摘要：混砂車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)基于西門(mén)子PLC-300硬件基礎(chǔ)，面向油田壓裂車(chē)組工藝流程，實(shí)現(xiàn)了液位、排出壓力、添加劑、砂比等參數(shù)的自動(dòng)控制。通過(guò)中英文可切換的人機(jī)交互操作界面，根據(jù)實(shí)際需要輸入各階段的設(shè)定參數(shù)，系統(tǒng)開(kāi)啟后自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)參數(shù)的精確控制。

關(guān)鍵詞：PLC；混砂車(chē)；自動(dòng)控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混砂車(chē)在油田壓裂車(chē)組中的地位極為重要，混砂車(chē)的控制方式以及控制精確性嚴(yán)重影響著油田作業(yè)的成本和效率�，F(xiàn)階段，在國(guó)內(nèi)仍有部分傳統(tǒng)壓裂車(chē)組的混砂車(chē)以人工手動(dòng)進(jìn)行控制[1]，通過(guò)人工控制液面高度、砂密度、液態(tài)添加劑比例、干粉添加劑比例以及排量輸出壓力。人工控制施工方式在實(shí)際操作中存在諸多弊病，這種控制方式效率低下且參數(shù)精確性難以保證，因?yàn)橛吞飰毫咽┕さ牟豢芍貜?fù)性，一旦混合液由混砂車(chē)輸入到油井中，混合液砂密度、液態(tài)添加劑比例、干粉添加劑比例等重要參數(shù)是否符合壓裂施工的設(shè)計(jì)要求，將直接影響油田作業(yè)施工質(zhì)量。

為了保證壓裂施工的質(zhì)量，本混砂車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)在混砂車(chē)具備良好機(jī)械性能基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)的自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)跟蹤混砂過(guò)程。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量各模塊的數(shù)據(jù)傳送至PLC，PLC按照軟件設(shè)計(jì)的控制算法對(duì)混砂車(chē)各環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)控制，確保了液位、排出壓力、添加劑、砂比等各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)定要求，確保了混砂作業(yè)的質(zhì)量。

1PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1混砂罐液位自動(dòng)控制

系統(tǒng)中混砂罐液位主要通過(guò)控制吸入泵、絞龍、添加劑泵的轉(zhuǎn)速以及吸入閥的開(kāi)啟度來(lái)調(diào)節(jié)。液位高度由超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，PLC根據(jù)測(cè)得的實(shí)際液位與設(shè)定液位的差值運(yùn)用PID算法控制吸入泵，調(diào)整了吸入泵的基液吸入量，起到穩(wěn)定液位的作用。液位PID控制原理如圖1所示。

圖1液位反饋控制原理圖

此外，系統(tǒng)設(shè)定了最高液位上下限和最低液位上下限當(dāng)液位達(dá)到設(shè)置的限度值時(shí)，絞龍、添加劑泵以及吸入閥根據(jù)不同情況作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步確保液位的穩(wěn)定。這種“雙保險(xiǎn)”的自動(dòng)控制方式能有效控制混砂罐液位在規(guī)定的范圍內(nèi)。系統(tǒng)液位控制總體示意圖如圖2所示。

圖2液位控制示意圖

1.2排出壓力自動(dòng)控制

排出壓力控制采用定時(shí)容差的快速控制方法�？刂栖浖ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)排出泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制排出口的壓力，以保證排出口壓力在設(shè)定排出口壓力上限和設(shè)定壓力下限之間[2]。若排出口壓力高于排出口壓力上限或低于排出口壓力下限，則控制軟件按規(guī)定時(shí)間間隔對(duì)排出泵控制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保排出壓力在合適范圍內(nèi)。

1.3添加劑自動(dòng)控制

控制軟件根據(jù)作業(yè)設(shè)置界面設(shè)定的20個(gè)階段的添加劑起始濃度和結(jié)尾濃度以及流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量的吸入流量，得到添加劑的設(shè)定添加速率，通過(guò)比較設(shè)定添加速率和測(cè)量得到的實(shí)際添加速率并運(yùn)用PID算法調(diào)節(jié)添加劑泵的控制電壓。此外，根據(jù)設(shè)定的添加劑起始濃度與結(jié)尾濃度相同與否，軟件可控制添加劑泵的添加方式為階段添加與斜線添加，更好的滿足了實(shí)際作業(yè)的需求。作業(yè)設(shè)置界面示意圖如圖3所示。

圖3作業(yè)設(shè)置界面示意圖

1.4砂比自動(dòng)控制

混砂車(chē)砂比通過(guò)排出管線上的密度計(jì)測(cè)量后計(jì)算得到，而砂比與支撐劑濃度可按公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以可以通過(guò)設(shè)定并控制支撐劑濃度達(dá)到砂比控制的目的。系統(tǒng)軟件根據(jù)作業(yè)設(shè)置界面設(shè)定的支撐劑起始濃度、結(jié)尾濃度、絞龍轉(zhuǎn)速比以及絞龍倍率得到絞龍1與絞龍2的設(shè)定輸砂速率�？刂栖浖ㄟ^(guò)比較設(shè)定輸砂速率與傳感器得到的實(shí)際輸砂速率，運(yùn)用增量式PID算法控制絞龍的控制電壓，使砂比的到穩(wěn)定控制。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本混砂車(chē)控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300機(jī)型，配備了數(shù)字IO模塊以及模擬IO模塊，硬件各環(huán)節(jié)配置相應(yīng)的傳感器。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采樣輸入數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件控制，軟件系統(tǒng)自上而下計(jì)算得到各子系統(tǒng)的設(shè)定控制參數(shù)，各子系統(tǒng)通過(guò)各自控制算法調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，進(jìn)而控制各環(huán)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。自動(dòng)模式時(shí)，階段1完成后自動(dòng)進(jìn)入階段2，依次進(jìn)行，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3結(jié)語(yǔ)

基于PLC-300的混砂車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能完善、操作簡(jiǎn)便，液位控制首次采用吸入閥、吸入泵聯(lián)合粗調(diào)以及超聲波傳感器檢測(cè)、PID精調(diào)的“雙保險(xiǎn)”控制方法，粗調(diào)與精調(diào)共同確保了混砂作業(yè)中液面高度的穩(wěn)定；排出壓力控制方法，根據(jù)實(shí)際情況適應(yīng)了作業(yè)需求；添加劑、砂比的增量式PID控制方法快速精準(zhǔn)，確�；焐暗馁|(zhì)量；此外系統(tǒng)采用人機(jī)交互界面的設(shè)置和監(jiān)控方式，操作方便安全，更好的適應(yīng)了混砂車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]范新強(qiáng)，樓國(guó)祥．基于PLC控制混砂車(chē)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械．2011,40(3):88~89.

[2]鄧斌奇．混砂車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)研究．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量[J]．2011,31(7).