石化專用智能化車載壓裂液混配設備控制系統研究與應用

劉光明，何義文

（1.蘭州資源環境職業技術大學黃河流域生態環境產教融合研究院，蘭州 730021；2.蘭州礦場機械有限公司，蘭州 730070）

壓裂液混配設備是用于混合并加壓輸送壓裂液的設備，廣泛應用于頁巖氣、煤層氣等資源的開發利用過程中。壓裂液混配設備能夠對多種不同的化學品進行混合，并且能夠按照特定的比例和流量進行控制，從而形成特定的壓裂液配方。混合過程中需要控制混合的時間、流量和混合比例等參數，以確?；旌系馁|量和效果。根據壓裂液混配設備的結構和功能特點，可以將其分為預混式壓裂液混配設備和動態混合式壓裂液混配設備。

1 智能化車載壓裂液混配設備設計

智能化車載壓裂液混配設備（以下簡稱“混配車”）要求實現精準、高效、可靠的液體配制，滿足不同壓裂作業的需要，同時也要考慮減少人工操作，提高生產效率，降低成本。設計混配車需要在自動配液控制系統、電液控制系統、傳感器和機械結構等方面進行優化和創新，實現高效、可靠、精準的壓裂液混配，而智能化控制系統則是該套設備的智慧大腦和控制中樞。混配車設計上具備以下特點。

自動配液控制系統能夠控制各種液體組分的配比，實現化學計量配制，減少人工失誤，提高配比精度和效率。電液控制系統可根據作業需求，控制各類混合和輸送設備的運行，實現自動化操作，降低人工成本，提高生產效率。傳感器采用高精度、穩定的元器件，監測液體壓力、溫度、濃度等參數，保證液體配制的質量和穩定性，防止過程中出現故障。采用先進的機械結構設計，保證設備的穩定性和可靠性，降低設備維修和更換成本，同時也要方便清洗和維護。

2 混配車自動配液控制系統

2.1 基本原理和功能

混配車自動控制系統由工控機、RC 控制器、顯示儀表組成，作業時通過操作安裝在控制面板上的顯示屏，按照施工作業方案輸入自動控制指令或在監控計算機軟件系統中預制自動控制程序后，混配車能夠按照指令實現干粉配比、初始清水流量、排出流量、液位和液添比例的自動控制，以及相應的施工參數顯示。同時，控制系統具備在施工中遇突發情況時操作人員能及時中斷自動控制并切換為手動控制功能，手動控制方式能滿足實現混配車全部控制功能。

混配車自動配液控制系統能夠實現手動/自動控制，手動電氣控制系統是依靠操作面板上安裝的手動電氣開關和控制旋扭來操作各液壓和氣動執行元件，實現各部件動作，以滿足作業要求。通過自動/手動開關鏈接可分別實現吸入泵、排出泵、送料馬達、吸入泵蝶閥、噴射泵和液添泵的自動控制。

2.2 控制系統組成和參數設計

混配車自動配液控制系統主要由液位控制系統、吸入控制系統和排出泵控制系統、干粉控制系統、液體添加劑控制系統和計量系統組成，為了實現自動配液控制系統的參數設計與優化，首先要分析關鍵參數，包括液位控制、流量控制和配比控制等方面，然后根據系統的技術要求，對關鍵參數進行詳細分析和設計，此外，根據實際應用需求進行優化調整。最后，對參數設計和優化的方案進行詳細測試，確保系統參數設計和優化能夠有效控制配液過程。

2.3 控制算法設計

設計適合自動配液控制系統的控制算法，包括模糊控制、PID 控制和神經網絡控制等方面。

模糊控制是一種基于模糊數學理論的控制方法，其將模糊邏輯運算引入到控制系統中，將模糊量作為控制變量，并通過一定的規則來實現控制。在自動配液控制系統中，如果知道輸入的液體體積和濃度范圍，可以利用模糊控制器來實現自動調節。例如，可以根據輸入體積和濃度的大小，優化控制閾值，以達到更好的控制效果。

PID 控制是一種常用的控制算法，在自動配液控制系統中也可以應用。PID 控制器由3 個部分組成：比例部分、積分部分和微分部分。其利用傳感器測量的反饋信號和設定值之間的差異，通過不斷調整控制器的輸出來達到最佳控制效果。例如，通過控制加液泵的轉速或閥門的開度，可以實現自動配液控制。

神經網絡控制是一種利用計算機模擬人腦神經系統實現控制的方法。在自動配液控制系統中，可以通過神經網絡學習液體的配方和配液過程，從而實現自動調節。例如，可以通過神經網絡對已知的液體配比進行學習，從而在以后的配液過程中自動調整并控制液體的配比。

以上3 種控制算法都可以應用于自動配液控制系統，可以根據具體的情況進行選擇和優化。

2.4 系統仿真和實現

實現自動配液控制系統，并進行仿真和測試，分析控制效果和系統響應速度等因素，需先根據配液控制的需求，設計出系統的硬件結構和軟件控制算法，并選擇合適的控制器和執行器，包括選擇合適的傳感器、執行器、控制器及系統的物理結構，再根據設計的控制算法編寫控制程序，包括傳感器采集、數據處理、控制邏輯和執行器控制等部分，對編寫的控制程序進行仿真和測試，包括檢驗控制效果、響應速度、系統穩定性和安全性等方面，根據測試結果，對控制程序進行修正和優化，以獲得更好的控制效果和響應速度，將優化后的控制程序部署到實際應用中，實現自動配液控制。在實際操作中，還需要考慮系統的安全性問題，如保證配液的精確度和安全性，以及防止因控制程序錯誤而導致的危險。因此，在系統實現和仿真過程中，需要進行多次測試和優化，以確保系統的穩定和可靠性。

本文研究的對象（混配車）的系統傳感器，由1 個用于采集混合罐實際液位的液位計，1 套用于采集干粉罐內干粉重量胍膠粉的稱重系統，1 個用于采集吸入口實際流量的8 吋渦輪式流量計，1 個用于采集排出口實際流量的8 吋渦輪式流量計，4 個用于采集4個液添的實際流量，輸入脈沖信號的液添泵轉速傳感器；2 個用于采集干粉的下粉速率，輸入脈沖信號的喂料馬達轉速傳感器；2 個用于采集干粉罐內的干粉的下限位，檢測粉管份量的料位開關；1 個吸入泵蝶閥位置反饋信號，2 個測量吸入管路壓力的吸入泵壓力傳感器，1 個測量噴射管路壓力的噴射泵壓力傳感器，1個測量排出管路壓力的排出泵壓力傳感器組成，所有信號輸入到上位機西門子PLC 中。液位控制系統由吸入流量計、排出流量計、液位計、上位機、RC 控制器、吸入泵蝶閥、吸入泵和排出泵等組成，自動工作時，通過混液罐液位計將實時檢測到的液面信號反饋給上位機，上位機將該數據與作業設定數據進行比較，輸出控制信號給RC 控制器，控制排出泵、吸入泵的電比例閥，從而調節吸入泵和排出泵轉速，維持液面高度的穩定，實現液面自動控制，程序中設置液位高低限位報警值，確保不會吸空和漫罐。吸入控制系統由吸入流量計、液位計、上位機、RC 控制器、吸入泵壓力傳感器、吸入泵蝶閥和吸入泵組成。自動工作時，該系統主要通過上位機比較混合罐液位，吸入流量計信號，輸出控制信號給RC 控制器實時調節吸入泵轉速，保證吸入流量達到設定值。吸入泵壓力控制由RC 控制器完成，能夠隨時調整吸入泵的轉速，確保吸入泵壓力值在設定范圍內（1.6～1.8 kg）；上位機檢測吸入泵壓力值，也可在屏幕上設置吸水泵壓力值（1.6～1.8 kg），RC 控制器接收上位機設定信號確保吸入泵壓力值在設定范圍內（1.6～1.8 kg）。排出泵控制系統由液位計、上位機、RC控制器、排出泵組成。通過實時檢測到的液面信號及排出流量計信號反饋給上位機，上位機輸出控制信號給RC 控制器，實時調節排出泵轉速，保證排出流量達到設定值，且不會抽空和漫罐。干粉控制系統由吸入流量計、電子秤、上位機、RC 控制器、吸入泵蝶閥和喂料馬達等組成。該系統主要通過電子秤失重和清水吸入量的比值計算干粉實時配比，并通過計算，實時調節喂料馬達的轉速、吸入蝶閥位置，調節下粉量和進水量，系統可實現連續混配車下粉過程的自動控制，一旦將干粉配比輸入上位機，在工作期間不用操作人員協助，無論作業過程中液體流速如何變化，程序會自動調節喂料機轉速，實現干粉精確控制。液體添加劑控制系統由排出流量計、液添泵轉速傳感器、上位機、RC 控制器和液添泵組成。工作時，無論排量如何變化，上位機通過RC 控制器均可按照設定配比控制添加劑泵轉速從而實現添加劑過程的自動控制。系統可對4 臺添加劑泵單獨設置工作。

3 混配車電液控制系統

3.1 基本原理和系統組成

混配車整個傳動系統采用全液壓控制驅動方式，動力由車臺發動機提供。液壓系統采用Bosch-Rexroth公司的液壓元件，由靜壓式回路、開式回路輔助系統、控制系統、管路系統和油箱總成等組成。靜壓閉式系統，即回路中由一個變量泵直接驅動一個定量馬達的傳動，其調速方式采用電比例控制，通過控制電位計可將軸向柱塞泵的排量精確地調定所希望的輸出值，從而精確地控制定量馬達的轉速。在整個控制范圍內均為無級調節液壓執行元件的工作速度?？蓪崿F對清水吸入泵、排出泵及液添馬達的無級調速。輔助系統采用開式回路，目的為減輕混配車車載重量和臺上空間不足，液壓油箱不宜過大；必須對液壓系統產生的熱能實行強制水冷和風扇冷卻措施。液壓系統采取有效措施保持油液的清潔，控制污染度；根據系統和元件不同要求的過濾精度，設置相應等級過濾器，并裝有差壓發訊器及旁通閥，當濾芯堵塞時，便發出開關信號，提示更換濾芯，確保液壓系統工作正常、可靠、故障少和壽命長。

3.2 參數設計

電液控制系統參數設計主要是通過分析系統的關鍵參數，進行參數設計和優化，包括液壓元器件的選擇和優化、系統壓力和流量的控制等方面。液壓元器件包括液壓泵、液壓閥、液壓缸等，在實際設計中選擇合適的液壓元器件，以滿足系統的工作要求，同時需要優化液壓元器件的布局和參數，以提高系統的效率和穩定性。系統的壓力和流量是影響系統性能的關鍵參數，在設計中根據工作要求和液壓元器件的特點，確定合適的壓力和流量范圍，并采用合適的控制策略進行控制?？刂崎y是電液控制系統中的關鍵元器件，其響應速度和精度會直接影響系統的性能和精度，在設計中選擇合適的控制閥，并優化控制策略，以提高系統的響應速度和精度。除外，還要考慮工作環境的因素，如溫度、濕度、氣壓等，以確保系統的穩定性和可靠性。

3.3 控制算法設計

電液控制系統一般采用開環控制和閉環控制2 種方式。開環控制是指在控制系統中，控制信號不受反饋信號的影響，直接輸出控制信號給執行機構，通過實驗或理論計算對開環控制系統進行調整。在電液控制系統中，開環控制一般用于對單個液壓元件的控制，如液壓缸、液壓電機等，通過計算液壓元件的工作壓力和流量、選擇液壓元件的型號和參數、確定液壓系統的控制方式，手動控制、集中控制或電腦控制，再設計控制回路并調試。閉環控制是指在控制系統中，通過反饋信號對控制信號進行修正，使系統輸出的控制信號更加準確和穩定。在電液控制系統中，閉環控制一般用于對多個液壓元件的控制，如液壓動力機械、機床等通過建立系統模型，包括傳感器、執行機構、液壓元件等組成的閉環控制系統模型、選擇合適的控制器，根據模型設計控制算法，再通過仿真或實驗調試控制系統，并對系統參數進行優化實現閉環控制系統的自動化控制。

3.4 系統仿真和實現

吸入泵系統采用閉式系統，即回路中由一個變量泵直接驅動一個定量馬達的傳動，其調速方式采用電比例控制。操作面板上的清水吸入泵調速電位計旋鈕，通過RC 微處理器輸出1 個PWM 輸出可將軸向柱塞泵的排量精確地調定所希望的輸出值，執行元件參數考慮吸入離心泵、最大排量、功率、轉速、額定壓力、柱塞泵、油泵輸入轉速、切斷壓力和流量控制壓差等。本文仿真設計時，采用A10VG63EP4D1/10L-NTC10F001SP泵驅動提供油源給柱塞馬達AA2FM80/61W-VUDN027-S驅動清水泵，柱塞馬達：AA2FM80/61W-VUDN027-S。

噴射泵系統采用閉式系統，即回路中由一個變量泵直接驅動一個定量馬達的傳動，采用兩點控制，帶開關電磁鐵方式。操作面板上噴射泵開關通過RC6 微處理器使泵最大排量實現馬達最高轉速，執行元件參數考慮噴射離心泵、功率、額定壓力、額定轉速、最大排量、柱塞泵、油泵輸入轉速、切斷壓力和流量控制壓差等。本文仿真設計時，采用A4VG56EZ2DM1/32LNSC02F001 泵驅動提供油源給柱塞馬達A2FM56/61W-VAB027 驅動噴射泵，柱塞馬達：A2FM56/61WVAB027。

排出離心泵系統采用閉式系統，即回路中由一個變量泵直接驅動一個定量馬達的傳動，其調速方式采用電比例控制。操作面板上的排出泵調速電位計旋鈕，通過RC 微處理器同時輸出1 個PWM 輸出可將軸向柱塞泵的排量精確地調定所希望的輸出值，執行元件參數考慮排出離心泵、最大排量、功率、轉速、額定壓力、柱塞泵、油泵輸入轉速、切斷壓力和流量控制壓差。本文仿真設計時，采用和噴射泵系統一樣的動力源。

混配車輔助系統包括上料、攪拌、液添、送料和破拱等元件，由2 組閉芯高壓負載敏感多路閥系統組成，其性能是與負載無關，可無級調節液壓執行元件的運動速度，多個執行元件同時獨立地進行工作，相互間完全不受影響，控制精度高。

4 結論

本文主要介紹了設計和制造新型石油鉆采專用智能壓裂液混配車控制系統的過程。首先，根據石油鉆采的特殊需求，確定了設備的功能和性能指標，設計了相應的系統方案，并選取了合適的硬件和軟件組件。然后，通過對每個組件的編程和調試，完成了整個系統的集成和測試。最后，進行了實際的現場測試和調試，驗證了設備的優良性能。

通過對該套控制系統的混配車的分析和評價，可以得出以下結論。

設備具備了精準測量、高效混配、自動化控制等多種功能，能夠滿足石油鉆采領域的復雜需求。

設備使用了先進的硬件和軟件組件，具有高性能和可擴展性。

設備采用了智能控制技術，能夠自動調整配比，提高生產效率和質量。

設備的壓裂液混配效果和穩定性令人滿意。

該設備的研發具有一定的實用性和推廣價值。

綜上所述，新型石油鉆采專用智能壓裂液混配設備的設計和制造是一項有價值的工作，其將為石油鉆采領域的自動化生產提供有力支持，具有廣闊的應用前景和市場空間，是石油勘探開采領域的重要裝備，相關技術和產品的研發將會有著巨大的市場需求和發展潛力。