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

混砂車(chē)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(chē)（組）以一定壓力泵送不同砂比、不同黏度的壓裂液進(jìn)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(shè)計(jì)的混砂車(chē)自動(dòng)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(duì)該自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在線檢測(cè) 自動(dòng)檢測(cè)車(chē)輛在線狀態(tài)，保證了網(wǎng)絡(luò)故障在第一時(shí)間被排除。

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

3）抗干擾 配置的工業(yè)電纜均采用進(jìn)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(dòng)加熱器或空調(diào)。

5）抗震特性 計(jì)算機(jī)均為工業(yè)機(jī)架設(shè)計(jì)，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(jí)）防護(hù)要求。

2 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

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

1）車(chē)臺(tái)數(shù)據(jù)接口 接頭板上安裝有3個(gè)70芯插頭，用于連接混砂車(chē)上所有的信號(hào)和控制電纜，包括流量、壓力、車(chē)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)車(chē)等。

2）井口數(shù)據(jù)接口 接頭板上安裝有8個(gè)6芯插頭，4進(jìn)4出。包括井口的2個(gè)壓力信號(hào)、1個(gè)密度計(jì)信號(hào)、1個(gè)排量信號(hào)。混砂車(chē)能將這些信號(hào)顯示在操作臺(tái)上，并且能將這些信號(hào)以模擬或數(shù)字形式輸出到儀表車(chē)。

3）網(wǎng)絡(luò)通訊接口 接頭板上安裝有2個(gè)不銹鋼6芯插頭，用于組建以太網(wǎng)，也可以用于單獨(dú)連接遠(yuǎn)控箱。混砂車(chē)上所有的數(shù)據(jù)都可以在網(wǎng)絡(luò)中傳輸顯示。

3 獨(dú)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

1）手動(dòng)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)是依靠操作面板上安裝的手動(dòng)電氣開(kāi)關(guān)和控制旋扭來(lái)操作各液壓和氣動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)各部件動(dòng)作，以滿足作業(yè)要求。

2）儀表臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由主機(jī)和顯示儀表組成，作業(yè)時(shí)通過(guò)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(dòng)控制指令或在監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中預(yù)制自動(dòng)控制程序后，混砂車(chē)能夠按照指令實(shí)現(xiàn)砂比、排量、液面、添加劑比例的自動(dòng)控制以及相應(yīng)的施工參數(shù)顯示。同時(shí)控制系統(tǒng)具備在施工中遇突發(fā)情況時(shí)操作人員能即時(shí)中斷自動(dòng)控制并切換為手動(dòng)控制功能，手動(dòng)控制方式能滿足實(shí)現(xiàn)混砂車(chē)全部控制功能。手動(dòng)和自動(dòng)控制之間能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。儀表臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)可脫離網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求。

3）網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)［3］是通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)通訊的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)混砂車(chē)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，通訊距離50m以上。該系統(tǒng)可安裝在儀表車(chē)或便攜式控制箱上，可實(shí)現(xiàn)儀表臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)的全部功能。施工中，混砂車(chē)可將施工數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到儀表車(chē)系統(tǒng)中，并可由儀表車(chē)中的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，并將整個(gè)過(guò)程完整地記錄下來(lái)。施工結(jié)束后，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理可以以文字、報(bào)表、曲線等形式打印成施工作業(yè)文件進(jìn)行存檔。操作控制系統(tǒng)能將混砂車(chē)的作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，通過(guò)以太網(wǎng)接口，可用任意安裝有Servaview For Frac的PC機(jī)采集數(shù)據(jù)。

4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從用戶的角度出發(fā)，以設(shè)備的性能、使用、安全、結(jié)構(gòu)和布局等為出發(fā)點(diǎn)，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(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（見(jiàn)圖1）。工作時(shí)，通過(guò)液位計(jì)將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的液面信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將該數(shù)據(jù)與作業(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)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(jì)、排出壓力傳感器、計(jì)算機(jī)、排出泵驅(qū)動(dòng)電路板和手動(dòng)控制組成（見(jiàn)圖2）。該系統(tǒng)主要通過(guò)混合液排出壓力反饋信號(hào)與設(shè)定排出壓力值的比較，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排出泵轉(zhuǎn)速，保證混砂車(chē)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(chē)工作效率。

圖2 排出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）絞龍（混砂自動(dòng)）控制系統(tǒng) 系統(tǒng)由排量傳感器、計(jì)算機(jī)、排出泵驅(qū)動(dòng)電路板和手動(dòng)控制組成（見(jiàn)圖3）。絞龍控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)作業(yè)中良好砂比的重要前提。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為砂比控制模式。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)混砂車(chē)全作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制，一旦將施工程序事先編好并輸入計(jì)算機(jī)，在工作期間不用操作人員協(xié)助，混砂車(chē)依據(jù)程序執(zhí)行壓裂、加砂施工程序。無(wú)論作業(yè)過(guò)程中液體流速和配比如何變化，程序會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)絞龍轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)砂比精確控制。系統(tǒng)可對(duì)雙絞龍進(jìn)行獨(dú)立控制，雙絞龍可設(shè)置同速、不同速、變速比控制。作業(yè)時(shí)，如果某一絞龍手動(dòng)控制，另一絞龍仍可依據(jù)作業(yè)設(shè)置自動(dòng)達(dá)到控制要求。

圖3 絞龍（混砂自動(dòng)）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(jì)算機(jī)、液添泵驅(qū)動(dòng)電路板和手動(dòng)控制組成（見(jiàn)圖4）。工作時(shí)，無(wú)論吸入流量如何變化，計(jì)算機(jī)均可按照設(shè)定配比控制添加劑泵轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)添加劑過(guò)程的自動(dòng)控制。系統(tǒng)可對(duì)多臺(tái)添加劑泵單獨(dú)設(shè)置工作，也可由計(jì)算機(jī)依據(jù)作業(yè)過(guò)程中的需要選擇液添泵工作。系統(tǒng)設(shè)置有手／自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，操作人員亦可在無(wú)反饋的情況下實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(jì)算機(jī)、攪拌泵驅(qū)動(dòng)電路板和手動(dòng)控制組成。該系統(tǒng)主要通過(guò)在計(jì)算機(jī)中設(shè)定攪拌速比，將攪拌器控制在合適的轉(zhuǎn)速，以確?；旌弦旱幕彀栀|(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(jiàn)圖5）。制冷系統(tǒng)依靠空壓機(jī)和蒸發(fā)器完成；制熱系統(tǒng)依靠發(fā)動(dòng)機(jī)熱水循環(huán)。2套系統(tǒng)由控制室內(nèi)的風(fēng)機(jī)完成，同時(shí)可調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)向。

7）管匯控制系統(tǒng) 系統(tǒng)包括閥門(mén)手動(dòng)控制、閥門(mén)聯(lián)動(dòng)控制、雙吸雙排控制、左右過(guò)橋控制、緊急控制。其中閥門(mén)聯(lián)動(dòng)控制時(shí)計(jì)算機(jī)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(bǔ)油壓；排出主油壓、排出補(bǔ)油壓；輸砂泵主油壓、輸砂泵補(bǔ)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(shè)備上所有的信號(hào)采集點(diǎn)，主要包括流量信號(hào)、壓力信號(hào)、位置信號(hào)、溫度信號(hào)和密度信號(hào)等。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制器選用ROCKWELL（羅克韋爾）控制器，可靠性能高，維護(hù)簡(jiǎn)單。全自動(dòng)控制作業(yè)，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了工作效率，也使作業(yè)質(zhì)量得以保障。控制系統(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(duì)防砂作業(yè)中的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全面的網(wǎng)絡(luò)控制和所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯總與分析，徹底解決傳統(tǒng)控制單元（包括機(jī)械控制、電氣控制、單機(jī)自動(dòng)化控制等）無(wú)法適應(yīng)防砂作業(yè)中特殊、復(fù)雜工藝及綜合性能操作響應(yīng)等要求的弊?。煌瑫r(shí)具有避免操作人員誤操作、達(dá)到手動(dòng)操作不可能達(dá)到的參數(shù)準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、保證作業(yè)人員安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，充分滿足防砂作業(yè)中的各種施工要求。

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