摘要：混砂車自動控制系統(tǒng)基于西門子PLC-300硬件基礎，面向油田壓裂車組工藝流程，實現(xiàn)了液位、排出壓力、添加劑、砂比等參數(shù)的自動控制。通過中英文可切換的人機交互操作界面，根據(jù)實際需要輸入各階段的設定參數(shù)，系統(tǒng)開啟后自動運行，實現(xiàn)了各項參數(shù)的精確控制。

關鍵詞：PLC；混砂車；自動控制；系統(tǒng)設計

混砂車在油田壓裂車組中的地位極為重要，混砂車的控制方式以及控制精確性嚴重影響著油田作業(yè)的成本和效率。現(xiàn)階段，在國內(nèi)仍有部分傳統(tǒng)壓裂車組的混砂車以人工手動進行控制[1]，通過人工控制液面高度、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，因為油田壓裂施工的不可重復性，一旦混合液由混砂車輸入到油井中，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計要求，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，本混砂車自動控制系統(tǒng)在混砂車具備良好機械性能基礎上，運用先進的自動控制功能，實現(xiàn)計算機自動跟蹤混砂過程。通過傳感器實時測量各模塊的數(shù)據(jù)傳送至PLC，PLC按照軟件設計的控制算法對混砂車各環(huán)節(jié)進行自動控制，確保了液位、排出壓力、添加劑、砂比等各項參數(shù)均達到設定要求，確保了混砂作業(yè)的質(zhì)量。

1PLC自動控制系統(tǒng)

1.1混砂罐液位自動控制

系統(tǒng)中混砂罐液位主要通過控制吸入泵、絞龍、添加劑泵的轉(zhuǎn)速以及吸入閥的開啟度來調(diào)節(jié)。液位高度由超聲波傳感器實時監(jiān)測，PLC根據(jù)測得的實際液位與設定液位的差值運用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)設定了最高液位上下限和最低液位上下限當液位達到設置的限度值時，絞龍、添加劑泵以及吸入閥根據(jù)不同情況作相應的調(diào)節(jié)，進一步確保液位的穩(wěn)定。這種“雙保險”的自動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排出壓力自動控制

排出壓力控制采用定時容差的快速控制方法。控制軟件通過調(diào)節(jié)排出泵的轉(zhuǎn)速來控制排出口的壓力，以保證排出口壓力在設定排出口壓力上限和設定壓力下限之間[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)定時間間隔對排出泵控制電壓進行調(diào)節(jié)，確保排出壓力在合適范圍內(nèi)。

1.3添加劑自動控制

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

圖3作業(yè)設置界面示意圖

1.4砂比自動控制

混砂車砂比通過排出管線上的密度計測量后計算得到，而砂比與支撐劑濃度可按公式進行轉(zhuǎn)換，所以可以通過設定并控制支撐劑濃度達到砂比控制的目的。系統(tǒng)軟件根據(jù)作業(yè)設置界面設定的支撐劑起始濃度、結尾濃度、絞龍轉(zhuǎn)速比以及絞龍倍率得到絞龍1與絞龍2的設定輸砂速率?？刂栖浖ㄟ^比較設定輸砂速率與傳感器得到的實際輸砂速率，運用增量式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)整體設計

本混砂車控制系統(tǒng)采用西門子S7-300機型，配備了數(shù)字IO模塊以及模擬IO模塊，硬件各環(huán)節(jié)配置相應的傳感器。自動控制系統(tǒng)通過實時采樣輸入數(shù)據(jù)到計算機進行軟件控制，軟件系統(tǒng)自上而下計算得到各子系統(tǒng)的設定控制參數(shù)，各子系統(tǒng)通過各自控制算法調(diào)節(jié)輸出信號，進而控制各環(huán)節(jié)的執(zhí)行機構。自動模式時，階段1完成后自動進入階段2，依次進行，系統(tǒng)整體設計結構圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)整體設計結構圖

3結語

基于PLC-300的混砂車自動控制系統(tǒng)功能完善、操作簡便，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、PID精調(diào)的“雙保險”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)實際情況適應了作業(yè)需求；添加劑、砂比的增量式PID控制方法快速精準，確?；焐暗馁|(zhì)量；此外系統(tǒng)采用人機交互界面的設置和監(jiān)控方式，操作方便安全，更好的適應了混砂車的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1]范新強，樓國祥．基于PLC控制混砂車液位自動控制系統(tǒng)研究[J]．石油礦場機械．2011,40(3):88~89.

[2]鄧斌奇．混砂車的發(fā)展趨勢研究．中國石油和化工標準與質(zhì)量[J]．2011,31(7).