岳永澤

（大慶油田釆油七廠信息中心，黑龍江 大慶 163517）

0 引言

傳統(tǒng)上，人們通常采用變頻器上的操作面板對頻率參數(shù)進行本地設置，但是注配間內(nèi)注水井地下情況復雜，且間內(nèi)來水壓力不穩(wěn)，導致間內(nèi)單井注水波動較大，需人工在現(xiàn)場頻繁調(diào)節(jié)變頻器變頻。對此，基于配水間數(shù)字化改造，可通過遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）與變頻器進行通信，進行變頻參數(shù)的實時采集。在RTU 中開發(fā)智能應用程序，根據(jù)單井控制策略，智能調(diào)節(jié)單井注水量，在不能滿足單井注水需求時，智能調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)，并采取安全措施，最終實現(xiàn)注配間安全平穩(wěn)注水。

1 變頻器通信

大多數(shù)變頻器支持RS485 通信方式，因此RTU 通過RS485協(xié)議與變頻器進行通信，通過RS485 信號線將變頻器變頻數(shù)據(jù)信號輸出至RTU 中，通過Modbus 協(xié)議，進行變頻器頻率數(shù)據(jù)的讀寫。RTU 通過有線方式與變頻器進行連接，RTU 采集的變頻器數(shù)據(jù)通過4G 無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳入監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也可向RTU 下達控制指令，RTU 再將命令寫入變頻器。

大慶油田采油七廠注配間因投產(chǎn)時間不同，變頻器的廠家、型號眾多，包括艾默生、森蘭、偉創(chuàng)、ABB 等廠家的10 余種型號的變頻器。不同變頻器廠家通信協(xié)議存在較大差異，即使同一廠家不同型號的變頻器，其通信協(xié)議也可能不同，這就需要在每個配水間都開發(fā)一版程序，給現(xiàn)場RTU 與變頻器通信帶來較大的工作量。為解決這一問題，技術人員將RTU 采集驅(qū)動模塊化，即收集整理每種型號變頻器RS485 通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議開發(fā)驅(qū)動程序，并將驅(qū)動程序植入RTU 中，在RTU 與變頻器配置通信時，選擇該型號變頻器所對應的驅(qū)動。這樣即使一個不懂開發(fā)的現(xiàn)場技術人員，也可以輕松完成變頻器的通信配置工作。

2 變頻聯(lián)動控制

2.1 單井智能注水

目前，大慶油田采油七廠配水間數(shù)字化改造已接近尾聲，單井均安裝了流量計與注水控制器，可以實現(xiàn)按照配注進行穩(wěn)流配水。配水間數(shù)字化改造改變了傳統(tǒng)人工頻繁手動調(diào)節(jié)單井注水量的管理方式，減輕了員工的勞動強度，提高了工作效率。

穩(wěn)流配水雖然實現(xiàn)了單井精準的注水，但是部分注水井地層情況較為復雜，分層測試結(jié)果中合理注水壓力范圍較小，雖然注水量達到配注量，但注水壓力卻超出合理范圍，導致小層不分水或搶水的情況發(fā)生，水井A2 資料則為不合格，需要測試隊進行復測，甚至個別注水井需要多次復測，從而大大地提高了水井測試的工作量和成本。

為提高注水資料合格率，大慶油田采油七廠采取基于RTU二次開發(fā)的方式，開發(fā)智能注水程序，自動調(diào)節(jié)設定水量和注水壓力，確保注水量和注水壓力全合格，并通過與油田管理各部門緊密結(jié)合，聯(lián)系生產(chǎn)實際，制定合理的自動調(diào)節(jié)策略。①采集注水壓力、流量實時數(shù)據(jù)。②當注水壓力＞破裂壓力（允許最大注水壓力）時，閥門快速關小，流量下降，使注水壓力下降，如注水壓力不超過破裂壓力時，進入第3 步。③當注水壓力＞合格壓力上限時，閥門關小，減小流量。當注水壓力＜合格壓力下限時，流量控制器開大閥門，使注水壓力在合格壓力范圍內(nèi)，當壓力在合格壓力范圍內(nèi)進入第4 步。④當瞬時流量不在合格水量范圍之內(nèi)時，調(diào)節(jié)瞬時流量，使瞬時流量在合格水量范圍內(nèi)。比如，流量在合格范圍內(nèi)則跳轉(zhuǎn)至1，進行重復，當流量不在合格范圍之內(nèi)時，則進入第5 步。⑤按配注水量調(diào)節(jié)閥門，同時保證注水壓力＜破裂壓力。

2.2 變頻聯(lián)動控制

注配間單井和配水間單井流程一樣，區(qū)別在于注配間來水壓力較低，不能滿足間內(nèi)正常注水，因此采用柱塞泵增壓的方式來提高注水壓力，一般間內(nèi)部署2～3 臺柱塞泵，由變頻器控制柱塞泵電機的轉(zhuǎn)速，從而控制泵的揚程。變頻器控制方式大多為1 拖1，部分為1 拖2，即1 個變頻控制兩臺泵，一臺柱塞泵變頻運行，一臺柱塞泵工頻運行。無論間內(nèi)有幾臺變頻器運行，通常都只調(diào)節(jié)其中一臺變頻器，其他變頻器只發(fā)揮60%～80%的能力，相當于工頻運行。

RTU 采集間內(nèi)所有數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析與控制，首先，判斷注水干線壓力是否超過上限、柱塞泵的出口壓力是否超過上限（其中干線和泵壓力上限可以通過監(jiān)控系統(tǒng)遠程設置），當壓力超過上限，技術人員將變頻下調(diào)0.1 Hz，當壓力正常時，進入單井控制流程，即采用配水間智能注水策略，通過量壓優(yōu)選法調(diào)節(jié)單井注水控制裝置。當不能滿足單井注水需求時，變頻上調(diào)0.1 Hz，能夠滿足注水時則不調(diào)節(jié)。這樣周而復始地進行聯(lián)動控制，提高了調(diào)節(jié)精度，減輕了員工的勞動強度。

3 遠程與本地控制

變頻器不能一直遠程控制（RTU 自動控制包含遠程控制），特殊情況仍需現(xiàn)場調(diào)節(jié)，因此應設計遠程和本地控制模式切換功能，即遠程控制和本地變頻器面板控制切換。大慶油田采油七廠注配間柱塞泵所配套變頻器生產(chǎn)時間和型號各異，近幾年新投產(chǎn)注配間變頻器功能較多，擁有遠程和就地控制的控制接口，支持控制模式的切換，部分老舊變頻器因生產(chǎn)年限較早，功能單一，不具備遠程和就地控制接口。針對變頻器是否存在遠程、就地控制接口，設計兩種切換方式：軟件切換和硬件切換。

3.1 軟件切換

如果變頻器存在切換接口，可通過RTU 與變頻器建立通信，修改變頻器相應寄存器狀態(tài)值，實現(xiàn)遠程和就地控制模式切換。設計思路如下：①默認狀態(tài)下變頻器為就地控制模式；②服務端控制系統(tǒng)遠程向RTU 下達指令，切換指令、調(diào)節(jié)指令；③RTU 接受指令后向變頻器下達模式切換指令，切換為遠程模式；④如果變頻器遠程控制模式切換成功，繼續(xù)執(zhí)行變頻參數(shù)調(diào)節(jié)指令；⑤如果遠程調(diào)節(jié)頻率已執(zhí)行，則將控制模式切換回本地模式。

3.2 硬件切換

如果變頻器沒有切換接口，便無法遠程切換控制模式，因此大慶油田采油七廠對現(xiàn)場變頻柜進行改造，在柜門上加裝一旋鈕（相當于單刀雙擲開關），兩動觸點分別與變頻柜控制面板和RTU 連接，并做好切換模式標注，當切換到遠程模式觸點，變頻器便與RTU 連接上，通過RTU 就能遠程對變頻器進行調(diào)節(jié)。當切換到本地模式觸點，變頻器便與自帶控制面板連接，通過控制面板進行變頻調(diào)節(jié)。

4 變頻安全控制

注水管線只有在合理的壓力范圍內(nèi)才能正常運行，當管線承受的壓力超過上限時，管線極易穿孔；當管線內(nèi)壓力過低時，說明來水量太小或閥門沒有打開。為確保注配間聯(lián)動控制安全運行，自動監(jiān)控系統(tǒng)能夠設定進、出口壓力報警及停機閾值，出口壓力超報警值則報警，超停機值則停機；進口壓力降至低壓報警值則報警，降至停機值則停機，最終可以實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行，從而避免事故發(fā)生。出口壓力停機值是指間內(nèi)生產(chǎn)允許的最大壓力，而聯(lián)動控制的壓力上限小一點，這樣就形成了雙保險。根據(jù)控制采集參數(shù)和控制停泵的方式不同，技術人員制訂了兩種方案。

方案一：RTU 控制方式，即采用一臺RTU 單獨采集間內(nèi)所有柱塞泵出口壓力和總干線壓力，當壓力超過上限時，將該壓力所對應的柱塞泵變頻器斷電。安全RTU 直接將采集的壓力數(shù)據(jù)回傳至后臺監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)還可以遠程調(diào)節(jié)壓力閾值。

方案二：二次表控制方式，即采用二次表采集柱塞泵及總干線壓力，并設置上限，當壓力超上限時，將接入的柱塞泵變頻器斷電。二次表不能通過遠程設置報警閾值，只能在本地儀表面板上進行設置。一塊二次表只能接一塊壓變，一塊二次儀表只能控制一臺變頻，因此注配間使用二次表的數(shù)量由變頻器數(shù)量決定。

兩種方案均采用通過控制繼電器來實現(xiàn)變頻器電路切斷，均能實現(xiàn)壓力超限停泵，成本相近，其中，方案一中安全RTU 運算能力強，能夠進行復雜控制，并能實時回傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)及報警信息，且施工較為簡單；方案二中二次表功能簡單，故障率較低，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但需求數(shù)量較多，施工較為復雜。數(shù)字化改造設計時，可根據(jù)使用要求選擇適合的建設方案。

5 結(jié)語

本研究在穩(wěn)流配水系統(tǒng)基礎上，接入變頻器進行聯(lián)動調(diào)節(jié)，對注配間建設方案進行了完善，同時采取安全措施，消除安全隱患，以確保注配間安全穩(wěn)定運行，提高數(shù)字化管理水平，進一步降低員工的勞動強度，真正實現(xiàn)注配間無人值守。