淺談油田小型酸化壓裂設備控制技術

摘要：其簡要介紹了小型酸化壓裂設備的控制技術，著重介紹了一種新型控制技術，該技術在原有控制技術的基礎上將可編程控制器和人機界面通過RS232通訊協議連接在一起，實現數據采集、顯示、控制，又利用了CAN總線協議實現遠程數據顯示及控制。該控制技術提供給操作人員更多的方便與安全保障。本文概述了利用這種新型控制技術研發的控制系統的基本組成和結構特點。

關鍵詞：可編程控制器；人機界面；RS232通訊協議；CAN總線協議

引言

近年來，隨著我國制造技術水平不斷提高，油田小型酸化壓裂車機械部件基本上達到世界先進水平。但是，在儀表顯示上仍然沿用20年前的方式，靠目測讀取數據，靠手感進行控制，這已遠遠不能滿足操作人員的個性化需求，嚴重影響了設備整體性能的提高。特別是遠程控制技術還沿用多芯電纜硬線連接，生產和制造成本都很高，安裝維護都不便。

本文概述的控制系統，是石油機械總公司第四石油機械廠最新研發的小型控制系統，主要針對小型酸化壓裂車數據采集、顯示及控制，著重闡述了系統的組成及特點。

1.小型壓裂設備控制系統概述

小型酸化壓裂設備主要由發動機、傳動箱及柱塞泵三大機械部件組成，這三大部件經過發動機→傳動箱→柱塞泵的動力傳送，將配制好的壓裂液泵送到井口，完成壓裂作業。因此，設備的控制系統主要圍繞這三大部件進行設計，下表詳細列出了控制系統的顯示參數和控制點。

表1 控制系統功能表

從表1可以看出，控制系統除需監控發動機、傳動箱及柱塞泵的作業參數外，還需提供報警功能，以反饋各部件是否工作正常。另外，控制系統具有超壓保護功能，即當柱塞泵的出口壓力大于系統設置的最高壓力時，出于保護設備安全和人員安全考慮，系統提供機械保護和電氣保護兩種方法。機械保護就是通過手動泄壓來降低實際壓力值，使其小于設定的最大壓力值。電氣保護就是當系統監測到實際壓力大于設定壓力值時，立即輸出超壓信號，通過繼電器控制實現發動機立即回怠速、傳動箱立即回空檔狀態，從而降低了柱塞泵的壓力。通常情況下，這兩種方法需配合使用，但是無論哪種方法都需手動解除超壓狀態后，系統才能正常作業。

基于以上功能表我們先后開發了兩種控制系統，包括傳統控制系統和新型控制系統。

2.傳統控制系統

圖1傳統控制系統

ECM——Engine Control Model發動機控制中心，發動機的大腦，采集并處理發動機數據，并提供用戶接口。

TCM——Transmission Control Model傳動箱控制中心，傳動箱的大腦，采集并處理傳動箱數據，并提供用戶接口。

如圖1 所示，傳統控制系統中發動機控制系統、傳動箱控制系統及柱塞泵數據監控系統各自獨立，用于顯示作業數據的儀表種類和數量都很多，控制閥件也很復雜。遠程控制系統完全是主控的備份，它采用30多芯的電纜與主控硬線連接，無論從安裝、使用和維護上都很復雜。

3.新型控制系統

圖2 新型控制系統

TTC60——德國派芬公司開發的專門用于汽車工業的一款可編程工業控制器，它可以實現對所有作業數據的傳輸、運算、處理及控制。

T10A——瑞典北爾公司開發的適用于汽車工業的一款人機交互觸摸屏，它可以實現所有數據的實時顯示、設置、下載，歷史數據的瀏覽等功能。

CAN——Controller Area Network的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議，是汽車網絡的標準協議。

RS232——RS232是美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號。

如圖2所示，新型控制系統通過可編程工業控制器和人機界面將發動機控制系統、傳動箱控制系統及柱塞泵數據監控系統融合在一起，實現集中控制，遠程控制則通過CAN總線通訊方式實現。

新型控制系統充分利用控制器本身數據接口，實現程序下載、數據采集和通訊功能。該控制器具有2個CAN接口，1個RS232接口。其中，本地控制器的1個CAN接口用來采集發動機及傳動箱的數據，實現發動機和傳動箱實時交換數據，進而控制發動機轉速及傳動箱換檔。另一個CAN接口用來下載程序或與遠程控制器的一個CAN接口進行數據通信，來實現對設備的遠程控制。本地控制器和遠程控制器的RS232接口分別與人機界面通訊，實現數據顯示和控制。

新型控制系統利用人機界面的USB接口和以太網口實現程序下載和數據下載功能。其中，USB接口可自動識別4G以上U盤，系統提供數據保存及下載功能。下載的文件為.skv文件，用戶將此文件拷貝到個人電腦上用excel軟件可以打開并編輯，方便操作人員對作業數據進行分析判斷，以便了解整個設備的狀態及柱塞泵的工作效率等。

新型控制系統將原本分散采集的發動機、傳動箱及柱塞泵的數據集中到控制器中通過人機界面集中顯示，這樣不僅可以實現各個數據之間的運算處理，還可以方便用戶選擇操作界面，實時觀察設備的運轉情況。遠程控制利用通信技術，取代原來的多芯電纜硬線鏈接，無論從安裝、使用和維護上都更加優化。

4.小結

隨著可編程控制技術和人機界面技術在油田設備中應用普及，新型控制技術將取代傳統控制技術逐漸被操作人員接受。小型酸化壓裂設備新型控制系統的成功運用正是這種技術發展的結果，它摒棄了傳統控制技術中各自獨立、硬線控制，以通訊協議的方式實現了數據的集中采集、處理及傳輸。無論從成本與運行的效益來看，是傳統控制方式不能比擬的。同時隨著小型酸化壓裂車技術的日益發展，自動壓力及自動排量技術將成為發展趨勢，其智能化程度在以后相當長的時間里會有一個進步發展的空間。

參考文獻：

[1]儲鐘昕.現代通訊應用實踐.[M]機械工業出版社.2013年8月

[2]陳端陽.工業自動化技術.[M]機械工業出版社.2011年7月

[3]王樹青樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊.[M]化學工業出版社.2010年1月

作者簡介：

紀麗華 （1978.12-），女，2003年畢業于大慶石油學院，學士，現工作于江漢石油管理局第四石油機械廠電控分廠（所）任電氣工程師，研究方向為固井壓裂設備電氣系統設計，參與設計的項目多次獲局級、廠家獎勵，個人獲合理化建議二等獎及工藝攻關二等獎等。