田建勇

【摘 要】油田注水是油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中提升地層壓力、提高油田采收率的重要手段之一。注水井管理技術(shù)水平的高低決定了油田開(kāi)發(fā)效果的好壞，同時(shí)也決定了油田開(kāi)發(fā)壽命的長(zhǎng)短。目前，多數(shù)注水壓力靠泵出口閥門(mén)或回流閥門(mén)手動(dòng)控制來(lái)改變管網(wǎng)特性曲線進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的排量，這樣的調(diào)節(jié)方式電能損失大，泵閥門(mén)磨損嚴(yán)重，泵維修頻繁。文章提出將注水泵變頻器接入現(xiàn)有的數(shù)字化系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的RS485總線Moddbus協(xié)議采集管線壓力數(shù)據(jù)和變頻器工況數(shù)據(jù)，利用注水站點(diǎn)的PLC進(jìn)行PID自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓注水。降低了能耗、減輕了工人工作強(qiáng)度、穩(wěn)定了管線壓力、提高了注水質(zhì)量及減少設(shè)備損耗。

【關(guān)鍵詞】注水;自動(dòng)穩(wěn)壓;Modbus協(xié)議;PID控制

【中圖分類(lèi)號(hào)】TE357.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）05-0074-02

1 簡(jiǎn)介

1.1 注水概況

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層能量不斷衰減，常用的注水方式是保持地層能量進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。通常，注水壓力靠泵出口閥門(mén)或回流閥門(mén)手動(dòng)控制來(lái)改變管網(wǎng)特性曲線，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的排量，這種方式難以達(dá)到泵的最佳工況點(diǎn)，管網(wǎng)運(yùn)行效率低，電能損失大，泵閥門(mén)磨損嚴(yán)重，泵維修頻繁。

目前，長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠已推廣變頻技術(shù)，通過(guò)數(shù)字化建設(shè)，采集了注水站點(diǎn)流量及壓力數(shù)據(jù)，建設(shè)了SCADA平臺(tái)。因此，本文提出利用現(xiàn)有的變頻器、PLC控制器和SCADA平臺(tái)開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)SCADA平臺(tái)下發(fā)指令，PLC控制變頻器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)穩(wěn)壓控制，使管網(wǎng)壓力保持穩(wěn)定，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低能耗。

1.2 PID控制

PID控制（比例—積分—微分控制器）是工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛、適應(yīng)性最強(qiáng)的控制方法，它是一種閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)測(cè)量、比較和執(zhí)行3個(gè)部分對(duì)被控量進(jìn)行控制。將被控變量的實(shí)際值與期望值相比較得出偏差，再利用偏差糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制;積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但有可能增加超調(diào);微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度及減弱超調(diào)趨勢(shì)。

本文應(yīng)用PID控制將管線壓力作為被控對(duì)象，壓力測(cè)量值作為反饋信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器工作頻率來(lái)達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)壓注水的目的。

2 設(shè)備硬件

2.1 注水站設(shè)備及工藝要求

以杏河作業(yè)區(qū)杏三撬注水站為例，現(xiàn)場(chǎng)由1臺(tái)“藍(lán)海華騰”E5-H變頻器拖動(dòng)2臺(tái)315 kW三相異步電機(jī)的注水泵，將罐中的水泵出，為所轄50多個(gè)口井注水。為保證注水量，總匯管壓力控制為18 MPa，壓力波動(dòng)不能超過(guò)±0.5 MPa。目前，通過(guò)人工開(kāi)關(guān)回流閥控制總匯管壓力，增加了人工，不能根據(jù)管線壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，管線壓力波動(dòng)較大，不能滿足工藝要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集及線路情況

目前，長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠已開(kāi)始數(shù)字化建設(shè)，杏三撬站內(nèi)有“安控”E40PLC控制器1臺(tái)，站內(nèi)壓力、流量數(shù)據(jù)已通過(guò)RS485總線Modbus協(xié)議采集，上傳至SCADA平臺(tái)。變頻器數(shù)據(jù)未采集，也沒(méi)有敷設(shè)控制線路，也就是說(shuō)目前只采集了站內(nèi)流量和壓力數(shù)據(jù)，并未采集變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)，也沒(méi)有對(duì)變頻器進(jìn)行控制。本文提出將變頻器接入現(xiàn)有的SCADA平臺(tái)，對(duì)變頻器工況進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)接入控制線路，通過(guò)平臺(tái)將注水泵變頻器納入SCADA控制。

3 方案制訂

3.1 信號(hào)及控制線纜敷設(shè)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，需要敷信號(hào)及控制線纜。在變頻器和PLC之間敷設(shè)2組信號(hào)線、2組控制線纜，要求都為地埋線。

3.2 控制方案

在注水站內(nèi)工頻運(yùn)行的“藍(lán)海華騰”E5-H變頻器與站內(nèi)已經(jīng)安裝的“安控”E40系列PLC設(shè)備之間敷設(shè)通信及控制電纜，編寫(xiě)PLC程序，采用閉環(huán)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。在SCADA平臺(tái)設(shè)定目標(biāo)壓力，現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器采集實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，將采集到的壓力數(shù)據(jù)和控制目標(biāo)相比較得出偏差，再由PID控制器計(jì)算得到輸出值，將輸出值發(fā)送給變頻器控制頻率，從而使現(xiàn)場(chǎng)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力?？刂圃韴D如圖1所示。

需要注意的是，本系統(tǒng)中管線壓力數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線采集，不是常見(jiàn)的模擬量信號(hào)反饋方式，這就需要編寫(xiě)控制程序時(shí)，將壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行格式處理，便于PID計(jì)算。

4 開(kāi)發(fā)SCADA上位機(jī)控制界面

為了方便員工操作和監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況，開(kāi)發(fā)注水泵控制界面，實(shí)現(xiàn)壓力設(shè)置、壓力監(jiān)測(cè)、變頻器運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警等功能（如圖2所示）。

5 編寫(xiě)控制程序及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

5.1 編寫(xiě)控制程序

根據(jù)已制訂的方案，編寫(xiě)控制程序，程序主要分以下3個(gè)部分。①變頻器參數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器運(yùn)行狀態(tài)。②壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化部分，將通過(guò)Modbus協(xié)議采集的匯管壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供PID計(jì)算的數(shù)據(jù)格式。③PID控制部分，分為手動(dòng)和自動(dòng)控制方式。手動(dòng)為直接手動(dòng)給定變頻器工作頻率。自動(dòng)控制方式為將設(shè)定的控制目標(biāo)和采集到的實(shí)際壓力進(jìn)行比較，再進(jìn)行PID計(jì)算，得到應(yīng)輸出的控制量，用于控制變頻器。由于壓力反饋數(shù)據(jù)是通過(guò)RS845總線采集的，程序編寫(xiě)過(guò)程中壓力數(shù)據(jù)采集周期需小于PID采樣周期，只有這樣，才能保證控制效果。將所編寫(xiě)的穩(wěn)壓控制程序作為子程序添加到油田公司PLC標(biāo)準(zhǔn)程序中。不影響主程序其他功能的運(yùn)行，也方便后期維護(hù)。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定PID參數(shù)

通過(guò)PID控制器參數(shù)的工程整定方法，整定PID參數(shù)已達(dá)到最佳控制效果，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試最終選定比例（P）、微分（I）、積分（D）參數(shù)分別為0.05、10、0.02。

5.3 測(cè)試控制效果

經(jīng)測(cè)定，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)可保持管線壓力18 MPa±0.03 MPa（如圖3所示）。設(shè)定新的控制目標(biāo)，測(cè)定重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)速度：當(dāng)設(shè)定壓力從18.0 MPa重新設(shè)置到17.5 MPa時(shí)，重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)只需要64 s（如圖4所示）。由此可以看出，開(kāi)發(fā)的自動(dòng)穩(wěn)壓控制程序具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，達(dá)到了之前提出的控制效果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上，本系統(tǒng)將通過(guò)RS485總線采集的壓力數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)，利用PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)注水站注水泵壓力的遠(yuǎn)程自動(dòng)穩(wěn)壓控制，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性及抗干擾能力。

本系統(tǒng)在杏河作業(yè)區(qū)杏三撬站已經(jīng)投入使用，現(xiàn)場(chǎng)工作人員反映大大降低了工作強(qiáng)度，只需要在值班房就可以對(duì)管線壓力進(jìn)行檢測(cè)和控制。系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，管線壓力波動(dòng)小，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓運(yùn)行。杏河作業(yè)區(qū)可以通過(guò)SCADA平臺(tái)對(duì)注水站情況遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可以遠(yuǎn)程設(shè)定壓力。

長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠在現(xiàn)有的數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)上，不用加裝模擬量輸出的壓力變送器進(jìn)行壓力反饋采集，而利用PID控制，實(shí)現(xiàn)注水自動(dòng)穩(wěn)壓，具有一定的推廣性。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]韓亮，宋坤鵬.基于S7-200正壓型防爆分析小屋PID調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)[J].智慧工廠，2017（3）：77-78，101.

[3]沈言夫.PID控制在乳化炸藥井下裝藥車(chē)上的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2018（9）：282-283.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]