 需求 ，填补 了国 内空 白。 系 统采 用 性 能 优 越 的工 业 P L C控 制 ，通 过 搭 建高速稳定 的通讯网络 ，配以高精度 ，快响应 的 执 行 器 和保 护 功 能 ．实 现 了 温度 和排 量 的 自动 控 制 ，可 与压 裂 机 组 自 由组 网 ，实 现 作 业 的远 程 集 中监控 。连接采集器后可将施工 的压力 、排量等 传输 给控制 中心。当施工作业 中出现超压等紧急 情况时 ，快速启动保护 ，发出声光报警 ，保护人 身和设 备安全。图 2为 S J S在国家专项资助下研 制 开 发 的 自动 控 制 的 直燃 式 液 氮 车 控 制 系 统 主 要 功 能模 块 。 图 2 S J S直 燃 式 液 氦 车 控 制 系统 功 能 模 块 1 直燃 式液氦泵控 制系统设计 1 ． 1设 计 思路 通过对动力 系统 、冷却系统 、增压系统 、蒸 发器 、安全保护和通讯的研究 ，开发 出一套基于 P L C控 制 的直 燃 式 液 氮 泵 网络 自动 控 制 系 统 ，通 过工 业 以太 网联 入 机组 网络 ，实 现 液 氮 泵 装 备 自 动控制 ，满足现代石油工业 网络化 、集 中化 、自 动化 、大 型化 和安 全作 业 的需 求 ，如 图 3所 示 。 一 6 一 图 3 研 究 对 象 自动控制 系统 以可编程控制器为核心 ．充分 利用可编程控制器配置灵 活 、控制方便 ，适应性 强的优点 ，配备高精度的传感器和可靠 的控制单 元 。可编程控制 器在采集 了现场传感 器数据 后 ． 将它们作为反馈与预设 的参数进行对 比．进行闭 环控 制 ，然后输出信号调节控制各单元 ．再进行 对 比计算 ，直 到符 合要 求 f2 J 。 自动 控 制 系 统 标 配 人 机 界 面 进 行 本 地 监 控 ． 可选 配远程人机界面实现远程监控 。同时 ，控制 系统 还可 以连接数据采集器 ，数据采集器可用来 记录 、存储施 工数据 ，并可生成报表 、曲线等进 行 打 印 。 1 ． 2 系统 配 置方 案 1 ． 2 ． 1 液 氮泵装 备 自动控制 系统方案设 计 自动控 制 系 统 为 闭 环控 制 。计 算 机 根 据 预先 设 定 的工 作模 式 ，计 算 出需 要 控 制 的 排 量 ，将 采 集的排量和设定 排量 比较 ，控制发动机转 速及传 动箱 档 位 ，使 实 际 瞬 时排 量 达 到 设 定排 量 根 据 排 出氮气的温度 ，将其与设定温度 比较计算 ，自 动控制燃烧器火 力 ，将温度控制在设定 温度 。作 业 过 程 中 出 现 超 压 等 报 警 时 ，安 全 保 护 系 统 快 速启 动 。 自动 控 制 系 统 功 能 结构 图 如 图 4所 示 。 图 4 自动控制 系统硬件 功能结构 图 1 ． 2 ． 2 自动控 制 系统功 能模 块 设计 液氮车 自动控制系统构成含人机界 面 、远程 人机 界面 、可编 程控 制器 、交换 机 、现场 传感 器 、井 13 数据采集 、控制单元 、数据采集 器 、无 线数据采集器等l3 】 。系统全面监控设备各部分的实 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于 P L C 的直燃式液氮 泵装备 自动控 制 系统研制 骆竖星 时运行情况 ，并集 中显示 在人机界面上 ， 备稳定可靠运行 。 自动控制 系统构成如 图 5所示 。 保 障设 排 量 自动控制 、恒温 自动控 制和安全 保护控制 。 自动 控 制流 程 如 图 6所 示 。 图 5 自动 控 制 系统 构 成 图 1 ． 3可 编 程 控 制器 配置 及 软件 设 计 1 ． 3 ． 1 通讯 及模 块组 成 可编程控制器是 自动控制 系统 的核心 ．具有 可 靠 性 高 和 编 程 灵 活 简 单 的 突 出 优 点 ，成 为 了 机 电一体化 的连接桥梁 。液氮车 自动控制系统选用 美 国 A l l e n B r a d l e y公 司 的 可编 程 控 制 器 。该 系 统 在石油领域和 中小型控制系统里应用广泛 ，性能 稳 定 。 液 氮 车属 于压 裂 施 工 的辅 助 装 备 ，需 要 与 压 裂机组配套作业 。为 了保证现场施工连续和稳定 ， 结合压裂作业点不 固定且经常移动的特点 ．选择 物理冗余 的环形工业 以太 网作为通讯 网络来构建 数据传输与控制 ． 控 制 层 采 用 了 以太 网通 讯 ，通 过 交 换 机 连 接 人 机 界 面 、 远 程 人 机 界 面 、 可 编 程 控 制 器 、 数 据 采 集 器 等 。它 具 有 稳 定可 靠 、通 信 速 率高 ， 扩 展 方 便 等 特 点 ，被 广 泛 应 用 于 过 程 自动 化 控 制领 域 。 系统设备层直接采用 I ／ O模块进行采集和控制 ， 配置了输 出模 块与输 出模块 。输入模块采集液位 、 温度 、压力 、排量信号 ；输 出模 块控 制 液压 泵 、 蒸发 器和阀门等。 1 - 3 ． 2软 件流 程设 计 思路 液 氮 车 自动 控 制 系统 主要 包 含 三个 部 分 恒 图 6 直 燃 式 液 氦 控 制 流 程 图 1 恒排 量 控制 自动 控制 设 定一 个 排 量 值 ，液 氮 车 将 根 据 设 定 的排 量 值 和 采 集 排 量 比较 ，使 液 氮泵 实 际 瞬 时 排量达到设定的排量 。 P L C根据设 定的压力和排量 ，分 以下三个 区 间进 行 控制 ①当压力低于设定压力的小区间时，泵车将 根据设定 的排量值 自动调节档位和油门 ，让 大泵 实 际 瞬时 排量 达 到设 定 的排 量 ； ②当压力介于设定压力的小区间和大区间之 间 ，设定排量值大 于大泵实际排量时 ，泵车将会 维 持 当前 的档 位 和 油 门控 制 不 变 ，设 定 排 量 改 变 使 之 比大泵 排 量 小 时 ，将 会 自动 调 节 档 位 和 油 门 使之维持在设定排量值 ； ③当压力大于设定压力大区间时，自动降低 档位 ，直至降为空档。 2 1恒温控制 温度控制要求测量稳定 ，响应迅速。液氮车 将采集 到 的排 出氮气 的温度和设定 温度相 比较 ， 据此 控制 燃烧 器 的火力 ，使 温度 快 速稳 定 到设 定 值 。 一， 7 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表与分析 监测 2 0 1 4年第 3期 P L C根 据 设 定 的温 度 判 断 8个 燃 烧 室 状 态 ， 将设 定温 度 和采集 的氮气 排 出 温度 进行 比较判 断 ． 计算 出需 要 工 作 的燃 烧 室 数 量 。控 制 处 于就 绪 的 燃烧器工作 。当排 出氮气温度高于设定温度时 ， 减少 工 作 的燃 烧 器数 量 ， 当排 出氮气 温度 低 于设 定温度时 ，增加工作的燃烧器数量．通过闭环 P I D 控制 ，使 温度快速稳定到设定温度 。在施工过程 中，当排量和压力改变引起氮气温度变化时．P L C 自动判断，控制燃烧器做出相应的调节 ，保持温度 稳 定 。 3 1 安全保护 当作业过程 中出现超压 、高温等报警时 ，安 全保护系统快速启动 ，使发动机怠速 ，传动箱空 档刹车 ，燃烧器熄火。当保护解除后 ，可手动复 位 ，重新开始 自动作业 。其操作流程为 作业开 始 前 按 照施 工 设 计 ，输 入 排 量 、压 力 和 温 度 。手 动完成建压 、冷却及点火后 任何一项不满足要 求 ，都 可 能触 发保 护 系统 ，启 动 自动控 制 r4 _ 。 2现场应用与工 业试 验 图 7 现 场 应 用 施 工 直燃式液氮车 自 2 0 1 3年初交付用户 以来 ，截 止 目前 ，已先后在陕北 、河南 、青海和甘肃作业 ， 液氮总量超过 3 0 0立方米 ，均 圆满完成作业任务 。 一 8 一 最 高施 工压力 达到 6 0 M P a ，最大排量 2 6 0 L ／ M I N， 单 次 连 续 施 工 超 过 7个 小 时 ，控 制 稳 定 ，调 节 速 度快 ，网络连接方便 ，达到 了设计要求 ，填补 了 国 内空 白。现 场应 用施工 如 图 7所 示 。 3 结语 液氮装置 自动控制系统主要参数 1 氮气排出最高压力 1 5 0 0 0 p s i f 1 0 3 ． 4 MP a ； 2 氮气 排 出 最 大排 量 6 4 0 0 0 0 S C F H，标 准立 方 英尺／ ／ J 、 时 3 液氮最大排量 4 3 3 L ／ mi n 2 ”冷端 ； 4 额定氮气排 出温度 6 0 。 F ～ 1 4 0。 F f l 5 ℃～ 6 0 C ，设定温度 3 7 ℃ 1 0 0 o F ； 5 蒸发器 直燃式 6 控制系统 网络 自动控制系统。 自动 系 统 的 应 用 降低 了工 作 强 度 。提 高 了控 制 精 度 ；保 护 系统 有 效 保 障 了施 工 安 全 ；网络 技 术 使 监控 更 简 单 ，实 现 了 和 压 裂 机 组 联 网 监 控 。 在 一次 次 的应 用 中取得 了令 人瞩 目的成 绩 ．引 领液氮控制技术迈人 了新时代 。 目前 S J S液氮装 备 已 服 务 于 国 内 外 各 大 油 田 ，并 且 正 在 不 断 进 行推广 。 参 考文 献 【 1 ]刘 成等 ．氮气 技术 在油气 生产 中 的应 用．断块油 气 田 P KU， 2 0 0 1 ， 8 4 [ 2 ] 付常赢．液氮泵注 车与 S S 2 0 0 0型压裂酸化 机组的配套 与应用． 内蒙古石油化工 ， 2 0 0 6 ， 3 2 2 [ 3 ] 王永胜 ， 周入 钢 ， 李 友军． 8 4 0 K型直燃 式液 氮泵 车的开 发及应用． 甘肃科技 ， 2 0 0 9 ， 2 5 1 5 [ 4 ]P L C 5可编程控制器使用手 册A B公 司出版 [ 5 】周 梅芳 ， 金 向平 ， 陈偕 雄． 基 于 P L C的智 能 P I D控 制方 法 及其应用[ J 】 ． 化工 自动化及仪表， 2 0 0 3 ， 3 0 6 4 6 - 4 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m