張驥

（四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司 湖北省荊州市 434024）

隨著社會的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高。由于液壓傳動具有調(diào)節(jié)簡單，傳遞功率大，易實現(xiàn)遠程控制等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于混砂車等石油機械產(chǎn)品中，降低操作者的勞動強度，但控制方法局限于手動，電磁控制等傳統(tǒng)控制模式。各種控制方法存在一些不足，制約液壓系統(tǒng)中石油機械中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)機械化的發(fā)展，人們對石油機械產(chǎn)品安全性要求不斷提高。石油機械按以往制造工藝生產(chǎn)無法滿足現(xiàn)代石油業(yè)發(fā)展需求，將PLC運用于石油機械液壓控制系統(tǒng)中，可以提高生產(chǎn)智能化程度，保證石油產(chǎn)品質(zhì)量。

1 石油機械液壓控制系統(tǒng)PLC技術(shù)簡介

PLC是可編程邏輯控制器技術(shù)，用于邏輯運算、計算數(shù)操作等用戶指令，將結(jié)果通過數(shù)字信號輸入下個控制器械。PLC可視為用于工業(yè)生產(chǎn)的計算機，具有微機基本機構(gòu)，PLC基本構(gòu)成包括CPU，輸出輸入接口電路等[1]。PLC具有編程方便，功能多樣，抗干擾能力強等優(yōu)點。PLC在石油機械液壓控制系統(tǒng)中廣泛為應(yīng)用，通過滑塊運動實現(xiàn)油缸功能，通過使用PLC控制壓邊力，使PLC為系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓邊力。

PLC系統(tǒng)運行中能自動化完成控制路線的邏輯運算， I/O映像區(qū)域中輸入點的狀態(tài)不會改變。輸出刷新是PLC系統(tǒng)運行中的最后環(huán)節(jié)，CPU以I/O映像狀態(tài)信息為根據(jù)，通過輸出電路驅(qū)動外接設(shè)備。PLC具備邏輯控制功能、監(jiān)控功能等，適用于工業(yè)自動化控制，其優(yōu)點體現(xiàn)在可靠性高，組合靈活等。工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，PLC選用電子器件為工業(yè)級，采用屏蔽等措施增進軟硬件的可靠性[2]。PLC一般使用梯形圖作為編程語言，適合有一定電工知識的人員使用。液壓系統(tǒng)負載功率如表1所示。

表1：液壓系統(tǒng)負載功率

液壓傳動原理方程P=P0+ρgh，Po為液體受力面受壓MPa，P為靜止液體內(nèi)任一點壓力MPa。靜止液體任一點壓力P包含頁面壓力Po，密閉容器中外力作用產(chǎn)生壓力傳遞到液體所有點。液壓傳動特點體現(xiàn)在傳動必須經(jīng)兩次能量轉(zhuǎn)換，傳動工作介質(zhì)為具有壓力液體；傳動必須在密閉容器進行[3]。液壓傳動是新興的技術(shù)，相比機械傳動具有傳輸動力大，直線運動實現(xiàn)簡單，使用壽命長等諸多優(yōu)點。工程領(lǐng)域應(yīng)用液壓技術(shù)始于1795年首臺壓力機誕生。21世紀后，液壓技術(shù)在控制系統(tǒng)領(lǐng)域扮演重要角色。

2 混砂車液壓控制系統(tǒng)研究

20世紀我國石油工業(yè)經(jīng)歷50年代的探索階段，六七十年代的高速發(fā)展階段與80年代后穩(wěn)定發(fā)展階段。石油工業(yè)稱為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。21世紀石油工業(yè)經(jīng)歷激烈競爭，部分油田進入采油中晚期階段，隨著壓裂工藝強化，大型壓裂裝備成為油氣井提高單井產(chǎn)量的重要措施。我國油氣田開發(fā)處于高壓井施工難度大的階段，大型數(shù)控成套壓裂裝備研制對提高技術(shù)水平具有重要意義。我國過去引進國外技術(shù)取得一定進步，研制適合我國油氣田作業(yè)工藝特點是壓裂裝備?；焐败嚶菪敿喥髫撦d參數(shù)如表2所示。

表2：混砂車螺旋輸紗器負載參數(shù)

國產(chǎn)壓裂裝備停留于對國外先進壓裂技術(shù)仿制階段，注入壓裂機組自動控制系統(tǒng)等未形成國產(chǎn)自主生產(chǎn)產(chǎn)品。實現(xiàn)對大型壓裂機組研制對提升國產(chǎn)裝備技術(shù)水平具有重要意義。隨著油田不斷開采，油井生產(chǎn)層滲透率不斷降低，迫使對油井壓裂作業(yè)更加頻繁。目前對油氣田壓裂作業(yè)通過壓裂機組完成，通過提高油井油氣層滲透率提高采收率，將電子機械等先進技術(shù)集成在專用車底盤，通常1套壓裂車組由多臺壓裂泵車，混砂車等組成。我國油田壓裂車組混砂車大多以手動控制為主，油田壓裂施工不可重復(fù)性，混合液砂密度，干粉添加劑比例等參數(shù)是否符合壓裂施工設(shè)計要求影響施工質(zhì)量。

3 PLC技術(shù)在石油機械液壓系統(tǒng)中的運用

石油機械液壓系統(tǒng)通過液壓缸實現(xiàn)功能，石油機械液壓系統(tǒng)操作方式分為手動與半自動，可以利用頂出缸液壓油對板材造成拉伸提供壓邊力操作系統(tǒng)。合理控制壓邊力需要改造原有液壓系統(tǒng)。通過電磁比例溢流流量控制閥使氣缸提供壓邊力。頂出缸壓邊力可以提供穩(wěn)定的壓邊力。石油機械液壓控制系統(tǒng)PLC選型需要考慮多方面因素，如系統(tǒng)控制方面要求等，明確相關(guān)因素才能確定所需操作。估算輸入輸出點數(shù)，選擇具有較高性價比的PLC控制系統(tǒng)。

PLC是微機基礎(chǔ)上開發(fā)的數(shù)字量控制程序控制器，可實現(xiàn)邏輯位置等控制，PLC在各種工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PLC硬件系統(tǒng)包括CPU，編程器等，軟件系統(tǒng)是根據(jù)控制功能編制的應(yīng)用程序?？刂茐毫α髁康葏?shù)經(jīng)前置放大后，PLC對數(shù)據(jù)運算輸出相應(yīng)指令控制相關(guān)設(shè)備動作，操作人員可以了解設(shè)備運行狀況，保證設(shè)備的安全性。以19m高空帶電作業(yè)車為例說明PLC控制，作業(yè)車上下臂伸展幅度不同于工作斗，操作人員高空進行帶電作業(yè)需要快捷達到預(yù)定位置，液壓小吊超過額定負荷造成翻車后果。操作者要明確所處位置，目前設(shè)備實際載荷等參數(shù)，要求設(shè)備具有過載保護，發(fā)動機運行狀況實時監(jiān)測。如用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)使系統(tǒng)復(fù)雜。如圖1所示。

圖1：混合液排除壓力控制框圖

輸出輸入點數(shù)估算是影響PLC選型的重要因素，I/O點數(shù)通常根據(jù)統(tǒng)計輸入輸入點數(shù)，增加10%的可擴展余量。存儲器容量估算是進行一定預(yù)見，是PLC提供硬件存儲單元大小，存儲器容量應(yīng)大于程序容量，要使用應(yīng)用程序未進行編寫，選型中合理考慮程序容量，采用存儲器容量代替。CPU選型考慮存儲器容量，對大型設(shè)備需要足夠CPU運算速度，如方藥系統(tǒng)設(shè)計軟件考慮使用雙CPU冗余設(shè)計。從系統(tǒng)經(jīng)濟性考慮，選擇需要通訊方式，考慮PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局。輸出輸入模塊選擇要考慮統(tǒng)一應(yīng)用需求，如繼電器輸出模塊具有價格低，較長響應(yīng)時間；輸出模塊交流輸出與模擬量輸出要求相同。

4 基于PLC技術(shù)的混砂車控制系統(tǒng)

混砂壓裂施工作業(yè)，利用地面配置罐將清水與基液混合，混合罐根據(jù)需要配置壓裂液，輔助添加系統(tǒng)可以按要求提供添加劑，利用排砂泵按要求向壓裂泵車泵送不同黏度壓裂液，混砂車是壓裂機組核心設(shè)備。混砂車性能取決于混合液質(zhì)量，需要精確控制原料加入量。首先需要考慮負載驅(qū)動方式。

混砂車負載采用液壓驅(qū)動，液壓驅(qū)動具有操作靈活方便，可靠性強等特點，傳動系統(tǒng)動力來自車臺發(fā)動機，為液壓泵提供動力，達到對吸入泵，攪拌器，螺旋輸紗器等執(zhí)行元件控制。左右螺旋輸紗器采用不同液壓泵驅(qū)動，混合罐攪拌器存在時間差異，采用單獨液壓泵驅(qū)動。需由節(jié)流閥組合調(diào)節(jié)閥達到控制目的?？刂葡到y(tǒng)負載由液壓馬達驅(qū)動，吸入排除砂泵，液添泵I,II，混合罐液體攪拌器等負載特點為液壓馬達輸出扭矩不變，功率與驅(qū)動負載轉(zhuǎn)速成正比。通過執(zhí)行元件液壓油缸驅(qū)動輸紗器升降，液壓缸輸出恒推力，需無級調(diào)速。如表3所示。

表3：混砂車液壓控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

混砂車壓裂施工中要求實現(xiàn)順序啟動，壓裂作業(yè)對壓裂液質(zhì)量要求較高，上位機進行參數(shù)設(shè)定，包括混合罐液位高度，排出砂泵排出壓力等。PLC控制器按輸入?yún)?shù)控制液壓馬達排量，自動控制方式下實現(xiàn)自動順序啟動，開啟液壓油箱出口閥門，延時1s為保證液壓泵充滿液壓油，液體漫過攪拌器，延時5s連接排除砂泵離合器。壓裂施工后順序關(guān)閉各部分。關(guān)閉吸入液壓泵與添加劑液壓泵入口閥門。延時5s后斷開攪拌器聯(lián)軸器器I,II，最后關(guān)閉車臺發(fā)動機實現(xiàn)完成壓裂施工。

采用PLC與上位機結(jié)合控制方式，PLC良好控制性能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，可直接控制數(shù)字量，上位機可實現(xiàn)工藝管理等實時監(jiān)控管理功能。市場上廣泛運用的PLC廠家有西門子，羅克韋爾等，研究選擇羅克韋爾公司生產(chǎn)PLC，控制系統(tǒng)主控制器采用ControlLogix型PLC，利用觸摸屏為監(jiān)控界面，是當(dāng)前控制系統(tǒng)通用方式?？刂葡到y(tǒng)由直接控制與上位監(jiān)控級控制組成。監(jiān)控級完成系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定，工藝過程控制等工作。監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC相連，分層控制系統(tǒng)保證控制系統(tǒng)可靠性。

控制器需要采集信號包括模擬量與數(shù)字量，需要對混砂車液壓控制系統(tǒng)信號進行分析?；焐败囈簤嚎刂葡到y(tǒng)中數(shù)字量時間數(shù)量為離散物理量?？刂葡到y(tǒng)硬件包括控制器及對信息采集的傳感器。研究混砂車液壓控制系統(tǒng)控制點較多，選用羅克韋爾公司ControlLogix系列PLC，各模塊相互獨立，PLC模塊配置靈活，易于維護等優(yōu)點，可通過以太網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)，成為油田設(shè)備自動化控制器的核心。ControlLogix擴展高效的工程軟件，具備模塊點數(shù)密度高，結(jié)構(gòu)緊湊等特點。

5 結(jié)語

PLC控制技術(shù)在石油機械液化系統(tǒng)應(yīng)用解決傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)易發(fā)生的安全問題，合理避開氣控元件安裝復(fù)雜等缺點。利用PLC可對設(shè)備實時監(jiān)測，使設(shè)備增加報警等多種功能，降低設(shè)備故障引起風(fēng)險?；赑LC的石油機械液壓控制系統(tǒng)根據(jù)獨立式技術(shù)參數(shù)等，設(shè)計功能完善的PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)自動完成。通過PLC控制液壓系統(tǒng)工作，降低工人勞動強度，提高作業(yè)安全性。液壓系統(tǒng)采用差動回路，實現(xiàn)快速起升作業(yè)。